首页 理论教育 电的认知:从早期科学研究到电子的发现

电的认知:从早期科学研究到电子的发现

时间:2023-11-22 理论教育 版权反馈
【摘要】:人类对正电与负电的研究同样由来已久。这是早期自然科学的认知。历史上,人类对电现象的研究层出不穷。汤姆生发现磁场会让阴极射线的落点发生偏转,改变磁场的大小可以对落点造成影响,这是典型的洛伦兹力现象,说明阴极射线是由带电的微小粒子构成。当电子被发现以后,人们把电荷看作电子的一种特性,而不再认为电荷是一种单独的物质。

电的认知:从早期科学研究到电子的发现

早在公元前600年左右,希腊哲学家就做过这样的观察:在琥珀上摩擦猫毛以后,琥珀会吸引像羽毛一类的轻微物体;假若摩擦时间够久,甚至会有火花出现。

这是人类静电现象最早的记录,记录者是泰勒斯,即提出水元素是万物本质的那一位。

进入近代以后,英国医生吉尔伯特发现,摩擦不但可以使琥珀具有吸引轻小物体的性质,还可以使不少别的物体如玻璃棒、硫黄、瓷、松香等具有同样的性质。他把这种吸引力称为“电力”。他甚至为此写了一本著作,叫《论磁石、磁体和地球大磁石》,全面论述了对磁体和电吸引现象的研究。请注意吉尔伯特开展这项研究工作的时间,是1600年。

人类对正电与负电的研究同样由来已久。

1734年,法国人杜伐做了一系列实验,他用玻璃棒与丝绸摩擦,同时用松香与毛皮摩擦,使玻璃棒与松香带电,然后用细绳将玻璃棒与松香悬挂起来,观察它们之间的受力情况。杜伐发现,玻璃棒与松香携带的是两种不同性质的电。电荷的同性相斥异性相吸特征也是在那时被发现的。杜伐把玻璃棒带的电称为“玻璃电”,把松香带的电称为“松香电”。

这是早期自然科学的认知。

一般认为,用科学方法开始对电的研究,始于美国科学家富兰克林。富兰克林在1747年给朋友的信中提出这样的观点:

电是一种没有重量的流体,存在于所有物体中;当物体得到比正常分量多的电,就称为带正电;若少于正常分量,就称为带负电。

根据富兰克林的说法,正电会经常移动,所谓“放电”就是正电流向负电的过程。

当然,这只是富兰克林自己的猜测,他试图用一种物质来解释两种电荷。虽然这一猜测没有得到验证,但是正电、负电两种名称被保留下来。

还是富兰克林,他在1752年用风筝实验尝试捕捉天电。他把一个很大的带着金属丝的风筝放到云层里,风筝线的下端用金属丝挂了一串钥匙。当雷电发生时,富兰克林用手靠近钥匙,立刻感受到电流带来的麻木感。有资料说他看到手指和钥匙之间产生了小火花。也有资料认为,富兰克林并没有真的做过这个实验,因为1753年,俄国著名电学家利赫曼为了验证富兰克林的实验,不幸被雷电击死。

不论历史细节如何,我们需要知道的是,这个实验不但导致了避雷针的发明(1754年),更证明了自然界中的雷电与摩擦产生的静电是同一种“物质”,电是自然界中的一种常见现象。

历史上,人类对电现象的研究层出不穷。比如有人曾用电鳐所发的“生物电”治疗精神病,比如伽伐尼在解剖青蛙时发现了“动物电”。

值得一提的是荷兰人莱顿发明的莱顿瓶,以及意大利人伏特发明的伏打电堆。莱顿瓶可以储存一定的静电,据说富兰克林捕捉天电时就是靠它来保存雷电,而伏打电堆能通过化学方法制造电流。正是这两个装置让早期的电学研究者掌握了获得电的稳定方式,得以对电现象展开有效研究。

值得注意的是,在这段历史时期,电被认为是一种物质。

18~19世纪,可谓电磁学物理学家群星璀璨的时期,欧姆、安培、麦克斯韦赫兹法拉第……这些人都是物理教材上的常客,他们把电与磁发展为一门完整而伟大的科学。

期间有这样一个插曲。(www.xing528.com)

1858年,德国物理学家尤利乌斯·普吕克与英国物理学家克鲁克斯各自发现了一种叫做阴极射线的现象。当装有两个电极的玻璃管里的空气被抽到相当稀薄时,在两个电极间加上几千伏的电压,在阴极(与负电荷对应)对面的玻璃壁上会出现闪烁的绿色辉光,可是实验者并没有看到从阴极上有什么东西发射出来。这是怎么回事?

