轟動世界的萬國博覽會于1855年在法國巴黎開暮了。
在博覽會的一角有一件展品,大多數(shù)參觀者都沒有注意,卻引起好幾位科學家的莫大興趣。這是一個繞滿漆包線的大線圈,通上6伏直流電以后,線圈的振子象電鈴一樣地振動，同時從線圈上接出來的兩根鐵針的針尖之間,發(fā)出了紫紅色的小閃電。展品的說明書上寫著:“感應線圈:可以把低的直流電壓變成幾千伏的高電壓。巴黎電學器械廠技師魯姆柯夫1851年發(fā)明?！?/p>
以前要得到直流的高電壓需要把幾千個電池串聯(lián)起來,不僅花錢多,還要為這許多電池蓋一間很大的房子。這回可好了,用這個一只手就能拿得動的“小玩意”就能得到高電壓。那些想用高電壓作實驗的科學家們圍著這個“感應線圈”轉(zhuǎn)來轉(zhuǎn)去，他們都準備回去照樣裝一臺這樣的“感應線圈”變壓器。
就這樣,高壓感應線圈變壓器傳到了德國。
就在這一年里,德國的玻璃工入蓋斯勒利用托里拆利真空原理發(fā)明了一種水銀真空泵。他在一根玻璃管的兩端封上兩根白金絲,再用他的泵把管中的空氣抽掉,然后在兩根白金絲上通上感應線圈發(fā)出來的高壓電。管中殘余的氣體就發(fā)出了紫紅色的輝光。這就是低壓氣體放電管。
可不要小看這根放電管,它不僅是今天霓虹燈、日光燈、電子管、顯象管的老祖宗,而且通過對放電管中放電現(xiàn)象的研究,使人們得出意想不到的許多大發(fā)現(xiàn)。
由于它是蓋斯勒最早制成的,所以人們通常把它叫做蓋斯勒管。
德國波恩大學的物理學教授普呂克對蓋斯勒管非常感興趣。他和他的學生希托夫一起作了許多研究。他們發(fā)現(xiàn),在管中除了氣體在發(fā)光以外,正對著陰極(負極)的玻璃壁也在隱隱地發(fā)出黃綠色的熒光。用磁鐵在管外晃動,這熒光也在晃動,好象能被磁鐵吸引似的。為什么會這樣?當時他們沒有搞清楚。那時,德國的本生和基爾霍夫發(fā)明了光譜分析法。
普呂克和希托夫也開始研究光譜。他們制作了兩頭粗中間細的蓋斯勒管,在管中充進去一點點純的氣體,例如純的氧氣或純的氫氣,通電以后,不同的氣體就會發(fā)出不同顏色的光。用分光鏡檢查,每種氣體都發(fā)出自己特有的亮線。就這樣,氣體放電管成了用光譜分析氣體的輔助工具。
后來,英國科學家拉姆賽在空氣中發(fā)現(xiàn)了氦、氖、氬、氪、氙,都是用氣體放電管研究得的結(jié)果。不同的氣體發(fā)光的顏色不同,例如氖發(fā)紅光、氙發(fā)藍光、氦發(fā)黃光。后來人們制成了長長的放電管,彎成各種花樣,充進不同的氣體,通電后就顯示出五彩繽紛的光的圖案。這就是我們常見的霓虹燈。
普呂克在1868年去世了。他的學生希托夫繼續(xù)研究放電管。他始終想著那玻璃管壁上的熒光。
他作了一個圓球狀的放電管,在球當中裝了一片金屬障礙物,而兩個電極是垂直安裝的。通電后,陰極對面的玻璃壁上不僅發(fā)出熒光,還出現(xiàn)了障礙物的影子,好象從陰極放射出某種光線似的。
但這又不象是光線。
希托夫用透明的云母作成障礙物裝在放電管里,結(jié)果也出現(xiàn)了清楚的影子。他又用磁鐵靠近放電管去試驗,影子移動了位置，說明這種由陰極發(fā)出來的射線受磁鐵的影響彎曲了。這些現(xiàn)象顯然跟光線不一樣,因為光線能透過云母片,并且不被磁場所彎曲。
后來,有一位科學家古德斯坦也作了類似的實驗,他發(fā)現(xiàn)電場也會使射線偏轉(zhuǎn)。他把這種由陰極發(fā)射出來的奇妙射線叫做“陰極射線”。
陰極射線是什么?英國科學家克魯克斯作了非常細致的研究。
