科学的科普（17）微观物理（3）漏电机密 

张武昌 2024年11月3日星期日

漏电机密

1785年法国物理学家库仑Charles Augustin de Coulomb向法国皇家科学院提交了多份关于电磁现象的研究报告，其中一份报告详细记录了他通过一个基于验电器原理制作的扭力天平实验得出了由于空气的作用，该装置的电量不能永久保持，总会以自发放电的形式泄露电荷的结论。

验电器electroscope是如何工作的呢？

将带电（静电）物体靠近验电器上方的导体片时，自身所带的电荷会传到玻璃钟罩内的箔片上。由于同种电荷相互排斥，金属箔片(gold leaf)自动分开形成一定角度，张角的大小与物体带电量的大小成正比。

当移开带电物体后，如果没有电的流失，箔片张角应该保持不变。但是箔片张角随着时间的流逝而慢慢变小，这说明验电器会自发放电泄露电荷spontaneous discharge，也就是说电荷被某个“小偷”悄无声息地偷走了。

空气被射线电离

1879年英国物理学家William Crookes证明在低气压下，自发漏电的情况有所减弱。看来漏电与空气的多少有关。

1895年秋，德国物理学家伦琴Rongten发现X射线的消息传到英国，1896年初，卡文迪什实验室主任J·J·汤姆孙就开始了空气受X射线照射后导电特性的研究，实验证明在X射线和贝克勒尔射线的作用下，验电器的漏电情况加剧。

这些现象指向一个可能性，射线和空气作用，电离了空气，提出气体电离ionization理论：既然液体中电子可以从一个原子转移到另一个原子形成离子，气体为什么不行。在1903年发表了巨著“空气导电Conduction of electricity through gases”。

该书被Nature期刊推荐。

1900年，菲利普·莱纳德发现紫外线会促使气体发生电离作用。从此我们辐射被分为电离辐射和非电离辐射。

赠品：辐射（放射）radiation，是从原子中向外沿以原子为中心的各个方向均匀发射能量（电磁波或粒子形式）的现象，radiation这一单词有时被译为辐射，有时被译为放射。

原子核的辐射（有质量的粒子）活动称为放射性radioactivity，而光子没有质量，光波是电磁波，发光称为光辐射或电磁辐射。

辐射分为光辐射即电磁波（没有质量）和粒子辐射（有质量）。居里夫人提出放射性一词之前，光就是光，之后又被称为光辐射。光辐射的产生有受激发光和温度发光（热辐射）。所有的物体温度都在绝对零度之上，所以都有温度发光，这些因为有温度而发的光称为热辐射。

根据对物质的电离特性，辐射分为电离辐射和非电离辐射。电磁波中的紫外线、X射线、γ射线和粒子辐射是电离辐射，其他为非电离辐射。电离辐射不仅电离空气，还电离液体，对固体也可造成穿刺损伤（后面会讲）。赠品毕。

1906年汤姆孙获得诺贝尔奖，获奖原因是“气体导电方面的理论和实验研究”。

Roentgen’s apparatus for studying the ionization of air by X rays, 1906.

改进验电器

此时看来是射线导致了空气的电离，那么把射线隔离就应该不再漏电。

Elster and Geitel (1900)发表文章提议库伦之前发现的验电器的漏电现象是因为在空气中有辐射一直在对空气进行电离。但是他们的装置不够灵敏，没有得出十分有力的测量。

这是首次提出我们的环境空气中一直存在辐射。

于是人们纷纷改进验电器。

Wilson (1900)去除空气中的灰尘，发现空气仍旧被电离。

1910年，法国的沃尔夫（Father Theodor Wulf）设计了更具便携性的静电计eletrometer，为了更加灵敏，原来的箔片改成了细细的金属丝，两个金属丝因带电排斥展开一定角度，漏电导致展开角度变小，变小的程度很小，需要用放大镜来检测，所以验电器就成了下面的样子。

空气中一直有辐射

Elster and Geitel (1900)的文章提议库伦之前发现的验电器的漏电现象是因为在空气中有辐射一直在对空气进行电离。但是他们的装置不够灵敏，没有得出十分有力的测量。

