个人经历/约瑟夫·汤姆孙

约瑟夫·汤姆孙

约瑟夫·约翰·汤拇逊1856年出生于英格兰的曼彻斯特附近的苏格兰人家庭，父亲是一个专印大学课本的商人，由于职业的关系，他父亲结识了曼彻斯特大学的一些教授。汤姆逊从小就受到学者的影响，学习很认真，十四岁便进入了曼彻斯特大学欧文学院并学习了工程学。在大学学习期间，他得到了司徒华教授的精心指导，加上他自己的刻苦钻研，学业提高很快。1876年，即二十一岁时，他被保送进了剑桥大学三一学院深造，1880年他参加了剑桥大学的学位考试，以第二名的优异成绩取得学位，随后被选为三一学院学员，两年后又被任命为大学讲师。他在数物理学方面具有很高修养，发表了《论涡旋环的运动》和《论动力学在物理学和化学中的应用》论文。1884年，在瑞利的推荐下，他成为卡文迪许物理学教授，即卡文迪许实验室主任。1890年他与露丝·佩杰特结婚，并养育了两个孩子。1897年汤姆逊在研究稀薄气体放电的实验中，证明了电子的存在，测定了电子的荷质比，轰动了整个物理学界。1905年，他被任命为英国皇家学院的教授；1906年荣获诺贝尔物理学奖；1916年任皇家学会主席;1919年被选为科学院外籍委员会首脑。汤姆逊在担任卡文迪许实验物理教授及实验室主任的34年，桃李满天下。1940年8月30日，汤姆逊逝世于剑桥，终年84岁。他的骨灰被安葬在西敏寺的中央，与牛顿、达尔文、开尔文等伟大科学家的骨灰安放在一起。

他的学生之一是欧内斯特·卢瑟福，卢瑟福于1919年接替汤姆孙就任卡文迪许物理学教授。 受到詹姆斯·克拉克·麦克斯韦工作的影响和X射线的发现，他推导出阴极射线存在于带负电的粒子，他称之为“微粒”，这种微粒现在认识为电子。

学习过程/约瑟夫·汤姆孙

听过一些麦克斯韦的讲课，而且正是在作为卡文迪许教授的麦克斯韦的继任者瑞利勋爵的指导下，汤姆逊完成了几篇理论性论文，1884年，瑞利按照他原来的许诺(只担任五年)辞去了卡文迪许教授职务。

汤姆逊申请这个职位，他述说：“没有认真考虑过这项工作和所要负的责任”就申请了。他只有28岁，没有想到会当选，但出乎他的意料，他当选了。

这些选举人要么非常走运要么是非常有远见的。汤姆逊说：“我觉得自己象一个钓鱼的人，用一只轻巧的钓鱼具，在一个意想不到的地方抛出了一线钓丝，钓到了一条鱼，这条鱼太重而使这个钓鱼的人不能把它吊到岸上来。我觉得接替一位象瑞利勋爵这样享有盛名的人是困难的。”值得注意的是，他不提麦克斯韦，虽然在另外的地方汤姆逊谈到了关于第一任卡文迪许教授的委任。

实验研究/约瑟夫·汤姆孙

1883年，汤姆逊写了一篇与原子核有关的涡旋环理论的获奖论文，并由此开始了他的气体放电的实验研究。他称x射线使气体导电的现象为“电离”，并通过电离现象的研究证实了阴极射线是很小的带电粒子。

1897年，汤姆逊用出色的实验结束了延续了二十多年的科学家们对于阴极射线本质的争论。他将一块涂有硫化锌的小玻璃片，放在阴极射线所经过的路途上，看到硫化锌会发闪光。这说明硫化锌能显示出阴极射线的“径迹”。他发现在一般情况下，阴极射线是直线行进的，但当在射击线管的外他将一块涂有硫化锌的小玻璃片，放在阴极射线所经过的路途上，看到硫化锌会发闪光。这说明硫化锌能显示出阴极射线的“径迹”。他发现在一般情况下，阴极射线是直线行进的，但当在射击线管的外面加上电场，或用一块蹄形磁铁跨放在射线管的外面，结果发现阴极射线一都发生了偏折。根据其偏折的方向，不难判断出带电的性质。

