粒子物理1｜为什么摩擦会生电？人类至今都搞不懂

在上个世纪，人类的自然科学有了长足的发展，在前半叶占主导地位的是相对论和量子力学，这是两个基础理论，一个改变了人们对物质、能量、运动和时空关系的认识，一个改变人类对微观世界本质的认识。

到了后半叶，自然科学发展的势头并没有减弱，因为粒子物理学异军突起，让我们对这个世界的认识又提高了一个深度，粒子物理学说白了就是研究这个世界的组成成分，以及这些成分之间力的运作方式。

总结起来就是四个字：标准模型。它囊括了目前人类所知的所有基本粒子，以及它们之间相互作用的方式，可以说标准模型是人类目前最大的知识成就，也是人类400多年来物理知识的大成。

所以从这节课开始，我们就说亚原子粒子的发现，以及它们之间的相互作用，我们先说电子，因为它是第一个被人类识别出来的亚原子粒子。

我们现在知道，电子带负电，它所携带的电荷是1.6×10^-19库仑，那么库仑的定义是，1安培的电流在1秒种内，流过一根导线任一截面的电荷。

因此我们说的1安培就是每秒1库仑，根据电子所携带的电荷，我们就能知道1安培的电流其实就是每秒钟有6.25×10^18个电子流过。这个我们在后面说到电场力的时候会详细地说到。

那么在粒子物理学中，我们一般不太说电子具体的电荷是多少，而是会把电子所携带的电荷当作一个基本的电荷单位，就是1，我们会说一个物体携带了多少个电子电荷，这样使用起来非常方便。

我们现在还知道电子的质量是9.1094×10^-31千克，或者也可以说成是0.511Mev，之所以能这样说，是因为爱因斯坦的质能方程。

那么电子伏特是能量单位，它的定义是，一个电子在经过1伏特的电势差后所能获得的动能。1电子伏特等于1.602×10^-19焦耳，可以看出电子伏特是一个非常小的单位，是专门为表示粒子所携带的能量而创造的。

同时我们也可以看出来电子它的质量真的很小，是目前我们所知是除中微子以外，第二轻的基本粒子，是最轻的带电粒子。

但电子对我们来说是非常的重要，因为它质量很小，而且还非常稳定，且带有负电荷，因此电子是原子重要的组成部分，它在核外绕着带正电的原子核运行。

而其他所知的所有基本粒子没有一个可以胜任电子的工作，不是因为它们不稳定、就是因为它们不带电，例如缪子和中微子，这两个一个在2.19712×10^-6秒会发生衰变，另外一个为电中性，所以在原子中就不存在这些粒子。

因此我们在日常生活中看到的化学反应、生物学过程、电磁现象都跟电子有着直接的关系。这也是为什么电子是我们第一个发现的基本粒子。因为它做的事太多了，太重要了。

那么是谁发现了电子？英国物理学家J.J汤姆逊在卡文迪许实验室研究阴极射线的时候，测量了阴极射线粒子的荷质比，确定了原子中基本带电粒子，电子的存在。1897年，他把这些研究结果写成了三篇论文。

为了把这件事说得更详细一些，让大家都了解汤姆逊是怎样测量电子的荷质比的，我觉得在这之前还是要铺垫很多的基础知识。

这会涉及到电现象的发现、电场、电场力、磁场和磁场力，等等这些基础知识。好，那我们这节课的后半部分就说，人类是怎样发现电现象，以及对电现象研究的历史。

人类发现电现象其实非常的偶然，并不是我们想象地看到了雷电，就认为大自然有电现象，而是古时候的富人们一手拿着毛皮、一手拿着琥珀，在他们擦拭完琥珀以后，就发现被毛皮摩擦过的琥珀可以吸引细小的物体，比如一些毛发、碎屑之类的东西。

这个现在最早的记录出现在公元前4世纪柏拉图的对话集《蒂迈欧篇》当中，里面就描述了琥珀具有吸引力的现象。

到了16-17世纪，一位叫威廉·吉尔伯特的英国医生就发现，这种吸引力的现象其实非常的普遍，它也可以发生在像玻璃、石蜡、钻石、煤玉等等这些物质的身上，吉尔伯特也是第一个仿照琥珀的希腊字，创造了电的这个词（electricity）。

在这么多的物体上都发现了电吸引的现象，这就说明电这种奇怪的东西，并不是单个物体所特有的属性，而是当两个物体摩擦的时候产生的一种流质。

1729年，英国人斯蒂芬·格雷就发现把摩擦过的玻璃棒与其他物体接触以后，可以让这些物体具有吸引其他物体的能力，这说明电可以传递给别的东西。从而就验证了上面的说法，电是一种流质，不是某一个物体特有的属性。

随后人们就发现了电不仅有吸引力，还有排斥力，这一下让电的现象变得复杂了，发现这个现象的人叫弗朗西斯·豪克斯比，他说，用摩擦后的玻璃棒接触一些铜屑以后，这些铜屑之间竟然表现出了排斥力，和玻璃棒之间也有了排斥力。