这是首次提出我们的环境空气中一直存在辐射。

1903年，英国的卢瑟福发现如果把所有放射源移走，在验电器中每立方厘米内，每秒钟还会有大约十对离子不断产生。看来环境中还有射线。

用铁和铅把验电器完全屏蔽起来，离子的产生几乎可减少十分之三。他们在论文中提出设想，也许有某种贯穿力极强，类似于γ射线的辐射从（铁壳和铅壳）外面射进验电器。

卢瑟福怀疑（确认）“小偷”的身份是我们周边环境中自然存在的辐射：辐射导致空气电离产生正负离子，这些正负离子碰到金属箔片，中和了金属箔片上的电荷，在我们看起来就像是“偷”走了验电器中的电荷一样，而且这个辐射很强。

空气中的辐射来自哪里？

当时，人们只知道辐射来自于放射性物质的衰变，放射性元素来自于地壳或者是它们产生的放射性气体“氡”。卢瑟福自然认为这些辐射是来自于地壳中的放射性物质，并且给出了检验方法：如果这些辐射来自于地壳中的放射性物质，那么辐射强度应该随高度增加而减少。

为了验证这个假说，科学家们煞费心思远离地面。1909年，莱特（Wright）为了搞清这个现象的缘由，在加拿大安大略（Ontario）湖的冰面上重复上述实验，发现游离数略有减小。

1910年，沃尔夫在巴黎300米高的埃菲尔塔顶上进行实验，比较塔顶和地面两种情况下残余电离的强度，得到的结果是塔顶约为地面的64％，比他预计的10％要高。他认为可能在大气上层有γ源，也可能是γ射线的吸收比预期的小。后来得知，这个实验的误差较多，铁塔上的金属也有放射性。

1910-1911年，格克耳（Alfred Gockel）在瑞士的苏黎世用气球把电离室带到4500米高处，记录下几个不同高度的放电速率，认为“辐射随高度的增加而降低的现象……比以前观测到的还要显著。”

1910年10月20日，Domenico Pacini在做测量

1911年，Pacini使用Wulf的静电计在不同的地方胡乱测量，发现在离Livorno海岸300米的船上空气电离减少30%，假设地壳中的辐射不能穿过海水，那么说明至少有一部分辐射不是来自大地。1911年4月2日，他发表了论文Penetrating radiation at sea。后来Pacini测量了Genova Gulf深海的辐射，开创了深海辐射研究。海面以下3米的辐射比海面低30%。说明电离辐射来自大气。

种种迹象表明，未知来源的辐射与当时人们比较熟悉的放射性相比具有更大的穿透本领，因此人们提出这种放射性可能来自地球之外——这就是宇宙射线最初的迹象。

奥地利裔美国物理学家维克多·赫斯（Victor Hess）乘坐热气球升至5千米高空。他发现空气电离率随着海拔升高而降低，这符合放射性来自地表的传统猜测；但到了700米左右，电离率反而开始增加，最后超过地表电离率数倍。1912年赫斯在《物理学杂志》发表题为“在7个自由气球飞行中的贯穿辐射”的论文，提出大气层外存在穿透性很强的辐射，将空气电离。 “这种迄今为止尚不为人知的东西主要在高空发现……它可能是来自太空的穿透辐射。”

罗伯特·密立根（Robert Millikan）认为赫斯猜测的辐射是伽马射线，引入了宇宙射线 (Cosmic Ray）这个名称，中文通常简称为宇宙线或宇宙射线。

后续研究证实宇宙线确实存在，赫斯也因发现宇宙线获得了1936年诺贝尔物理学奖。

大气电离层

1901年12月12日，无线电之父马可尼在加拿大收到了来自英国的电磁波，由于电磁波直线传播，英国和加拿大之间的地球弧度会阻挡两地的电磁波，所以马可尼猜测在天空中有能反射无线电信号的东西。1926年，爱德华·阿普尔顿证实大气中确实有反射无线电短波信号的层，并命名为电离层（阿普顿层）。地球高层大气中的分子和原子，在来自太阳和宇宙空间的紫外线、Χ射线和高能粒子的作用下电离，产生自由电子和离子，形成电离层，60千米以上的整个地球大气层都处于部分电离或完全电离的状态。

这一发现使他获得1947年的诺贝尔奖。

至此，验电器自发漏电的机密被破解：我们周围的空气充满了辐射，验电器的漏电是因为空气被辐射电离而从绝缘体变为导电体。

这些天然的辐射来自太空和地球内部，它们很多、很强，能穿透金属、电离空气。

宇宙射线与粒子物理的发展紧密相关。大型粒子加速器发明之前，宇宙线几乎是唯一的高能粒子源，在宇宙射线中发现了大量新粒子。怎么确定粒子的性质呢，下回分解。