克魯克斯是英國倫教大學的化學教授,一位善于作實驗的科學家。世界上只要有什么重要的新發(fā)現(xiàn)被他知道了,他就立刻在自己的實驗室里也裝起儀器來試一試,繼續(xù)研究,并且大都有新的創(chuàng)造和發(fā)現(xiàn)。
德國的本生和基爾霍夫發(fā)明了光譜分析后,克魯克斯在實驗室里也立刻裝起了分光鏡,很快地他就成為英國首屈一指的光譜分析專家。
1861年,他用光譜分析法發(fā)現(xiàn)了一個新元素鉈。
1865年,本生的學生斯普倫發(fā)明了一種能抽高真空的水銀泵?？唆斂怂沽⒖淘谒膶嶒炇抑幸惭b了一套。他把泵接在氣體放電管上,一個新的實驗開始了。他把氣體放電管通上高壓電,開始抽真空。氣體越抽越少,管中氣體開始發(fā)光了。
繼續(xù)抽下去,一個新奇的現(xiàn)象出現(xiàn)了:陰極附近出現(xiàn)了一段不發(fā)光的黑暗區(qū)域,原來連續(xù)的光柱斷開了,仍舊發(fā)光的一段光柱也象魚鱗一樣閃爍不定。再抽下去,黑暗的區(qū)域越來越長,好象由陰極伸出來一股暗流,把發(fā)光區(qū)域越壓越短,最后,暗區(qū)壓到陽極上,整個光柱就全部消失了。
這時候,放電管已經(jīng)抽成高真空,沒有明亮的氣體發(fā)光,但是整個管子似乎處在種閃爍狀態(tài)。在陰極對面的玻璃壁上,熒光非常清楚。
也就是說,管中由陰極發(fā)射出強烈的陰極射線。
克魯克斯制成了高真空放電管—一陰極射線管,
后來人們把這種放電管叫做克魯克斯管?？唆斂怂乖敿毜匮芯苛岁帢O射線的許多奇妙性質(zhì)。
1879年8月22日在倫敦,英國科協(xié)舉行科學報告會。
許多科學家在開會前幾小時就趕到了會場,希望能占上一個前排的好位置。因為那天是有名的克魯克斯教授作報告,并且還要當眾表演各種各樣的放電管,來晚了坐在后面怎么能看得清楚呢!
克魯克斯也忙得夠嗆!他和他的助手一起,幾乎把他的實驗室的東西都搬來了。講臺上放了好幾張桌子,桌子上擺滿了各式各樣的放電管,還有高壓感應線圈、蓄電池等等。
在熱烈的掌聲中,克魯克斯開始作報告。他詳細地介紹了他一年來研究陰極射線的成果。
克魯克斯指出:在蓋斯勒管中是低壓氣體在發(fā)光,不論管子是什么形狀,在高壓電的作用下,充滿整個管子的低壓氣體都會發(fā)出明亮的輝光。
但是在高真空放電管中只有陰極射線,陰極射線是走直線的,并且是肉眼所看不見的,我們能看見的只是由陰極射線打在玻璃管壁上而引起的熒光。
他的助手搬來一個V型放電管,上面兩端接有電極。克魯克斯將電源接到放電管上以后,報告廳窗上的帷幕拉上了,大廳里的燈也熄滅了。
在黑暗中,大家看到V形管右半部管壁發(fā)出一股微弱的熒光,管底則發(fā)出一片明亮的熒光,而管子左半部卻完全是黑暗的?？唆斂怂拐f右邊管子頭上接的是陰極,左邊接的是陽極。
接著,他把電極交換了位置,結(jié)果V形管左半部有熒光,而右半部變成黑暗的了。
克魯克斯說:很清楚,陰極射線是由陰極發(fā)出來的,它不能拐彎。接著助手又搬上兩個大的梨形放電管。通電后,在陰極對面的玻璃壁上發(fā)出一片綠色的熒光。
克魯克斯把一個放電管立了起來又放下,這時在管中豎立起一片十字形的金屬片,這金屬片擋住了陰極射線,玻璃壁上出現(xiàn)了十字形的黑影,非常清楚。
克魯克斯說:雖然陰極射線象光線一樣可以生成影子,但是它不是光線。他把另一個放電管中的擋片立起來,同樣出現(xiàn)了黑影。
他說:這個擋片是透明的云母作的,光線能透過,也就是說不會有黑影，但陰極射線卻透不過，產(chǎn)生了黑影。
那么陰極射線是什么呢?
