（科学技术史专业论文）十九世纪下半叶的气体放电实验.pdf

、 d e p a r t m e n t ：坠皇卫塑! ! 坐竺塾! q ! 塾i ! q 璺q 卫塾y m a j o r ：塾i 墨! q yq 竺i 竺塾竺壁鱼墅竺塾望q ! q 蚁 r e s e a r c hf i e l d ：坠旦竺! q 乜啦曼望! q ! 卫塾y 璺i 竺璺垒望堕墨q 竺i 竺鲤 s u p e r v i s o r ：苎璺q 竺i 塑! 竺里! q ：圣坚y i y i c a n d i d a t e ： g 竺坠g 丛i 坠g m a y 2 0 1 0 ：十九世纪下半叶的气体放电实验系本人在华东师范大学攻读学位期间在 导师指导下完成的硬爿博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华东师 范大学所有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向 主管部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网”送交学位论文的印刷版和 电子版；允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学 校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论 文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) () 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密”学位论宰， 于 年月日解密，解密后适用上述授权。 ( 、2 不保密，适用上述授权。 导师签名蕴奎主量兰本人签名垒煎 加f o 年夕月歹p 日 “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定 过的学位论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方 为有效) ，未经上述部fj 审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权) 。 丛塑硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 王顺义教授华东师范大学主席 郦全民教授华东师范大学 安维复教授华东师范大学 论文摘要 1 9 世纪下半叶兴起的气体放电实验，以及关于阴极射线本性的研究，直接 导致了物理学的三大发现，进而引起了世纪之交的物理学革命和一系列新学科、 新技术的诞生。这段历史在整个科技史上占有极其重要的地位，长期来倍受关注， 论著颇丰。 本文再写这个题目，是鉴于先前的研究大都注重概念分析，而在仪器的考察 方面略嫌粗糙。物理学毕竟是经验科学，必须用仪器来做实验，不深入考察仪器， 就不能很好地理解物理学的发展。有见于此，本文将从仪器沿革的角度，重新考 察这段历史。 全文共四章。第一章回顾1 9 世纪下半叶兴起的气体放电实验和高真空度放 电管的发明。第二章考察l8 9 5 年左右物理实验室中的主要仪器以及阴极射线研 究的现状。第三章剖析物理学革命在世纪之交的实验室背景下发生的必然性。第 四章讨论阴极射线研究的技术产物c r t 、p d p 等的发明及其社会影响。 本文完成的第一个论证是，从一定的意义上说，“物理是由仪器而定的，仪 器到哪里，物理就到哪里。” 本文完成的第二个论证是，1 9 世纪下半叶兴起的气体放电实验以及关于阴 极射线本性的研究，直接导致了物理学的三大发现，进而引起了世纪之交的物理 学革命，其在整个科学史上具有不可低估的地位。 最后我们指出，1 9 世纪下半叶兴起的气体放电实验，除了基础研究意义上 的重要性以外，还产生了一系列的应用成果，如霓虹灯、电子管、c r t 、p d p 等 副产品。这样多产的实验研究项目，在整个科学史上实属罕见，值得科学史工作 者进一步研究和探讨。 关键字：气体放电实验仪器物理学三大发现 a b s t r a c t t h er i s eo fg a sd i s c h a r g ee x p e r i m e n ti n19 mc e n t u r y , a n dt h es t u d yo fc a t h o d e r a y so nn a t u r e ，l e dd i r e c t l yt ot h et h r e ek n o w l e d g ed i s c o v e r yo fp h y s i c sa n d t h eb i r t h o fas e r i e so fn e wd i s c i p l i n ea n dn e wt e c h n o l o g y t h i sp e r i o do fh i s t o r yi sv e r y i m p o r t a n ti nh i s t o r yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , a p p e a r sl o t so f t h e s e s t h i sa r t i c l ew r i t et h et i t l ea g a i n ，i sd u et op r e v i o