世间万物皆由分子、原子组成，这一点人们已经确信无疑。那么，原子有没有内部结构呢？这是人们一直非常关注的课题。假若存在内部结构，又是一幅什么样的图景呢？这正是本部分要回答的问题。
为了打开原子世界这扇大门，人们走过了漫长的路程。直至1897年J.J.汤姆逊发现了电子，原子世界坚固的大门才最终被敲开。从此，人类探索微观世界的奥秘揭开了新的篇章。
电子的发现
电子，如今对于人们来说已经不陌生了，它是百余年前，人们认识自然界粒子大家族中第一个成员。电子的发现，可不是一种容易的事情，这是众多科学家智慧的结晶。下面让我们回顾一下这段历史，可以从中领悟到一些有益的启迪。
电子发现的前前后后
百余年以前，英国著名的物理学家和化学家——法拉第（1791—1867年），通过多年的实验研究，于1833年总结出了闻名于世的法拉第电解定律，这条规律是“电荷具有不连续性”最早的有力证据。定律中明确指出：在电解过程中，电极上析出或溶解掉的物质的重量与通过电极的电量是成正比的，而与通电的电压高低、电极面积的大小以及电解液的导电性能没有关系；通过的电量不同，析出物质的多少也不一样；若通过的电量相同，则析出的不同电解物质之间，存在着一种确定的当量关系。由此，人们可以推得：一摩尔［摩尔表示一个系统物质的量，这个系统中所包含的粒子个数与0.012千克碳-12（12C）的原子数目相同］任何原子的单价离子所带有的电量是完全相同的。为了纪念法拉第为此做出的贡献，便以他的名字（Faraday）第一个字母F表示这个电量数值，称为法拉第常数，大小为9.648456×104，单位是库仑／摩尔（C／mol）。
意大利著名的化学家阿伏伽德罗（1776—1856年）曾提出一个假说（后来被人们称为阿伏伽德罗定律），内容是这样的：一摩尔任何物质包含有6.022045×1023个微粒，这就是有名的阿伏伽德罗常数，用符号NA表示。
一摩尔单价离子所带的电量数是确定的，而一摩尔物质包含粒子的数目也已知道，于是，人们不难得出这样的结论：电荷一定存在着最小单元，当时称这种基本电荷为“电的原子”。
爱尔兰物理学家斯通尼在1874年提出用字母e表示法拉第常数与阿伏伽德罗常数的比值，即e=F／NA。他还明确指出，原子所带电荷的数值应为一个基本电荷的整数倍，并用单词“electro”来命名电荷的最小单位，译为“电子”，意思表示为电荷的“量子”。
另外，19世纪的中叶，人们对于气体放电现象的研究正值热潮。在当时，实验设备已相当完善，只是测量仪器的真空度还比较低，严重制约着实验的精确程度。正当这节骨眼上，德国一位名叫盖斯勒（1814—1879年）的吹玻璃泡的工人，他根据托里拆利真空原理，制造出了水银真空泵。利用这种装置，人们可以获得比较高的真空。1879年，克鲁克斯（1832—1919年）制造了真空度可达0.1帕斯卡的放电管。这样，为气体放电现象的研究提供了良好的条件。
1838—1896年间，通过对阴极射线（从阴级发射出的一种直线前进的射线，它撞击玻璃壁上能够发出荧光）的观测与研究，人们总结出气体放电过程中一些非常重要的规律：
（1）从阴极发射出的射线，在没有加入外场的情况下，射线行进的方向不会发生改变，沿直线进行。
（2）假若在射线前进的方向上放置一个小小的障碍物，比如一个小五角星。那么，在障碍物后面，便会出现清晰可见的小五角星的影子。
（3）当把实验仪器置于外电场或外磁场中时，发现射线行进的方向会发生偏转。由射线在外场中的偏转情况，便可断定阴极射线是由一些肉眼看不见的、带有负电荷的微粒组成的“粒子流”。
英国一位伟大的物理学家J.J.汤姆逊（1856—1940年）通过实验，对组成阴极射线粒子的性质进行了具体测量。一个粒子所带的电荷（q）与它的质量（m）之比（q／m），称为这个粒子的荷质比，荷质比是表示每个粒子特征的物理量。每一种粒子的q／m都有确定的值，不同的粒子，这个比值不一样。这一点如同每一个人都有自己的指纹一样，不同的人，他们的指纹彼此不一样。
1897年4月30日，J.J.汤姆逊将阴极射线粒子荷质比e／m（e表示组成阴极射线粒子所带的电荷）的测定结果，在英国皇家学院星期五的晚会上，以《阴极射线》为题做了专题报告，将他的研究成果公布于众。
组成阴极射线粒子的荷质比一经测定，便标志着这种粒子已被发现。汤姆逊把这种带有负电荷的粒子称为“微粒”，后来，人们把这种“微粒”称为“电子”。这就是当今世人所熟悉的、人类认识最早的基本粒子。