助手把一個長長的放電管搬上臺來了。這管子作的十分巧妙,中間平行地安放著兩根玻璃棒,就象火車的軌道一樣，通上電以后,小風車開始轉(zhuǎn)動,離開陰極向陽極跑去。
把電極互換以后,原來的陰極變成陽極,原來的陽極變成陰極,小風車又往回轉(zhuǎn)動。
克魯克斯告訴大家,由陰極發(fā)出來的射線實際上是微小的粒子流,它們打在小風車一側(cè)的翼上就會使風車轉(zhuǎn)動。
克魯克斯表演了各種各樣的放電管,有的里面放著鉑銥片,在陰極射線集中射擊下發(fā)熱發(fā)光。
有的里面放了一塊鉆石,有的放著各種礦石,這些物質(zhì)在陰極射線的射擊下發(fā)出五顏六色的光芒。他說,分析這些光的光譜,可以鑒定物質(zhì)的化學組成。
最使人驚嘆不已的是這樣一個放電管:陰極做成了凹面鏡形,所以發(fā)出的陰極射線聚焦在一個小點上，在管中裝了一個可以轉(zhuǎn)動的風車,在風車和陰極之間立著一塊擋板。通電以后,陰極射線射在擋板上,風車靜止不動。
這時候,克魯克斯把一塊磁鐵掛在放電管上面,在磁場的作用下,陰極射線往上偏轉(zhuǎn)了,通過擋板的上方射在風車的翼上,
于是風車就飛快地轉(zhuǎn)動起來。克魯克斯又把磁鐵轉(zhuǎn)了180°,磁場方向也跟著變了180°,陰極射線反過來向下偏轉(zhuǎn)了,通過擋板的下方射在風車翼上,于是風車就反一個方向轉(zhuǎn)動起來。
克魯克斯反復地轉(zhuǎn)動磁鐵,風車就一會兒正著轉(zhuǎn),一會兒反著轉(zhuǎn)。風車上畫了清晰的螺旋線,所以由螺旋線是展開還是收縮可以看清風車旋轉(zhuǎn)的方向。
“啊!真是妙極了!”人們驚呼。
克魯克斯告訴大家,光線是不能被磁場彎曲的,
而陰極射線能被磁場彎曲,這說明陰極射線不僅是
種粒子流,而且是帶電的粒子流。
各種放電管都表演過了,窗上的帷幕打開了。最后,克魯克斯對這些實驗作了總結(jié),他指出:陰極射線是一種物質(zhì)的流,是帶電的物質(zhì)的流,它以很高的速度離開陰極,這是由于同性相斥,它帶的顯然是陰電。
這是一種什么樣的物質(zhì)呢?我們通常見到的三種形態(tài)的物質(zhì),是固態(tài)的,是液態(tài)的,是氣態(tài)的,而這陰極射線是超氣態(tài)物質(zhì),是第四態(tài)物質(zhì)。在極其熱列的掌聲中,克魯克斯結(jié)束了他的科學報告。
大家擁上臺去,更仔細地察看那些巧妙的放電管。這一系列精采的科學實驗使大家贊嘆不已!陰極射線是一種帶負電的粒子流,是一種前所未知的新物質(zhì)。許多科學家回去之后都裝起了克魯克斯管,想揭開陰極射線之謎。
英國劍橋大學有個卡文迪許實驗室,是為了紀念1810年去世的著名科學家卡文迪許而建立的,創(chuàng)建于1874年。第一任實驗室主任就是偉大的物理學家麥克斯韋,他創(chuàng)建了電磁場理論,并指出光是電磁波。第二任主任是瑞利,他和拉姆賽一起發(fā)現(xiàn)了空氣中的惰性氣體。1884年,湯姆遜作了第三任實驗室主任,他開始研究陰極射線。
卡文迪許實驗室有各種精密的物理學儀器,有研究電磁學的光榮傳統(tǒng)。湯姆遜在研究了普呂克、希托夫、古德斯坦以及克魯克斯的工作以后,他想:既然陰極射線是帶電的粒子,又能夠被磁場和電場偏轉(zhuǎn),那么就可以利用這個特點來測定陰極射線的速度、質(zhì)量和電荷。