u sr e s e a r c hm o s t l yo nc o n c e p t u a l a n a l y s i s ，a n dt h ei n v e s t i g a t i o ni nt h ei n s t r u m e n ti ns l i g h t l yt o oc o a r s e p h y s i c si s e m p i r i c a ls c i e n c e ，i td e p e n d so nt h ei n s t r u m e n tt o d oe x p e r i m e n t ，s oi no r d e rt o u n d e r s t a n dt h ed e v e l o p m e n to fp h y s i c sb e r e r ，w en e e df u r t h e ri n v e s t i g a t i o no n e x p e r i m e n t a la p p a r a t u s s ot h ea r t i c l ew i l li n v e s t i g a t et h i sp e r i o do fh i s t o r ya g a i n f r o mt h ea n g l eo fi n s t r u m e n tc h a n g e t h i sa r t i c l eh a sf o u rc h a p t e r s t h ef i r s tc h a p t e rr e v i e w st h er i s eo fg a sd i s c h a r g e e x p e r i m e n ti nt h e19 t hc e n t u r y t h es e c o n dc h a p t e rr e v i e w st h em a i ni n s t r u m e n ti n p h y s i c sl a b o r a t o r ya n dt h er e s e a r c hs i t u a t i o n o fc a t h o d ea r o u n d18 9 5 t h et h i r d c h a p t e ra n a l y s i st h en e c e s s i t yo fp h y s i c sr e v o l u t i o n a r ya tt h et u r no f t h ec e n t u r yu n d e r t h eb a c k g r o u n do fi n s t r u m e n ta n dl a b o r a t o r y t h ef o u r t hc h a p t e rd i s c u s st h ep r o d u c t o fc a t h o d er a yl i k ec r ta n dp d p , a n dt h e i rs o c i a li n f l u e n c e t h ef i r s ta r g u m e n ti nt h i st h e s i si st op r o v eap o i n t p h y s i c si sd e c i d e db yt h e i n s t r u m e n ta n de q u i p m e n t t h es e c o n da r g u m e n ti st h a tt h er i s eo fg a sd i s c h a r g ee x p e r i m e n ta n dr e s e a r c h a b o u tt h en a t u r eo fc a t h o d er a y si n19 “c e n t u r yl e dd i r e c t l yt ot h et h r e ek n o w l e d g e d i s c o v e r yo fp h y s i c sa n dt h e nl e a dt ot h er e v o l u t i o no fp h y s i c sa tt h et u r no ft h e c e n t u r y i th a sav e r yi m p o r t a n tp o s i t i o ni st h eh i s t o r yo f s c i e n c e f i n a l l y , w ep o i n t e do u tt h a t r i s eo fg a sd i s c h a r g ee x p e r i m e n ti nt h e19 “c e n t u r y b r i n g sa s e r i e so fa p p l i c a t i o n ，s u c ha sn e o nt u b e s ，c r t , p d p , a sab y - p r o d u c t t h ec a t h o d er a ye x p e r i m e n th a ss om a n ye x p e r i m e n t a lr e s e a r c hp r o j e c t s ，i ti s u n u s u a li nt h ew h o l