J.J.汤姆逊证实了电子的存在，他断定物质内部存在着比分子小得多的带负电的粒子。这一重大发现，大出人们意料之外，在科学界引起强烈的反响。因为当时许多著名的物理学家仍坚持电荷连续分布的观念，对于这种新概念的提出还难以接受。为了表彰J.J.汤姆逊在气体放电理论和实验研究方面所做出的贡献，1906年度的诺贝尔物理学奖授予了他。
给电子“画脸谱”
电子的发现，引起世人的好奇。这个小小的客人，对于人们来说还异常陌生。它究竟是一个什么样的粒子呢？它带有多少负电荷？它有多重？……一连串的问题很自然地摆在人们的面前。为了让世人认清这个不速之客的庐山真面目，有必要给这个小粒子画个像。于是，人们便对电子的一些基本属性进行了精确的测量。
（1）电子荷质比的测定
J.J.汤姆逊于1897年运用横向双聚焦补偿法对电子的荷质比（e／m）进行了精确地测量。实验所用的装置如图2-3所示。实验方法和原理简单介绍如下：
从阴极C发射出的射线，经过狭缝A、B之后，便形成一窄束，穿过D、F之间的空间，到达右端带有标尺的荧光屏上。D与F是两片平行放置的金属薄板，两板之间的空间可以加入电场，也可以加入磁场。
实验过程是这样的：开始时，不加任何外场，这时射线从D、F之间穿过时，如入无人之地，径直打到荧光屏的O点位置；然后，加入电场。在电场力的作用下，射线经过两块金属板之间时，运动方向发生了偏转，打在荧光屏的位置由O点转到了P点。从射线偏离的方向可以判定，阴极射线带有负电荷。第三步，再把磁场加入D和F之间的空间，让磁场的方向与纸面垂直，并指向外侧。实验开始时，磁场比较弱。在这种情况下，射线同时受到电场力的作用和磁场力的作用。这两种作用力的方向刚好相反，使得射线打在荧光屏的位置从P点又偏向O点的位置。增加磁场的强度，使射线束打在荧光屏上的位置刚好回到O点，意味着阴极射线受到的电场作用与磁场作用刚好抵消，射线可以径直行进。由于射线经过场区时，受到的电场力的方向和磁场力的方向都与粒子行进的方向垂直，它们对带电粒子作用效果刚好相反，这便是“横向双聚焦补偿法”名称的由来。
若把电场力去掉，这时粒子经过场区时仅受到磁场力的作用，这个力便提供了粒子做圆周运动的向心力。只要测量出圆轨道的半径，加上已知的电场强度和磁感应强度，便很容易计算出阴极射线粒子的荷质比e／m。
在J.J.汤姆逊研究工作之前，英国曼彻斯特大学物理系教授休斯脱，于1890年曾研究过氢气放电管中阴极射线的偏转问题，并且准确地计算出阴极射线粒子的荷质比，其数值为氢离子的荷质比1000多倍，同时还计算出粒子的质量不到氢原子质量的千分之一。休斯脱由于受到原子是构成物质最小单元思想的束缚，不敢相信自然界中还存在比原子更小的粒子。因此，他对自己的研究结果持怀疑的态度，不敢向世人公布自己的测量成果。为了能自圆其说，休斯脱假定这种粒子的大小应当与原子相当，而带的电荷要比氢原子多。
更值得一提的是，与J.J.汤姆逊发现电子的同一年，法国学者考夫曼（1871—1947年）也做了同样的实验研究。他测定的阴极射线粒子的荷质比e／m的数值，比J.J.汤姆逊的实验结果更加精确，与目前使用的数值仅差1％。然而，考夫曼对自己的测量结果却大惑不解。因此，他没有勇气公布自己的研究成果。原因是他不相信阴极射线是由“粒子流”组成的观点。直到1901年，考夫曼才把实验结果发表出来，可早已晚了三秋，令世人遗憾。更惋惜的是，在实验中他还发现e／m的大小与射线运动的速度有关，随着速度的增加反而减小。这一实验结果，运用后来建立的相对论有关知识能够得到很好地说明。
这些人正如恩格斯（1820—1895年）所描述的那样，当真理碰到鼻子尖的时候，还是没有得到真理的人。在科学发展史上，这类事情是屡见不鲜的。今天，回顾这些往事，能够从中得到一些有益的启示。
J.J.汤姆逊与这些人不同，他敢于正视现实，大胆地承认自然界中存在着比原子、分子小得多的粒子。J.J.汤姆逊被后人誉为“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。这不仅仅在于他能够准确地测定了电子的荷质比；更重要的还在于他敢于同传统的观念决裂，第一个勇敢地承认电子的存在，为人类迈入原子世界，起了铺路石的作用。这正是J.J.汤姆逊超出同时代其他学者的可贵之处。
（2）密立根油滴实验
关于电子所带电荷的测量，是近代物理实验中具有重要影响的事件，这就是历史上著名的密立根油滴实验，它是由美国物理学家密立根（1868—1953年）完成的。
