历史编译稿：本文保留原稿的科学人物叙事。英文资料来源为Famous Scientists；具名作者及译者未能从导出稿中核实，原发表日期待核实。
古希腊时期，哲学家德谟克利特（Democritus）认为：宇宙万物由不可分割的原子组成。
十八世纪后期，现代化学之父拉瓦锡（Lavoisier）推动了现代化学元素概念的建立。十九世纪初，英国科学家道尔顿（John Dalton）提出原子论：在当时的理论中，物质世界的最小单位是原子，原子是单一的，独立的，不可分割的。
虽然在通常的化学反应中，原子核不发生改变，却仍然有孜孜不倦进行探索的科学家，在物理层面，打开了原子世界的“大门”！
这位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人—约瑟夫·约翰·汤姆逊（Joseph John Thomson），一举打破了原子不可再分的神话。
1906年，约瑟夫·约翰·汤姆逊因在“气体导电方面的理论和实验研究”荣获该年度的诺贝尔物理学奖，一个崭新的科学时代，正在由他开启！
生活所迫的数学天才
约瑟夫·约翰·汤姆逊于1856年12月18日出生在英国曼彻斯特。他的父亲经营着一家已经在家族中传承了三代的专业书店，母亲来自拥有一家棉花公司的家庭。
年幼时汤姆逊就对科学产生了浓厚的兴趣。14岁时，他成为了曼彻斯特大学欧文斯学院的学生，在那里学习数学、物理和工程。
汤姆逊是一个害羞的男孩，他的父母希望他能成为一家机车公司的学徒工程师。但是这些希望随着汤姆逊16岁时父亲的去世而破灭，成为学徒工程师的花费很高，而他的母亲无力承担。
汤姆逊不得不需要找到资金来继续求学的道路，幸运的是，1876年，19岁的他赢得了这笔资金，不是来自工程专业，而是剑桥大学的数学专业。四年后，他以优异的成绩毕业。
毕业后的汤姆逊继续在剑桥学习，1882年他获得了亚当斯奖，这是该校竞争最激烈的数学奖项之一。1883年，他获得了数学专业的硕士学位。
当汤姆逊决定成为一名研究生时，还没有人对原子可能的样子有一个清晰的描述。因此，他决定把它们想象成一个烟圈，并描述其中可能存在的数学原理。正是这项研究使他获得了亚当斯奖和硕士学位，论文标题为《A Treatise on the Motion of Vortex Rings》。虽然标题和开始的章节可能表明论文的主题是应用数学，但最后几节的标题却揭示了汤姆逊正在推动他强大的数学头脑向更深入地理解物质迈进，它们是：
·气体的压力—波义耳定律
·热渗出
·化学理论草图
·化合价理论
·各种化学元素的化合价。
电子的发现：阴极射线管实验
2300年前，在古希腊，德谟克利特用他的智慧推断出原子的存在。
1808年，约翰·道尔顿以其原子理论复活了德谟克利特的想法。
1834年，迈克尔·法拉第（Michael Faraday）创造了离子一词，用来描述被带正电或负电的电极吸引的带电粒子。因此，在汤姆逊的时代，人们已经知道原子以某种方式与电荷相关联，而且原子可以以离子形式存在，携带正电或负电。例如食盐就是由钠离子和氯离子组成的：
Na+：带一个单位正电荷的钠离子
Cl－：带一个单位负电荷的氯离子
1891年，乔治·约翰斯通·斯托尼（George Johnstone Stoney）创造了电子这个词，以代表电荷的基本单位。然而，他并没有提出电子本身是作为一种粒子存在的。他认为，电子代表了电离原子可能具有的最小电荷单位。
原子仍然被认为是不可分割的。
1897年，40岁的汤姆逊用阴极射线管进行了一个现在很有名的实验：
当汤姆逊允许阴极射线在空气中而不是通常的真空中旅行时，他惊讶地发现它们在被阻止之前可以旅行多远。这个结果表明，阴极射线内的粒子比科学家估计的原子要小很多倍。
因此，阴极射线粒子比原子还小！它们的质量如何？它们的质量与其他典型原子，比如说氢原子（当时已知最小的粒子）相比较的结果会是怎样？
为了估计阴极射线粒子的质量并发现其电荷是正还是负，汤姆逊用电场和磁场使阴极射线发生偏转，以观察它们被偏转的方向以及偏转的大小。偏转的大小会告诉他粒子的质量，偏转的方向会告诉他粒子携带的电荷。他还通过测量粒子击中目标时产生的热量来估计粒子的质量。
汤姆逊用云室确定了阴极射线粒子携带的电荷数值与氢离子近似（即一个单位）。
从这些实验中，他得出了三个革命性的结论：
·阴极射线粒子带负电荷。
·阴极射线粒子至少比氢原子轻一千倍。
·无论它们来源于哪里，所有的阴极射线粒子都具有相同的质量和电荷。
汤姆逊的实验证明了一个新的基本粒子的存在，它比原子小得多：电子。世界从此大不相同了。
汤姆逊因其发现被授予1906年诺贝尔物理学奖。