eh i s t o r yo fs c i e n c ea n di sw o r t hd o i n gf u r t h e rr e s e a r c ha n d d i s c u s s i o n k e yw o r d s ：c a t h o d er a y , l a b o r a t o r ya p p a r a t u s ，t h et h r e ek n o w l e d g ed i s c o v e r yo f p h y s i c 目录 前言1 第一章气体放电实验的必起2 1 1 气体放电实验的初步条件一真空和电2 1 2 气体放电实验的进一步条件5 1 3 气体放电实验的深入7 1 4 从气体放电实验到“阴极射线”的出现1 0 第二章阴极射线的研究1 2 2 1 18 9 5 年左右物理实验室中的主要仪器。1 2 2 2 对阴极射线的研究和阴极射线本质的争论1 3 第三章世纪之交的物理学革命2 l 3 1 从阴极射线研究到物理学三大发现2 1 3 2 从物理学三大发现到原子论世界观的确立2 8 第四章气体放电的应用3 3 4 1 布朗c r t 管的诞生3 3 4 2 从气体放电到“等离子体”。3 4 4 3p d p 等离子显示器的出现3 5 结语3 7 参考文献3 8 后记3 9 前言 十九世纪下半叶的气体放电实验 1 9 世纪下半叶兴起的气体放电实验，以及关于阴极射线本性的研究，直接 导致了物理学的三大发现，进而引起了世纪之交的物理学革命和一系列新学科、 新技术的诞生。这段历史在整个科技史上占有极其重要的地位，长期来倍受关注， 论著颇丰。 本文再写这个题目，是鉴于先前的研究大都注重概念分析，而在仪器的考察 方面略嫌粗糙。物理学毕竟是经验科学，必须用仪器来做实验，不深入考察仪器， 就不能很好地理解物理学的发展。有见于此，本文将从仪器沿革的角度，重新考 察这段历史。 “物理是由仪器而定的，仪器到哪里，物理就到哪里。 这句名言，虽然有 点经验论的味道，但是在气体放电实验的典型案例巾，它是成立的。从一定的意 义上说，没有1 9 世纪下半叶成熟起来的真空技术，没有“盖斯勒管 、“希托夫 管”、“克鲁克斯管”的发明，就没有1 9 世纪末物理学的三大发现，从而也就没 有世纪之交的全面的物理学革命。 物理学不是完全由仪器决定的。但是，物理学也不是只凭着理论思维就能出 成果的。一些对仪器的重要性缺乏充分认识的人，可能会拿爱因斯坦( a l b e r t e i n s t e i n ，1 8 7 卜1 9 5 5 ) 和玻尔( n i e l sb o h r ，1 8 8 5 1 9 6 2 ) 来反驳。爱囚斯坦只 擅长“思想实验”，但是他创立了广义相对论。当年在曼彻斯特实验室，玻尔的 “走到哪里，仪器坏到哪里”是出了名的，但是他创立了半量子化原子结构理论。 这样的举例不能说明问题。正如爱因斯坦本人所说，“从来没有一个真正有用的 和深入的理论果真是由纯粹的思辨去发现的”。概括地说，理论物理学家之所以 比别人看得远，是因为他们站在实验物理学家的肩上。 在阐明了这个基本观点之后，让我们把目光转向实验室和实验物理学家，借 助这个著名的案例来考察一下物理学怎样随着克鲁克斯管、鲁姆科夫线圈、罗兰 刻线机等仪器的进步而进步，怎样通过霓虹灯、电子管、c r t 、p d p 等发明而走 向社会。 第一章气体放电实验的兴起 干燥气体通常是良好的绝缘体，但当气体中存在自由带电粒子时，它就变为 电的导体，这时如在气体中安置两个电极并加上电压，就有电流通过气体，这个 现象称为气体放电。1 人类对气体放电的研究已经有一百多年的历史，从这段历史我们可以看到仪 器的进步对气体放电实验的发生和发展有着决定性的影响。下面我将围绕真空管 和电源这两种重要的仪器来回顾一下气体放电实验的兴起。 1 1 气体放电实验的初步条件一真空和电 1 1 1 关于真空 科学史家弗卡约里( f l o r i a nc a i o f i ) 认为，在柏拉图( p l a t o ，公元前4 2 8 一公元前3 4 8 ) 和亚里士多德( a r i s t o t l e ，公元前3 8 4 _ 公元前3 2 2 ) 的著作中已 经偶尔发现空气有重量的说法，但是直到伽利略( g a l i l e og a l i l e i ，1 5 6 4 - - 1 6 4 2 ) 和托里拆利( e v a n g e l i s t at o r r i c e l l i ，1 6 0 8 - - 1 6 4 7 ) 以前人们都不知道有虚无。2 亚 里士多德认为真空不存在，自然界厌恶真空，这之后直到笛卡尔都持有相同的观 点，在伽利略之前的很多人对于真空的想法不过是含糊的思辨。3 到十七世纪，伴随原子论的复活，陆续出现了一些认为真空存在的人。例如， 裴克曼( i s a a cb e e c k m a n ，1 5 8 8 一1 6 3 7 ) 承认真空，发现空气压力作用在所有方 向上，并注意到空气的压缩性。4 伽利略在论两种新科学中提到过，用一个 有很长吸气筒的抽水机不能将l o 米深的井水抽出，因此，伽利略认为自然界厌 恶真空是有限度的。之后，伽利略的学生托里拆利改进了这个实验，使人们对真 空有了更好的理解。 托里拆利实验实际上是于1 6 4 3 年由他的学生维维安尼( v i n c e n z ov i v i a n i ， 1 6 2 2 - - 1 7 0 3 ) 来完成的。