汤姆逊得出结论：阴极射线不是以太波，而是带负电的物质粒子，但要想知道这些粒子是什么还需要作更精细的实验。当时还不知道比原子更小的东西，因此汤姆逊假定这是一种被电离的原子，即带负电的“离子”。他要测量出这种“离子”的质量来，为此，他设计了一系列既简单又巧妙的实验：首先，单独的电场或磁场都能使带电体偏转，而磁场对粒子施加的力是与粒子的速度有关的。汤姆逊对粒子同时施加一个电场和磁场，并调节到电场和磁场所造成的粒子的偏转互相抵消，让粒子仍作直线运动。这样，从电场和磁场的强度比值就能算出粒子运动速度。而速度一旦找到后，单靠磁偏转或者电偏转就可以测出粒子的电荷与质量的比值。汤姆逊用这种方法来测定“微粒”电荷与质量之比值e/m和电荷与动能之比e/mv2，从而定出了这种粒子的荷质比e/m和速度v。他发现这个比值和气体的性质无关，并且该值比起电解质中氢离子的比值（这是当时已知的最大量）还要大得多。这说明这种粒子的质量比氢原子的质量要小得多，前者大约是后者的二千分之一，从而首先提供了电子存在的直接证据。

随后，他又在卡文迪什实验室进行的电磁场偏转实验和威尔逊云室的径迹观察中最终确认了电子，从而确定所有物质至少都包含电子这种共同的成分。汤姆逊还提出了原子的“葡萄干模型”，但是，后来的实验证实了这个模型是不正确的。

另外，汤姆逊在研究了原子中的电子对x射线的散射后，结合巴克拉的结果，证明了原子中的电子数目约为原子质量数的一半，指出了原子序数的重要性。他还在一篇关于能量转换的论文中指出，能量必须同时具有质量和动量，从而部分地预见到运动的带电粒子的波粒二象性和爱因斯坦质能关系式E=mc2。

电子的发现/约瑟夫·汤姆孙

约瑟夫·汤姆孙在试验

美国的物理学家罗伯特•密立根在1913年到1917年的油滴实验中，精确地测出了新的结果，前者是后者的1836分之一。这说明汤姆逊之前测得的结果肯定地证实了阴极射线是由电子组成的，人类首次用实验证实了一种“基本粒子”—-电子的存在。

电子曾经被约翰斯东•斯通尼提出过，作为电化学中电荷的单位，但是汤姆孙认识到电子也是亚原子粒子，这一点是第一次被发现。1897年他的发现为人所知，并在科学圈内引起了轰动，并最终于1906年被授予诺贝尔物理学奖。极富戏剧性的是，他的儿子乔治•佩吉特•汤姆孙后来因证实电子是一种波而被授予诺贝尔物理学奖。

电子的发现，打破了“原子是物质结构最小单元”的观念，揭示了电的本质。同时，电子是人类发现的第一个基本粒子，它的发现使人们对物质世界的认识向前迈出了一大步，因此发现电子的汤姆逊被后人誉为“最先打开通向基本粒子物理学大门的科学家”。

汤姆逊把剑桥大学的卡文迪什实验室发展成为当时最大的研究中心，数百名优秀的科学家在此受过训练，其中有8人获得诺贝尔奖，在这8位获奖者中，有7位曾在他的亲自指导下从事研究工作。

荷电粒子的理论/约瑟夫·汤姆孙

1897年8月，他写下了现在仍然十分有名的文章。在这篇论文里，他描述了“为了检验荷电粒子的理论”所做的实验，将他的测量结果应用到确定组成阴极射线的粒子的荷质比上去。从同样的实验中，他也导出了粒子的速度。这里是他的推理的一个摘要：由一给定电流携带的总电量Q等于它所有的粒子数N乘每一个粒子的电荷e：Ne=Q

然后，通过测量产生的热的办法来测量由粒子所传输的能量W，这个值必须等于质量为m、速度为v的这些粒子的动能 1/2Nmυ²＝W 用磁学办法使粒子发生偏转，他知道：mv/e=Bp，这里p是轨道的曲率半径，B是磁场。因为能量，电量，磁场和曲率半径是可测量的，他能推论出 e/m=2W/(Q²B²p²)具有值2.3×1017(静电单位电量/克)，远大于电解法中离子的荷质比e/m。

在他1897年的文章中，汤姆逊叙述了另一个令人注意的观察结果：构成阴极射线的微粒都是一样的，与管内阴极或对阴极或气体的成份无关。这里有一个所有物质的普适成份。