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3.弗莱明的“阀门”——真空管时代

已有 2041 次阅读 2021-8-14 18:29 |系统分类:科普集锦




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1879年的12月底,美国发明家爱迪生向纽约市的新闻记者和市政官员发出邀请函,请他们在新年前夜前往门罗公园观看他演示的一种新发明。当衣冠楚楚的嘉宾们乘坐专列火车抵达后,夜幕已经垂下爱迪生出现了,轻按开关,人们周围的290盏白炽灯同时点亮了,昏暗的公园转瞬间变得灯火通明,灯光映照在雪地上格外显眼。人们第一次见到如同白昼般的夜晚,纷纷为这种新发明而欢呼。

 

但是爱迪生还有个小烦恼,灯泡使用过一段时间表面就变黑了,导致灯光暗淡。这是什么缘故呢?原来灯泡中的灯丝不是别的,而是一种特殊的碳纤维。当年爱迪生为了找到最合适的灯丝,曾经试验了几千种材料,最后他在亚洲找到了一种竹子,碳化后制成碳纤维作为灯丝,光线明亮且持久。为了防止碳纤维氧化燃烧,需要把玻璃泡抽成真空。通上电流后,灯丝上的电阻消耗电能转换为热量。温度升高到数千度时,炽热的灯丝就能发出期待的光芒。但是,在如此高温下碳丝会蒸发出一些碳微粒附着在灯泡表面,导致灯泡变黑

 

爱迪生和他的助手艾普顿(Upton)在1882年想到一个方法,将一枚铜片放置在灯丝和玻璃泡之间,以阻挡碳颗粒飞向灯泡。遗憾的是,这个方法没有奏效。接下来他们在铜片上施加一定电压,期望能改变碳粉的分布,依然没有起作用。当他们尝试改变铜片上的电压时,匪夷所思的事情发生了,灯丝和铜片之间有时会流过电流。可是,灯丝和铜片并没有任何接触,二者中间是虚无的真空! 

 

这真是一桩奇事,在灯丝和铜片之间没有任何能导电的介质,却能引起电流。进一步实验发现,只有一种情况下才会出现这种诡异的电流,那就是当铜线的电压比灯丝电压高的时候。爱迪生邀请科学家们来到他的实验室参观这一奇特的现象。爱迪生站在他们旁边,微笑地看着他们一次又一次地观察到同样的现象,却费解地摇摇头。人们把这种现象叫做“爱迪生效应”。在写给友人的信中,爱迪生将它称作一种“美学”现象,而专注实际应用的爱迪生是不会在这上面浪费一点时间的。他习惯性地申请了一个专利,然后就忘之脑后了

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爱迪生的灯泡:发卡状的为灯丝,长条形的是增加的铜片(左图);Wikipedia
给铜片上施加正电压(右上图),有电流从灯丝流向铜片;反之没有电流(右下图)



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但是,科学家们并没有停止思考。他们注意到有一种玻璃管跟爱迪生的灯泡很相似,它同样抽成真空,而且引入了两根导线。只不过,灯泡的两根电线是在一个端口引入灯泡的,而这种细长的玻璃管在两端的金属电极分别引入电线。奇妙的是,如果在电极上接上电池,在电池正极连接的金属阳极一侧的玻璃端口就会发出幽幽的绿色荧光。一些富贵人士把这种发出绿光的玻璃管摆放在家中用来装饰

 

科学家们搞不清楚是什么造成了这种绿光,是金属电极发出的辐射吗?如果是,这种辐射又是什么?为了搞清楚这一点,英国物理学家克鲁克斯(William Crookes)在1878年想出了一个妙招:他在玻璃光中间放置了一片云母做的十字架,结果在这片云母后面的玻璃端出现了十字架的阴影。只有一种原因能解释它,那就是这是一种笔直飞行的微小粒子。

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左图:阴极射线管中的十字架挡住了辐射的电子,在另一侧形成一个十字架阴影;
右图:汤姆逊的阴极射线管实验:电子在电场中的路径发生偏折 (Wikipedia)

 

但是大多数德国物理学家不这么认为,他们认为这种辐射是一种波,因为他们做实验发现这种辐射能从很薄的铝膜中直接穿过而不会留下一个洞。一时间,到底是粒子还是波?谁也无法说服对方。1895年德国物理学家伦琴用通电加热的金属丝作为克鲁克斯管的阴极做实验,偶然发现即使拉上窗帘,抽屉里的感光照相纸被曝光了,这种射线甚至能穿透皮肤和肌肉显现出骨骼的形状。这种神秘的射线被称为X射线。因为在医学上以及其他科学上的巨大应用前景,伦琴被授予1901年首届诺贝尔物理学奖。同样地,人们争论X射线到底是波还是粒子。

