第5章 物理大发明(5)
过了几年，汤姆生的另一名研究生H.A.威尔逊又将汤姆生的方法做了改进。他在密闭容器中加了两块水平极板n、p，并加上电压，使极板中产生电场，然后用显微镜T（短焦距望远镜，当显微镜用）观察带电云雾在电场作用下的运动情况。他先观测不加电压时，云层顶端在重力单独作用下下降的速度；再观测加电压后，云层顶端在重力和电场力共同作用下加快了的下降速度。比较这两种速度，经过计算，他得到的平均电子电荷值e=1×10-19库。
汤姆生的学生花了很大力气，希望从实验直接测定电子的电荷值，但是始终只能得到平均结果，没有能够证明电的分立性，这就给反对者留下了借口，继续挑起论战。他们否认电的分立性，不承认有基本电荷，实际上也就是否认电子的存在。
关键是要能精确地测定单个电子的电荷值。这项任务落到了美国物理学家密立根（R·A·Millikan）的肩上。密立根是芝加哥大学教授。他和以测量光速著称的迈克耳逊是同事。1906年，这时密立根已38岁，有一天在学校的讨论会上他给师生们做了关于汤姆生发现电子的介绍性报告，为了准备这篇报告，他仔细读了汤姆生1897年的论文，深深地被这项工作所吸引。
报告会后他就和研究生一起重复H·A·威尔逊的平板电极法实验，由于密立根采用镭作为电离剂，代替了X射线，电离的效果比较好，得到e＝1.34×10－19库。这个结果受到物理学家卢瑟福的赞许，卢瑟福向他指出，如果能防止水的蒸发，也许e值还可增大。
为了研究云层蒸发的情况，密立根打算把云层稳定在某一高度，以便连续进行观察。这件事很容易办到，只要改换电场方向，使云层所受电力和重力方向相反，并适当加大电压即可达到目的。
1909年夏，密立根将电压加到1万伏，当他合上电闸时，奇迹出现了。云层哪里稳定得住，竟立即消散离析，带电雾粒以不同速度散开，偶而有几滴水珠留在视场中闪闪发光，好像天上的星星一样。
他立刻领悟到这几滴水珠之所以停在空中不动，是因为它们所受的电场力正好与重力平衡。
既然如此，为什么不可以从平衡的带电水珠求电子的电量呢？
于是，密立根就创造了水珠平衡法。
密立根用水珠平衡法测得了大量数据，证明重量不同的水珠所带的电量，几乎都是某一常数的整数倍，这个常数就是基本电荷值。他的结果是e＝1.55×10－19库，跟当时其他方法所得结果符合得很好。
1909年8月，密立根到加拿大参加科学会议，他报告了自己的工作，受到与会代表的称赞，他也从会议上了解到测量电子电荷的重大意义。就在他乘火车从加拿大返回美国的途中，他正向窗外眺望，突然灵感上心，钟表油是几乎一点也不蒸发的，何不用钟表油来试试呢？于是，当他回到芝加哥后，就立即安排研究生用钟表油做试验。
由于使用不易蒸发的钟表油，液滴用喷雾器由开口喷入即可，实验装置大大简化，操作也方便多了。密立根请技师做两块22厘米直径的圆铜盘，边上垫三块小小的石英片作为绝缘，这就组成了平板电容器。上极板中心钻半毫米的小孔，让喷雾器由此喷进油滴，少数油滴在喷嘴上摩擦，即可带上电荷。平板间加上万伏的电压，用显微镜对准油滴，确定使油滴处于平衡所需电压，由此即可计算油滴所带电量。
1910年以后，密立根又进一步改进实验方法。他让油滴在电场力和重力的共同作用下，上上下下地运动。从上下运动的时间求出速度，然后用X射线或镭照射油滴，使油滴所带电量增多或减小。这时，实验者从显微镜中会观察到油滴运动的速度突然发生了改变，从速度改变的差值就可求出电荷量改变的差值。
实验结果表明，油滴上电荷量的变化总是基本电荷值的倍数。密立根用这个方法得到了精确的基本电荷值为e＝（1.591±0.003）×10－19库。就这样，密立根以大量实验无可辩驳地证实了电的分立性，为近代物理学的发展奠定了重要基础。
密立根是一位作风严谨、技艺精巧的实验物理学家。他钻研电子电荷的测量工作历经十几年，积累了上千次实验数据。他不断地改进实验方法，结果越做越精。据说，当年好奇的新闻记者登门采访，要求密立根展示他做出惊人成果的仪器设备，密立根再三推托，无奈记者百般恳求，只好照办。他叫实验员用托盘端上一个用圆铜盘做的平板电容器，诙谐地指着电容器对记者说：“秘密全在这里。”装置如此简单，使记者惊讶不已。
密立根在1923年荣获诺贝尔物理学奖，奖励他发明了油滴仪，从而精确地测定了电子电荷，确定了基本电荷的存在，并且还对他另一项工作予以奖励，这项工作是他在光电效应方面的研究。