到了1733年，这个现象就变得更加复杂了，因为法国科学家迪费就发现，和玻璃棒接触过的铜屑虽然互相排斥，但是它们却和与带电树脂接触过的铜屑，表现出了吸引力。

所以迪费得出结论，有两种完全不同的电，一种叫玻璃电，一种叫树脂电。玻璃电和玻璃电、树脂电和树脂电互相排斥，而玻璃电和树脂电互相吸引。

这样的结论就可以解释以上的现象了，当玻璃与丝绸摩擦以后，玻璃上会带玻璃电，丝绸上会带树脂电，当像琥珀这类树脂与毛皮摩擦以后，琥珀就会带树脂电，毛皮就会带玻璃电。

这种说法就是电的双流体理论，在很长一段时间内他符合我们的实验的观察，但是到了18世纪中期，人们就提出了一个全新的理论，叫单流体理论，相比于双流体它更加的简洁。

提出并发扬这个理论的人我们非常的熟悉，他是美国费城的著名学者：本杰明·富兰克林。他说，每一个物体本身都可以容纳一定的电，在没有摩擦的时候，这种电是满的，不缺也不多，所以物体不带电。

当摩擦以后，比如玻璃棒与丝绸摩擦，在这个过程中有一些电就会从丝绸上跑到玻璃上，这时玻璃上就会携带更多的电，叫盈余电，这种电跟费迪说的玻璃电是一样的。

但这时由于一部分电跑到了玻璃上，那么在丝绸上就会出现一些缺额，这些缺额就是迪费所说的树脂电。

同时富兰克林还发明了一些名词到今天仍在使用，比如说他把缺额，也就是树脂电叫负电，把盈余电，也就是玻璃电叫正电。

同时他也创造了电荷这个词语，用来描述物体上携带电的数量，提出了“电荷守恒”这个非常超前的基本假说，说的是，电荷不会被创造，只会从一个物体的身上上转移到另外一个物体的身上。

富兰克林的单流体理论也可以解释电现象的排斥和吸引，他假定有盈余电的物体相互排斥，但它们却可以吸引有电缺额的物体，而有电缺额的两个物体之间却会表现出互相排斥的现象。

那么到底是单流体理论还是双流体理论，这个问题直到电子发现以后才没有了争论，以我们现在掌握的知识来看，其实两种理论都是正确的。

你看，是这样的，我们可以认为电只有一种就是电子携带的负电荷，当玻璃棒与丝绸摩擦的时候，是玻璃棒上的电子跑到了丝绸的上面，玻璃棒有了缺额带了正电，丝绸有了盈余带了负电。

所以说单流体没有问题，但可以看出富兰克林当年把一件事给搞差了，他把缺额，也就是树脂电叫负电，把盈余，也就是玻璃电叫正电。

后来物理学家就沿用了一部分富兰克林的说法，把玻璃棒上的电荷就叫正电荷，把丝绸上的电荷就叫负电荷。

所以电子就带了负电，原子核就带了正电，正负完全是人为规定的。没有什么特殊的原因。那为什么说双流体理论也是正确的？

因为确实有正电荷的存在，确实有两种电荷，比如说在盐的溶液当中，我们就可以得到带负电的粒子流，和带正电的粒子流，这就是两种电荷的流体。

而且从更高的层面上说，带负电的电子还有一个反物质版本叫正电子，它跟电子的质量和自旋是一样的，但是电荷相反，所以双流体理论也是正确的。不过在一般情况下，单流体理论使用起来更加的方便。

可以看出人类对电的认识是从摩擦生电开始的，但是为什么摩擦会生电？为什么用丝绸摩擦玻璃棒，电子会从玻璃棒上跑到丝绸的上面？为什么毛皮上的电子会跑到琥珀的上面？

说起来也奇怪，看似简单常见的问题，其实我们并不知道其中的原因，而且摩擦生电也是人类第一个认识到的电现象。对此，我们没有一个详细完整的解释。

不过通过大量的研究，我们总结出了摩擦生电物质的顺序表，前面的物质倾向于失去电子，而后面的物质倾向于获得电子，也就是说，每种材料它们对电子的渴望程度不同，当两种材料相遇，一种容易失去电子，一种渴望获得电子，它们只要一接触就会传递电子。

其实并不是摩擦本身的原因，就算不摩擦也可以生电，比如说，一张塑料纸，你没有摩擦它，它都会粘在你的手上。

只不过摩擦是一个比较充分的、长时间的接触过程，所以才让我们产生了一个误区，认为是摩擦生电了，其实是接触就可以生电。

所以问题就变成了为什么不同材料的物体，它们对电子的渴望程度不同？这就涉及到了复杂物体表面的物理学问题了，这个分支学科的发展并不成熟。

而且有一点特别的重要，每一种材料对电子的渴望程度并不是固定的，随着温度的变化、空气湿度的变化都会影响它们对电子的态度，因此以上的这个摩擦生电顺序表中物质的相对顺序并不是固定了。所以加上影响因素比较多，摩擦生电的过程非常复杂，现在还没有一个详细合理的解释。

好了，今天的内容就到这里，下节课我们说人们对阴极射线的研究。