 

受到伦琴实验的激励,英国剑桥大学的汤姆逊也做了克鲁克斯管实验。他的导师是大名鼎鼎的电磁波方程的创始人麦克斯韦。此前德国科学家赫兹已做过实验,将这种辐射放置在电场中,但是辐射没有出现偏折,所以他认为这不是一种带电粒子。众所周知,赫兹的实验技巧相当了得,正是他设计了一个精巧的实验,验证了麦克斯韦预计的电磁波的存在。现在赫兹的实验表明这不是一种带电粒子。汤姆森坐在麦克斯韦留下的椅子上沉思:是否接受赫兹的实验结果?如果不是带电粒子,它又会是什么? 

 

汤姆逊决定重做赫兹的实验。跟赫兹一样,他在玻璃管两端施加电压同时在玻璃管中央添加了一个垂直方向的电场或者磁场,理论上这可以令带电粒子偏移原来的移动路径。结果阴极辐射依然直射玻璃管中央没有偏转。汤姆逊继续试验,有一次在电场开启的一瞬间,他盯着玻璃管非常仔细地观察,结果发现一个不起眼的现象,辐射其实稍微偏离了一下然后瞬间回到玻璃管中央。如果汤姆逊忽略了这个一眨眼就消逝的细节,那么人类首次发现电子的荣誉就要跟他失之交臂了。汤姆逊猜想,也许真空玻璃中还残留着一点空气影响了粒子?他采用了当时最先进的真空技术,抽出了玻璃管中的空气。这一次电场一启动,辐射立刻发生了稳定的偏转!汤姆逊证明了这是一种带电的粒子!原来这个实验对真空要求极高,哪怕只有那么一丁点残留的空气分子,就会跟带电粒子发生碰撞,并使之导电,从而屏蔽了外部电场的作用,导致粒子不偏转。根据粒子偏转的方向,汤姆逊证明这是一种带负电的粒子。

 

如果在玻璃管中间施加足够强的垂直磁场,闪耀的一幕出现了:笔直的射线变成了壮观的发光的螺旋线,汤姆逊和同事们目不转睛地欣赏着他们的杰作,还写了一首歌附和这些舞蹈的电离子。

“灰尘积满的实验室 / 线圈和线缆中 / 原子却在欢跃 / 分离又重逢

副歌:噢,我亲爱的!噢,我亲爱的电离子!你消失无影踪,转眼又重逢!

在古怪的磁回路中 / 你们可爱地缠绕 / 每个都螺旋般 / 环绕着磁力线

副歌:在安静的玻璃管中 / 你们旋转着放电 / 光辉闪耀 / 却身不由己

 

那么这种粒子多重?汤姆逊做了一个实验,只施加电压,让电子像射出的子弹一样飞行,通过计算它下落的距离从而算出粒子的质量与电荷的比值即荷质比(e/m)。结果只有氢原子荷质比1700分之一(目前的准确数值是1/1836后来的实验推算出它的质量是氢原子的1700分之一。当时科学家认为世界是由不可再分的原子组成的,其中最小的原子是氢原子,而这种新粒子连氢原子的千分之一都不到。汤姆逊再一次陷入了进退两难的矛盾之中,要么是实验错了,要么是原子不可再分的假说有问题之后汤姆逊用不同的电极材料做实验都得到同样的荷质比,说明这种粒子是普遍存在的。他坐在麦克斯韦留下的椅子上陷入了沉思,他需要一些时间把所有这些来龙去脉都想清楚。

 

除非——汤姆逊一生当中最关键的一个思想飞跃诞生了——这是一种全新的、从未发现的比最小的原子还要小的粒子它是组成所有原子的“砖块”18974月份的一个周五晚上,汤姆逊在皇家科学院做了一次讲座。他讲到,原子是可以分割成更小的粒子的!这种新发现的粒子就是原子的一部分。今天,这个想法已经成为常识,然而在一百多年前却无异于一场革命宣言,从古希腊的德谟克利特到近代的牛顿,人们一直认为世界是由一种不能再分割的原子组成的。如今,人类历史上第一次把不可能再分的原子劈开了!汤姆逊将这种新粒子命名“微粒(corpuscle”,但其他科学家们更偏爱“电子(electron”这个词不管汤姆逊的命名而流行开来