实验装置参看图2-5。在一个密闭的容器C内，装有两块用黄铜制作的圆形板M与N，直径是22厘米，两板平行放置，相距16毫米。M板的中央开有一个圆孔，油滴从小孔滴入。M、N与高压电源相接。R是一个微形喷雾器，产生所需的油滴。P是射线源，由它发出的射线直接照射油滴，使油滴带电或改变油滴所带的电量。S是一个弧光灯，发出的强光照射到油滴上，用以提高油滴的亮度，便于观察。容器的侧面装有一台高倍聚焦望远镜（图中未画出），用来观察油滴的运动情况。
现有一个油滴悬浮在圆板M与N之间，它同时受到重力和空气浮力的作用。由于重力大于浮力，油滴向下加速运动。它还受到空气的阻力作用，阻力的大小与油滴下落的速度大小有关。速度越大，阻力也越大。当油滴下落的速度增加到一定程度的时候，油滴受到向下的重力作用刚好与向上的浮力和阻力作用之和相等，这时油滴将匀速下落。
然后，用射线源发出的射线照射油滴，给油滴带电，假定油滴带有负电荷；与此同时，接通高压电源。这时，带电油滴受到一个向下的电场力作用。电场力的出现，破坏了油滴所处的平衡状态，开始向下加速运动。随着油滴运动速度加快，空气阻力进一步变大，使油滴会出现新的平衡情况，再次匀速下落。
在这观测过程中，只要精确测量出油滴两次匀速下落时的速度大小，运用平衡状态时的各已知条件，便可计算出油滴所带的电荷数。
为了探求油滴的带电规律，密立根进行了大量的观测。从收集的数据中，他惊奇地发现，各种情况下，油滴所带电量总是某一个最小电量的整数倍。若用字母e表示这个最小电量，那么，每一次油滴所带的电量q可以表示为q=ne，其中n是正整数，取值为n=1、2、3、……。经过反复计算，得到最小电量e的数值为e=478×10-10，当时使用的单位是“静电系”单位。电量的这个最小数值也就是油滴中每个电子所带的电量，称为“电子电量”。
多年来，人们一直认为密立根测定的“电子电量的数值”是相当精确的。自1916年以来，长达10余年中，国际上一直沿用这一结果，并作为国际标准。随着科学的发展，测量技术也在不断地改进和提高。到了1929年，才发现这个数值存在着1％的偏差，其原因主要来自对空气粘滞性测量出现一定的误差造成的。
当今人们公认的电子电量的数值为：
e=4.803242×10-10静电系单位（e.s.u）。国际单位制中，电子电量的数值为：
e=1.60219×10-19库仑（C）
这个测定的数值，精确度可以达到3×10-6。
密立根从事油滴实验的研究，自1906年至1913年，长达7年之久。他观测了数百个液滴，工作异常艰辛，但他一丝不苟。有一次，为了能够准确测量油滴的带电数值，竟连续工作达30个小时不吃不喝。功夫不负有心人，终于如愿以偿，他精确地完成了测量工作，实现了自己多年的夙愿。密立根这种严谨的科学态度，孜孜不倦的探求精神，一直传为佳话，令世人敬佩。
密立根油滴实验在近代物理实验中，占有光辉的一页。实验中发现了一个非同寻常的规律，轰动了整个科学界，密立根也因此而闻名于世。这就是：任何一个物体所带的电量不是任意的，只能是电子电量的整数倍。电子电量e称为“电的量子”。由此表明，物体所带的电量不是连续分布的，而只能取一些分立的数值，即一份一份的，每一份的取值为e、2e、3e……。电荷的这种特性称为电荷的“量子化”（Quantize），这种概念与传统的思想是格格不入的。在当时，众多著名的物理学家都坚持着电荷连续性的观念，使他们接受电荷量子化这一全新的概念是困难的。
如今，大量事实已充分证明，对于微观客体，像电子、原子、分子等，量子化是它们共有特性。除了电荷之外，后面我们还要谈到微观粒子具有的能量、角动量等也同样具有这种性质。可以说，“量子化”是微观世界最基本的特征之一，也是区别于宏观世界的一个重要标志。由此也可以看出微观世界的奇妙之处。
鉴于密立根对基本电荷的测量和光电效应等方面的研究，为人类做出了杰出贡献，因而荣获了1923年度诺贝尔物理学奖。
（3）电子的质量
电子的荷质比和电子所带的电量已通过实验精确测出，电子的质量便很容易计算出来。目前，电子质量公认的数值为
me=9.109534×10-31千克
利用同样的方法，还可以测定质子的荷质比e／mp。mp表示质子的质量。并由e／mp与e／mp，可求得质子的质量与电子质量的比为：
mp／me=1836.15152
这是一个非常重要的常数。正是这个常数，决定了原子的基本特征，为人们研究原子的结构、性质及其运动状态提供了重要的依据。
另外，由电子的质量和比值mp／me，可以得到质子的质量是：
mp=1.6726485×10-27千克
