基本粒子2｜神奇的真空玻璃管，如何让人类发现电子和放射性？

上节课我们说了人类对电现象的研究史是从摩擦发电开始的。通过对摩擦发电的研究，我们对电现象有了一些定性的认识。比如我们规定玻璃电为正，树脂电为负。这种规定直接导致今天的电子带负电，而原子核带正电。甚至提出了非常先进的电荷守恒概念。

但是因为摩擦电的性质非常复杂，直到今天我们还不太明白为什么有些材料比其他材料更需要电子。

所以在18世纪，当时的人们想要对电进行定量研究，想要了解更多关于电的细节，所以研究摩擦电肯定是不够的。我们需要找到一种简单直观的电现象来继续我们的研究。

有人会想，自然界的闪电现象是怎么回事？1752年，富兰克林也证明了天上的闪电和地上的静电放电一样，都是电流。

但是天上的闪电离我们太远了，而且它们出现的时间和地点都没有规律，不容易控制，不方便研究，所以还是要找一些简单易控制的电现象来研究。

1709年，发现电斥力现象的英国人豪克斯比发现抽走玻璃管内的空气，但当时的真空泵有限，只能抽出管内的气压到1个标准大气压。/60，再接上玻璃管两端的电极，再接上摩擦电源。

注意，电极这个词是法拉第后来发明的。后面文章讲电场和电场力的时候，又要讲法拉第了。

然后豪克斯比在上面的装置中看到了奇妙的闪光，之后很长一段时间，包括沃森在内的很多科学家都发现了这个现象。

不过，当时的人都不知道这个闪光是怎么来的？我只知道这种现象很神奇，引起了大家的极大兴趣。

其实这个现象直到1913年玻尔发表了他的“三部曲”论文才得到解释。我们现在知道这是玻璃管中阴极和阳极之间的放电，其中电流中的电子撞击原子玻璃管中的稀薄气体，并从这些原子中击出基态电子。上层的电子往下跳时会发出电磁辐射，于是就形成了闪光。这种现象其实就是今天荧光灯和霓虹灯的基本原理。

不过，在那个时候，电子可以使惰性气体发光，意义不大。人们即使知道这个原理，也无法制造出绚丽的霓虹灯。事实上，这种现象对人类来说是最重要的。它是阴极和阳极之间的放电现象。你为什么这么说？

因为这意味着我们可以直接研究真空管中的电流。先前的电流在导体内部。你看不到它，所以没有办法研究它。现在我们可以把电流放在一个透明的瓶子里，我们可以在实验室里对其性质进行可控分析。这就是关键。

那么，如果我们要得到纯电流，就要排除电流使气体点亮的二次现象，那怎么办呢？一定是要排尽管内的气体，没有气体就不会发生副反应。

然而，创造真空对人类来说是一个相当大的挑战。相信大家听过“大自然讨厌真空”这句话，所以直到1858年我们才发明了真正意义上的真空泵，它可以使玻璃管内的气压低至标准大气压的千分之几，这个级别。

《这是比较现代的阴极射线管》

气压一低，立马有新发现。这一年，德国波恩大学的普吕克发现低压真空放电管内的气体发光消失，但在阳极末端的玻璃壁上确实看到了绿光。

那些绿光是从哪里来的？它与阴极或阳极有关吗？1878年，英国物理学家克鲁克斯改进了真空放电管，就是下图这个样子。

它在阳极末端的玻璃管前放了一层金属箔，并在末端玻璃管的内壁涂上荧光粉。可以看到金属箔的影子投在了末端玻璃管上，这充分证明有一种看不见的东西从阴极发出，然后打在末端玻璃管上，出现了绿色的光晕。也可以看出，这种东西的穿透能力有限。所以才被金属箔挡住了。

因为是从阴极发射出来的，所以以后人们就叫它阴极射线，这种管子就叫阴极射线管。那么下一个问题是，阴极射线到底是什么？

Plucks曾说过，阴极射线是从阴极材料中飞溅出来的小颗粒，因为它看到末端的玻璃管上有一层薄薄的阴极材料Crooks曾说过，阴极射线是带电的气体离子，Varley曾说过，阴极射线是带负电的粒子，因为它用磁场使阴极射线偏转。