质谱仪的诞生与同位素的发现
基于他的研究结果，汤姆逊提出了著名的（但不正确的）梅子布丁原子模型。他把原子描绘成一个均匀的带正电的 "布丁"，梅子（电子）在其中沿特定轨道运动。
在发现电子的过程中，汤姆逊还投入于一种极其重要的化学分析新工具—质谱仪的发明研究。
简单来说，质谱仪类似于阴极射线管，但其带电粒子束是由正离子而不是电子组成的。这些离子被电/磁场从直线路径上偏转，偏转的程度取决于离子的质量（低质量的离子偏转得更多）和电荷（高电荷的离子偏转得更多）。
只要将电离材料置于质谱仪中，就可以通过离子偏转的程度推断出材料中存在的化学元素。
1907年，汤姆逊利用各种方法确定了每个氢原子只有一个电子。
1912年，汤姆逊发现了天然存在的稳定同位素。他是在和学生弗朗西斯·阿斯顿（Francis Aston）通过磁场和电场发射电离的氖（即使用质谱仪）并观察到两种不同的偏转时作出这一发现的。因此得出结论，氖以两种形式存在，其质量是不同的，即同位素。
阿斯顿后来因为继续这项工作，通过质谱仪发现大量非放射性元素的同位素，并提出“整数规则”而获得1922年诺贝尔化学奖。整数规则是历史上的近似规律，并非所有同位素质量都精确等于氢原子质量的整数倍。
物理科学的薪火传承
低调与谦逊，有一种安静的幽默感，这可能是对汤姆逊个性的最好概括。
尽管他很谦虚，但在27岁时，汤姆逊就成为了剑桥大学卡文迪许实验室的物理学教授—这个职位最早由詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）担任。在担任卡文迪许实验室教授期间，他经常坐在麦克斯韦本人曾经坐过的椅子上进行计算。
除了他自己的非凡成就之外，汤姆逊还为许多科学家铺设了通往伟大的道路。汤姆逊团队的许多研究人员后来都获得了诺贝尔奖，包括Charles T. R. Wilson、Charles Barkla、Ernest Rutherford、Francis Aston、Owen Richardson、William Henry Bragg、 William Lawrence Bragg和Max Born。
1890年，33岁的汤姆逊与在他实验室工作的年轻物理学家罗丝·伊丽莎白·佩吉特（Rose Elizabeth Paget）结婚，她是剑桥大学一位医学教授的女儿。这对夫妇有一个儿子乔治和一个女儿琼。
在汤姆逊获得诺贝尔奖的31年后，他的儿子乔治（George Paget Thomson）也获得了同一奖项。获奖原因也是由于对电子的研究，他证明了电子的行为可以像波一样。
"一个迷人的事实是，父子俩为电子明显矛盾的特性提供了最引人注目的证据：父亲证明了它作为粒子的特性，儿子证明了它作为波的特性。汤姆逊为儿子的成功感到自豪，并试图将新的结果同化为他的旧信念"。—Max Born，1954年诺贝尔物理学奖获得者
1908年汤姆逊被授予爵士称号，成为约瑟夫·约翰·汤姆逊爵士。
1940年8月30日，汤姆逊去世，享年83岁。他的骨灰被埋葬在威斯敏斯特教堂的中殿，与其他科学伟人一起。
约瑟夫·约翰·汤姆逊，这个横空出世的物理天才，凭借着惊人的才华与非凡毅力，敲开了通向粒子物理学的大门，让我们得以窥见原子背后的微观世界！
打破真理，并不是一件轻而易举的事情，1906年诺贝尔奖组委会写给约瑟夫·约翰·汤姆逊的获奖理由中，甚至都没有提及电子的存在，虽然之后的无数次实验证明，原子不可分割的神话并非牢不可破！
当原子被打开，一个崭新的科学时代，或许已经降临！
原文链接：
https://www.famousscientists.org/j-j-thomson/
资料来源：《Famous Scientists》
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编辑说明
编辑说明：拉瓦锡属于十八世纪，本稿据化学史来源纠正年代并区分其元素概念与道尔顿原子论。原英文quantivalence译为“化合价理论”，不译为“量子化理论”。阿斯顿的“整数规则”并非同位素质量都精确等于氢原子质量整数倍，相关段落按诺奖授奖理由和原讲演作最低必要澄清。文中的早期原子模型保留为历史理论。
补充参考资料
来源与编辑记录
根据博士科普公众号完整历史文章导出恢复。
校订说明：编辑说明：拉瓦锡属于十八世纪，本稿据化学史来源纠正年代并区分其元素概念与道尔顿原子论。原英文quantivalence译为“化合价理论”，不译为“量子化理论”。阿斯顿的“整数规则”并非同位素质量都精确等于氢原子质量整数倍，相关段落按诺奖授奖理由和原讲演作最低必要澄清。文中的早期原子模型保留为历史理论。