这种现象引起许多科学家的浓厚兴趣,进行了很多相关实验。结果发现,当在阴极及其对面玻璃壁之间放置障碍物时,玻璃壁上就会出现障碍物的阴影;若在它们之间放一个可以转动的小叶轮,小叶轮的阴影也会转动起来。看来确实从玻璃管的阴极发出了一种看不见的射线,像是一种光线,也很像一种粒子流。当然,那时人们还在为光到底是波还是粒子争论不休,还没有弄清楚这种射线的庐山真面目之前,只好将它称为“阴极射线”。

对于阴极射线,科学界分为两大派系。德国学派认为这种射线是波动,其领军人物是做了电磁波火花实验的赫兹,他猜测这也许就是可观测的以太波。英国学派也许是出于对英国前辈牛顿的尊重,他们认为阴极射线是粒子流,领头人是最终发现了电子的汤姆生。

现在我们知道,阴极射线的本质是电子流,所以当1897年汤姆生让阴极射线通过一片磁场时,他注定要在这场论战中赢得胜利。汤姆生发现磁场会让阴极射线的落点发生偏转,改变磁场的大小可以对落点造成影响,这是典型的洛伦兹力现象,说明阴极射线是由带电的微小粒子构成。

让阴极射线通过磁场也许只是一次偶然的尝试,但汤姆生并不只是一个幸运儿,他还做了两个更进一步的工作,使他在科学史上的贡献变得不可忽视。

首先,汤姆生计算了这种粒子的荷质比,也就是电荷与质量的比值。然后,他在生成阴极射线的仪器,也就是两头接上电极的玻璃罐中,充入不同的气体,发现无论是哪种气体,其射出的阴极射线中粒子的荷质比都相同。也就是说,这是一种普遍存在于一切原子中的带电粒子。

由此,电子被发现,人们开始对原子内部结构继续拆分。

当电子被发现以后,人们把电荷看作电子的一种特性,而不再认为电荷是一种单独的物质。当质子也被发现以后,这种观点愈发稳固。在量子力学的量子化概念被提出以后,电荷正是第一批被量子化的物理概念。直到现在的量子场论中,电荷也被认为是粒子的一种物理特性。

还有一个与电荷有关的概念是反粒子。

依照量子场论的观点,场是粒子的集合,而粒子可被认为是场的一种激发态。狄拉克认为,既然存在电子带负电的激发态,也应当存在电子带正电的激发态。虽然从来没人观测到带正电的电子,但1928年狄拉克就已经根据量子力学的相关理论预言了正电子的存在。这是一种携带正电荷,其他物理属性都与电子相同的粒子。不久,在1932年的实验中,正电子被发现。

1918年,人们在实验中发现了携带一个单位正电荷的质子,携带负电荷的反质子则在1956年被发现。此后,绝大多数粒子都在实验室中找到了它们的反粒子,也即除了电荷相反,其他物理性质全都相同的粒子。

电中性的光子勉强算是一个例外,可以认为光子没有反粒子,也可以认为光子的反粒子还是光子本身。

人们对反物质这种现象非常好奇。我们已经可以在实验室中获取由反质子与反电子结合成的反氢原子,也就是反物质。因为狄拉克是使用量子力学的理论工具率先预测了反粒子与反物质这种现象,所以这类现象可以看作对标准模型的实验证明与重要支撑。

当然,也有人提出,为什么我们可见的宇宙是由正常的物质,而不是反物质组成?这个问题直指一个终极问题,即宇宙是如何诞生的?反物质的存在,让宇宙在人类眼中变得越发神秘。

到了现在,人类对电荷的操纵可以说到了极其精微的程度,对电磁波的应用我们同样如臂使指,电脑手机这类堪称革命性的科技造物应运而生。

只不过,为什么粒子会具有电荷?为什么电荷具有量子性?为什么电荷会在空间中形成电场?为什么运动的电荷会形成磁场?如同为什么粒子具有质量一样,人们对这些最本质的问题莫衷一是,不过这不影响对电磁现象的应用,而应用正是现代物理学惯常的研究思路。

免责声明:以上内容源自网络,版权归原作者所有,如有侵犯您的原创版权请告知,我们将尽快删除相关内容。

我要反馈