后两位是英国人。他们虽然意见不一，但有一个共同点，都是带电的物理粒子。在德国，出现了不同的理论，代表人物是著名的赫兹，他于1888年证实了电磁波的存在。

他给阴极射线施加电场的时候，发现阴极射线好像没有发生偏转，于是断定这个东西不带电，是类似于电磁波的东西。1891年，赫兹进一步证明阴极射线具有一定的穿透能力，可以穿过很薄的金箔，进一步证实了阴极射线是电磁波的理论。

所以德国人认为是电磁波，英国人认为是带负电的粒子，那到底是什么呢？关键是为什么这个东西可以被磁场偏转，而电场不能偏转？

可以明确的说，其中一个实验肯定有问题。现在我们知道，赫兹的实验不够严谨。他之所以不能用电场偏转阴极射线，是因为他的真空管里的气体没有抽干净。结果电场力变弱了，阴极射线的速度很快，所以他没有看到阴极射线的偏转。

没有被抽出的气体主要影响是带电金属板上的电荷量。前面我们说过，阴极射线可以使气体电离，电离后的气体会被带电的金属板吸引，导致金属板之间出现缝隙。电场强度变得如此之低以至于不能有效地偏转阴极射线。

汤姆森是第一个用电场使阴极射线偏转的人。他用当时更好的真空泵使阴极射线偏转，进而证明阴极射线是从阴极发出的带负电的粒子。粒子流。

那么现在的问题就变成了这个带负电粒子的性质，然后汤姆逊的研究方法也很简单，就是在真空管中，对阴极射线施加电场和磁场，看阴极射线被偏转，然后计算阴极射线粒子的荷质比。

接下来我们就来说说阴极射线在力的作用下，它的质量、速度、飞行距离、偏转距离之间的关系。

上图是汤姆森当时使用的阴极射线管。可见C接负极，AB接正极。C和A之间存在较大的电位差，所以电子在C处受到排斥力飞出负极，直奔正极，在正极中心留下一个小孔，所以a阴极射线在AB处形成。

阴极射线从B出来后会通过DE，DE可以施加电场或磁场。

加速度的大小等于力除以粒子的质量，然后我们用这个加速度乘以粒子在偏转区的飞行时间，就可以计算出粒子飞行后向上或向下的速度出偏转区。这次呢？其实就是在粒子层面上用飞行速度来划分偏转区的距离。

这个可以理解，就是牛顿第二定律的内容，当粒子走出偏转区，直到撞到尽头的玻璃管，它飞行的距离就叫做漂移区。

因为粒子不仅有水平方向的速度，还有上方或下方的速度，所以打在端头玻璃管上肯定会偏离中心。

这个offset的金额是怎么计算的呢？也很简单，就是用粒子向上或向下的速度乘以它在漂移区飞行的时间。这个速度我们刚才已经计算过了，剩下的时间其实是用漂移区的距离除以粒子的水平飞行时间。速度。

"当年汤姆森用的那个管子"

然后我们算出粒子在末端偏移的距离，然后我们把上面的公式这样组合在一起，"射线在末端的位移"="effect作用在下层粒子上的力"×"偏转区长度"×"漂移区长度"/粒子质量×粒子水平速度^2。

公式是这样的，很简单，在这个公式中，可以测出末端粒子的偏转距离，已知，偏转区和漂移区的长度已知，在设计压印的时候射线管可以测量，未知量是粒子的质量和速度。

还有一个作用在粒子上的力。我们知道，在电场力中，这个力的大小与粒子所带的电荷成正比，所以如果给阴极射线管加上电场，其末端的位移就会与粒子所带的电荷相同。涉及几个未知参数：电荷除以质量乘以速度的平方。

三个未知数，一个方程，这个肯定不行，所以至少要多一个方程，所以我们给阴极射线加上一个磁场，那么磁场力的大小就和电荷和速度成正比了的带电粒子，因此在对阴极射线施加磁场后，我们得到位移与电荷、质量与速度之间的另一种关系。

现在我们有两组不同的参数组合，所以我们可以算出阴极射线的速度，以及荷质比。

由此可见，只有有了牛顿力学的内容，我们才能研究阴极射线的重要性质，才能发现第一个亚原子粒子。

下节课我们讲电场，电场力，以及阴极射线在电场力作用下的偏转。然后就是说磁场和磁力，以及阴极射线在磁场作用下的偏转。最后，我们在计算阴极射线的荷质比，这个需要一步一步来，不要着急。

所以在接下来的内容中，当我们在讲原子核是如何被发现的时候，我们讲的是阴极射线管引起的另外两个重大发现，X射线和放射性。