 

汤姆逊这一劈,劈出了一片新天地。它不仅使得哲学家为之沉思,而且为整个20世纪的真空管、晶体管、电视、手机、计算机等等无数发明打开了大门。今天,汤姆逊发现电子的实验室依然矗立在剑桥大学的校园内,在实验室老旧的外墙上钉一块铭牌:“此处,汤姆逊于1897年在卡文迪许实验室发现了电子,它是物理学的首个基本粒子,也是化学键、电子学和计算机科学的基石”。

 

接下来,我们就看一下汤姆逊的发现怎么影响了真空管的发明。这一次,那个被爱迪生遗弃的、无人能解释的“爱迪生效应”重出江湖,开始发挥效应了。

 

现在我们回到爱迪生在灯泡中发现的铜片和灯丝之间奇异电流。那时是19世纪80年代,爱迪生在英国的分公司聘请了一位大学教授弗莱明(John Ambrose Fleming作为技术顾问。弗莱明也用这种特制灯泡做了这个有趣但没什么用的实验,不过他稍微改变了一下外加电压的极性。爱迪生施加在灯丝上的是直流电压,也就是说它不改变方向,永远是正方向。而弗莱明给灯丝里施加的是可改变正负方向的交流电。他发现,即使如此,在灯丝和铜片之间也只有一个方向上有电流,从不改变方向。

 

将近二十多过去了,时间来到了1900年,弗莱明又找到一个新的顾问职位,这次马可尼高新聘请他设计跨大西洋无线电通信的信号发射站。弗拉明设计的发射站天线高达60米,配备了专门的25千瓦的发电机,每发射一个莫尔斯码信号,电火花放电发出巨大的响声。这个强大的信号穿越了2800多千米,被大西洋对岸加拿大的接收器感知到,人类首次跨大西洋无线通信成功了。


 3 

 

接下来,弗莱明继续优化改进无线电通信。到了1904年,弗拉明思考如何更好地把有用的信息从无线电高频信号中分离出来。我们知道,无线电波是一种非常快速的上下舞动的波。如果拿起一条长丝巾上下挥动,就能观察到这种来回舞动的波。这种波有正有负,要接收无线电波需要将它的负半部分去掉,只保留正半部分,这叫做整流,它需要一种单向导电的器件,就像单行道上只允许车辆在一个方向通行。

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 整流示意图:有正有负的信号通过单向导电的整流电路后只有正向信号保留下来(Wikipedia)

 

弗莱明琢磨着什么样的器件才能实现这种单向导电的效应呢?当时有一种方铅矿石能够实现整流,但是它需要用一根金属丝触碰在矿石表面,运气好的话就能在某个点上得到整流效果,这是德国物理学家布劳恩(Karl Ferdinand Braun)于1874年发现的。它有个别名叫“猫须”整流器,这是第一个半导体蒸馏器件。虽然它很灵敏,但显然这种简陋的装置不太能可靠地工作。此外,还有一种半导体硅做成的整流器,可以稳定地工作,但是灵敏度不够高。偶然间弗莱明突然想到了多年前的“爱迪生效应”,这种特殊的灯泡来让有正有负的电流变成只在一个方向上单向流动的电流,弗莱明灵机一动,或许这个原理也适用于无线电通信?他立刻从柜子里翻出当年的灯泡,给它通过有正有负的电流,而在铜片上他只检测到了正方向的电流。

 

立刻,弗莱明仿照这种灯泡设计了一种更小的真空器件,它有一根灯丝作为阴极,还有一片铜作为阳极。加热的灯丝中会逃逸出一些电子,就像开水上的水蒸气从水面逃逸出去,被铜片的正极所吸引,只在这个方向上有电流。但是反过来,铜片上的电子没那么炽热,所以不会朝灯丝飞去。所以有正电压时,这个器件导通,施加负电压时就关断

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左图:真空二极管示意图(阳极anode,阴极cathode);
右图:真空三极管示意图(阳极anode,阴极cathode,栅极grid)(Wikipedia)

 

这个器件就像一个可以开合的阀门,每秒可以达到上百万次,所以它有了一个名字:弗莱明阀。但是较为正式的名称是二极管,因为这个器件有阴极(灯丝)和阳极(铜片)两个电极。真空二极管极大改善了跨越大西洋两岸的无线电通信,而解决问题的灵感竟然来自于一只灯泡!




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