湯姆遜設計了一個陰極射線管,在管子一端裝上陰極和陽極,在陽極上開了一條細縫,這樣一來,通電后陰極射出的陰極射線就穿過陽極的細縫成為細細的一束,直射到玻璃管的另一端。這端的管壁上涂有熒光物質(zhì),或者裝上照相底片。
在射線管的中部裝有兩個電極板,通上電壓以后就產(chǎn)生電場。電場越強,陰極射線通過電場后偏轉(zhuǎn)就越大。電場強度和偏轉(zhuǎn)程度都可以測量出來。這時候在射線管外面又加上一個磁場,這個磁場能使陰極射線向相反的方向偏轉(zhuǎn)。調(diào)節(jié)電場和磁場的強度可以使它們對陰極射線的作用正好相互抵消,結(jié)果陰極射線不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
湯姆遜測量了在這種情況下的電場和磁場的強度,利用物理學定律計算出了陰極射線的速度。這速度非?？?大約是每秒三萬公里(相當于光速的1/10)。
接著他又測量組成陰極射線的帶電粒子的電荷和質(zhì)量的比值,發(fā)現(xiàn)這種帶電粒子的質(zhì)量非常小,大約是氫原子的質(zhì)量的1/2000。
湯姆遜作了許多實驗。他用金、銀、銅、鎳等各種金屬作陰極,他測量了不同陰極上射出的帶電粒子,發(fā)現(xiàn)它們的電荷和質(zhì)量的比值都是一樣的。他又把不同的氣體——一氫氣、氧氣、氮氣……充到管內(nèi),陰極上射出的帶電粒子的電荷和質(zhì)量的比值還是一樣的。
這就說明了一個非常重要的問題:不管陰極射線是由那里產(chǎn)生的—一是由電極產(chǎn)生的還是由管內(nèi)氣體產(chǎn)生的,結(jié)果都一樣。也就是說,在各種物質(zhì)中都有一種質(zhì)量約為氫原子質(zhì)量的1/2000的帶陰電的粒子。
這實驗是1897年10月完成的
1897年4月30日,湯姆遜在英國皇家學會講演的時候曾經(jīng)指出:“陰極射線不是帶電的原子,陰極射線的粒子應該比原子小得多?！卑肽曛?他證實了自己的論斷。
關(guān)于電,從十八世紀以來,許多科學家都在研究。
他們認為電也有一種最小的粒子,并且起名叫做電子。如今,湯姆遜真的發(fā)現(xiàn)了這個電的小微?！娮?。陰極射線實際是高速的電子流。后來人們又發(fā)現(xiàn),白熱的電燈絲也會發(fā)射電子,光照在某些物質(zhì)上也會發(fā)出電子,電子在各種物質(zhì)中都有,它是原子的組成部分。人們更精密地測定了電子的質(zhì)量,它是氫原子質(zhì)量的1/1837。
現(xiàn)在大家都公認,是湯姆遜在1897年正式發(fā)現(xiàn)了電子。這是十九世紀末最偉大的發(fā)現(xiàn)之一。二十世紀是電子時代,是原子時于代。電子的發(fā)現(xiàn)為人類打開了這個新時代的大門。
要知道,湯姆遜的實驗裝置實際上就是電視顯像管的前身。盡管電視顯像管十分復雜,基本原理卻是一樣的。在今天,你可以在放映電視的時候作一下湯姆遜的實驗,只要拿一塊磁鐵放在顯像管旁邊,就會看到電視的映像變了形狀。這是因為磁場對顯像管中的電子流發(fā)生作用。