质谱仪的发明
阿斯顿（F·W·Aston）是卡文迪什实验室的一名工作人员，曾经协助J·J·汤姆生研究正射线，经过长期实践，发明了质谱仪，从而获得1922年诺贝尔化学奖。
1877年9月1日阿斯顿出生在英国产业革命的发源地——伯明翰，他的外祖父是枪支制造者，因此他从小就有机会接触金工和手工艺，培养了技艺方面的才能。小时候他就爱做机械玩具，他在自己家里设有金工间，搞过不少工具革新，甚至还自己做成了摩托车。他也很喜爱做化学和真空实验。伦琴发现X射线的消息，激励他自己尝试做X射线管。为了抽取真空，他发明了一种新型的斯普伦格真空泵，并用以研究放电管中的克鲁克斯暗区。在1903年他发现了一个特殊的暗区，人称为阿斯顿暗区。1909年阿斯顿任伯明翰大学物理讲师。
正当这时，J·J·汤姆生在卡文迪什实验室的正射线研究取得一定成果。这个实验技术相当复杂，极需有经验的技师协助工作。于是J·J·汤姆生向好友坡印廷（J·H·Pointing）要人，坡印廷把自己的学生阿斯顿推荐给他。1910年，阿斯顿来到卡文迪什实验室，当了J·J·汤姆生的一名助手。
J·J·汤姆生的正射线研究已经进行了好几年，并且前后发表了8篇论文，这项工作原来是维恩（W·Wien）在1898年做过的极隧射线研究的继续，但J·J·汤姆生又做了相当多的改进。实验的基本方法是用磁场和电场使正射线偏转，在屏上或照片上显示出抛物线轨迹，从而粗略地计算其荷质比与速度。然而图像很差，有时甚至无法辨认不同成分的轨迹。
阿斯顿参加正射线的工作后，对实验装置做了多项改进。他用大玻璃球壳做低压放电管，设计并制备了一种适于拍摄抛物线径迹的专用照相机，还做了一台非常灵敏的石英微量秤以测量气体分离后的密度。1912年夏他制成了一台改进的正射线测量仪，把球壳中的空气抽走后，可以从照片上看到一系列的抛物线，这些抛物线分别为C、O、CO、CO2、H、H2和Hg离子的径迹。虽然仪器的分辨率不高，但质量数相差10%的抛物线可以分开。
这时，汤姆生从他的皇家研究所同事杜瓦（J·Dewar）那里要到了做氖管的氖气。当他将氖气充入放电球壳时，出乎意料，原子量为20.2的氖气竟出现了两条抛物线，一条粗的相当于20个原子质量单位，另外一条相当于22个原子质量单位，非常暗淡。
实验者没有放过这个异常情况，后来知道，这实际上是氖的同位素20Ne与22Ne，可是1913年索迪（F·Soddy）还没有完成同位素的工作，甚至连同位素这个名词还没有出现，J·J·汤姆生做了一个初步估计，认为可能是一种特殊的分子NeH2，它的分子量正好是22。
但是，阿斯顿不肯接受这个判断，他希望通过事实作出结论。于是他找来最纯的氖气进行试验，结果仍然是两条抛物线，和先前完全一样，这使阿斯顿增强了信心，相信是两种不同的氖。
阿斯顿想从各种不同的途径来证明两种氖的存在，一是分离出这两种不同质量的物质，二是进一步改进正射线偏转法。他先用液态空气冷却的活性炭对氖气进行分馏，没有成功。后又用多孔陶管扩散方法进行分馏，也不见显著效果。1914年开始，他改用自动连续扩散的方法，可惜没有采用低温冷却，效果仍然不大。
不久，战争爆发了，阿斯顿进入伐波鲁（Farnborough）的皇家飞机工厂当化学技术员。他虽然离开了实验室，可是脑子里还经常想分离氖气的问题。他对物理学懂得不多，平常难得有机会跟大科学家们讨论问题。这时正值战争期间，飞机工厂集中了一批物理学家，他利用茶余饭后，和这些物理学家讨论正射线的问题，从他们那里学到了不少的理论知识，甚至包括量子理论。
由于科学家们的鼓励，加上他自己不断地思考，1919年当他回到卡文迪什实验室后，就马上着手用电磁聚焦的方法来分离两种不同的氖，后来果然获得了成功。阿斯顿把他的仪器称为质谱仪。
J·J·汤姆生在这个问题上显然不如他的助手敏锐，他虽然对NeH2的说法并不太坚持，但也不承认两个成分是氖的同位素。他认为同位素的概念只能用在放射性元素上，直到1921年在皇家学会讨论这个问题的时候还持反对态度。
随后，阿斯顿继续用质谱仪分析其他元素，找到了许多元素的同位素，J·J·汤姆生不久也就接受了阿斯顿的观点。
敢于坚持自己的观点，不迷信权威。这可以说是卡文迪什实验室的科学传统。而J·J·汤姆生虽然曾经持有错误观点，但一旦认识到自己错了，就不再坚持。在实践面前人人平等，在真理面前人人平等，不分高低贵贱，这就是科学工作的基本准则。
电子显微镜的发明
1986年诺贝尔物理学奖一半授予德国柏林弗利兹-哈伯学院的恩斯特·鲁斯卡（Ernst Ruska），以表彰他在30年代初发明了第一台电子显微镜。
研制电子显微镜的历史实际上可以追溯到19世纪末。人们在研究阴极射线的过程中发现阴极射线管的管壁往往会出现阳极的阴影。1987年布劳恩设计并制成了最初的示波管。这就为电子显微镜的诞生准备了技术条件。1926年布什（H.Busch）发表了有关磁聚焦的论文，指出电子束通过轴对称电磁场时可以聚焦，如同光线通过透镜时可以聚焦一样，因此可以利用电子成像。这为电子显微镜做了理论上的准备。限制光学显微镜分辨率的主要因素是光的波长。
由于电子束波长比光波波长短得多，可以预期运用电子束成像的电子显微镜得到比光学显微镜高得多的分辨率。
恩斯特·鲁斯卡1906年12月25日生于德国巴登市海德堡。他的父亲是柏林大学历史学教授。
1925～1927年，鲁斯卡上中学时就喜欢工程，并在慕尼黑两家公司学习电机工程。后随父到了柏林，1928年夏进入柏林恰洛廷堡的柏林技术大学学习，在大学期间参加过高压实验室工作，从事阴极射线示波管的研究。从1929年开始，鲁斯卡在组长克诺尔（M.Knoll）的指导下进行电子透镜实验。这对鲁斯卡的成长很有益处。
1928～1929年期间，鲁斯卡在参与示波管技术研究工作的基础上，进行了利用磁透镜和静电透镜使电子束聚焦成像的实验研究，证实电子束照射下直径为0.3毫米的光缆可以产生低倍（1.3倍）的像，并验证了透镜成像公式。这就为创制电子显微镜奠定了基础。1931年，克诺尔和鲁斯卡开始研制电子显微镜，他们用实验证明了为要获得同样的焦距，使用包铁壳的线圈，其安装的线圈匝数要比不包铁壳的线圈小得多。1931年4～6月，他们采用二级磁透镜放大的电子显微镜获得了16倍的放大率。通过计算他们认识到，根据德布罗意的物质波理论，电子波长比光波波长短5个数量级，电子显微镜可能实现更高的分辨率。他们预测未来的电子显微镜，当加速电压为7.5万伏，孔径角为2×10-2弧度时，衍射限制的分辨率将是0.22纳米。
1932～1933年间，鲁斯卡和合作者波里斯（Borries）进一步研制了全金属镜体的电子显微镜，采用包有铁壳的磁线圈作为磁透镜。为了使磁场更加集中，他们在磁线圈铁壳空气间隙中镶嵌非磁导体铜环，并将铁磁上、下壳体内腔的端部做成漏斗形（磁极靴），使极靴孔径和间隙均减小到2毫米，而且焦距减小到3毫米。1932年3月，波里斯和鲁斯卡将此项磁透镜成果申请了德国专利。
1933年，鲁斯卡在加速电压7.5万伏下，运用焦距为3毫米的磁透镜获得12 000倍放大率，还安装了聚光镜可以在高放大率下调节电子束亮度。他拍摄了分辨率优于光学显微镜的铝箔和棉丝的照片，并试验采用薄试样使电子束透射而形成电子放大像。
1934年鲁斯卡以题为《电子显微镜的磁物镜》的学位论文获得柏林技术大学工学博士学位。
1934～1936年，鲁斯卡继续进行改进电子显微镜的实验研究。他采用了聚光镜以产生高电流密度电子束来实现高倍放大率成像，采用物镜和投影镜二级放大成像系统。可是，当时他们的发明并未立即获得学术界和有关部门承认，鲁斯卡和波里斯努力地说服人们，使他们相信可以研制出性能超过光学显微镜的电子显微镜。他们多次到政府和工业研究部门以争取财政支持。经过3年的奔走，1937年春西门子-哈斯克公司终于同意出资建立电子光学和电子显微学实验室。许多青年学者纷纷前来参加研究工作。
恩斯特·鲁斯卡从1937年开始着手研制商品电子显微镜，1938年制成两台电子显微镜，且带有聚光镜，配以具有极靴的物镜及投影镜，备有更换样品、底片的装置，可获得30 000倍放大率的图像。恩斯特·鲁斯卡的弟弟哈尔墨特·鲁斯卡（Helmut Ruska）和其他医学家立刻用来研究噬菌体等，获得很大的成功。1939年西门子公司制造的第一台商品电子显微镜终于问世。同年，电子显微镜首次在莱比锡国际博览会上展出，引起广泛注意。1940年，在恩斯特·鲁斯卡提议下，西门子-哈斯克公司将上述实验室发展为第一个电子显微镜开放实验室，由哈尔墨特·鲁斯卡任主任。实验室装备了4台电子显微镜，接纳各国学者前来做研究工作，推动了电子显微镜在金属、生物、医学等各个领域的应用与发展。在鲁斯卡工作的影响下，欧洲各国科学家先后也开始了电子显微镜的研究和制造工作。