先将水银注满一端封闭的玻璃管，然后把它倒立放入水 银槽，可以观察到管子里的水银柱会下降，在玻璃管上部会有一段空隙。之后， 他在水银槽上面加满了水，将原来浸在水银里的玻璃管慢慢提起。结果当玻璃管 离开水银面而进入水面的时候，玻璃管内的水银全部落入水中，而水则迅速上升 1 徐学基、诸定1 = 编著，气体放电物理，上海：复- 日大学出版社，1 9 9 6 年8 月，p 2 2 【美】弗k 约里著，物理学史。戴念祖译，范倩年校，广四：广l ! ! i 师范人学出版，2 0 0 2 ，p 5 5 3 【美1 弗卡约罩著，物理学史，戴念祖译，范岱年校，“西：广两师范大学 f j 版，2 0 0 2 ，p 5 5 4 【日】广重彻著，祁关泉、龚义明等译，物理学史，上海：上海教育出版社，1 9 8 6 ，p 2 6 2 充满了整个玻璃管。据此，托里拆利认为，正是由于玻璃管上部的空隙是真空， 才会发生这种现象，而出现这种现象的原因是因为空气的重量压迫了水银槽的液 面。1 由于当时的教会禁止存在真空的言论，因此托里拆利没有将实验公开。按照 科学史家广重彻的说法，法国的麦山尼( m a r i nm e r s e n n e ，1 5 8 8 - - - 1 6 4 8 ) 于1 6 4 4 年同托里拆利见面并亲自观察了这个实验之后，托里拆利实验才在法国传开，从 此有关真空和大气压的研究进入了一个新的阶段。2 麦山尼回到法国后便立即进行托里拆利实验，但是由于当时制造玻璃的技术 并不成熟，当时的法国没有好的玻璃管，实验没有成功。直到1 6 4 6 年，托里拆 利实验才在法国被重复，成功进行这个实验的人是帕斯卡( b l a i s ep a s c a l ，1 6 2 3 一1 6 6 2 ) 。帕斯卡的家离当时玻璃工业发达的里昂很近，可以得到优质的玻璃， 并能根据要求定制成各种实验装置，因此成功地进行了实验。 帕斯卡用一根1 3 8 c m 长的玻璃管和红葡萄酒重复了托里拆利实验，通过进 一步的实验，帕斯卡认为实验中出现的玻璃管一卜方的空隙，并不包含存在于自然 界中的、能感觉到的任何一种物质，即它是真空。3 帕斯卡也做出了一个推论， 如果水银柱被提起的原因只是因为空气压力的话，那么水银柱在海拔高的地方会 更短。4 这样，由于在意大利和法国的研究，“厌恶真空”的说法已经被推翻。5 在德 国，对于真空的相关研究也独立进行着，其中最有影响的就是做过著名的半球实 验6 的马德堡市长格里克( o t t ov o ng u e r i c k e ，1 6 0 2 - - 1 6 8 6 ) 。格里克先用水装满 有漏孔的葡萄酒桶，然后密封，接着用黄铜制成的抽气泵将水抽到下面的桶里。 用黄铜泵抽水和空气的时候很费劲，三个壮汉拉动黄铜泵的活塞才将水抽出。后 来，格里克把这种有漏孔的葡萄酒桶改为了铜制的球形容器，然后把空气和水都 抽了出来。接着，在此基础上，格里克改进了固定装置和漏气的问题，于1 6 5 4 年制成了第一个抽气泵。7 人们用这种抽气泵进行了很多实验，验证了真空的存 在。 1 【| i 】j 霞彻著，祁关泉、龚又明等译，物理学史，上海：卜海教育 版社，1 9 8 6 ，p 2 8 2 【f 1 扩重彻著，祁火泉、龚义明等译，物理学史，i ：海：j ：海教育f f 版社，1 9 8 6 ，p 2 8 3 【美l 弗卡约里著，物理学史，戴念祖译，范岱年校，厂。鹳：厂西师范人学i l 版，2 0 0 2 ，p 5 6 4 同上 5 【荚1 弗卡约艰著，物理学史，戴念讯译，范倩；f i 校，广西：广西师范大学出版，2 0 0 2 ，p 5 9 61 6 5 7 年，格里克州允满j ，水艰 卷i 的倒桶制成的抽气泵抽出了两个紧密结合的锏制、i ，_ 球体构成的球体中的 气体，让两队马车沿相反方向拉这两个被抽窄的铜半球，结果没自拉j f 。最终j h 了1 6 匹马才把球拉开。 7 【美l 弗g - 约里著，物理学史，戴念祖译，范岱年校，广西：广西师范大学出版，2 0 0 2 ，p 5 9 3 英国的波义耳( r o b e r tb o y l e ，1 6 2 7 1 6 9 1 ) 在得知了托里拆利的实验之后， 于1 6 5 8 年成功地重复了这个实验。在其助手胡克( r o b e r th o o k e ，1 6 3 5 一1 7 0 3 ) 制造了一台比格里克的抽气泵还要好的泵之后，他用实验证实了空气的压力和体 积成反比，也就是以他的名字命名的波义耳定律。1 1 1 2 电和起电机 人们很久以前就已经发现了静电现象，也就是摩擦过的琥珀或玻璃能够吸引 碎纸片和微小的颗粒。虽然吉尔伯特( w i l l i a mg i l b e r t ，1 5 4 4 d 1 6 0 3 ) 在1 6 0 0 年 出版的磁石论中已经通过实验提出这种吸引力和磁力不同，但是科学史家倾 向于认为直到十八世纪以后，对电磁现象的研究才正式开始。z 在十八世纪，尤 其是在法国，科学实验在社会上非常流行，甚至成了宫廷里面流行的魔术表演， 这其中最受欢迎的就是静电实验。在这些实验中，最重要的实验设备是蓄电器和 起电机，这两样设备的发展也是电学进步的基础。3 1 6 6 0 年，格里克制造了第一台起电机。这个起电机非常简单，由一个可转 动的硫磺球和与之相互摩擦的毛织物组成，转动旋转轴就可以使硫磺球带电。 在十七世纪末到十八世纪初期间，豪克斯比( f r a n c i sh a u k s b e e ，1 6 6 卜1 7 1 3 ) 改进了起电机。这个机器主要由一个直径2 3 e m 的中空玻璃球构成，将内部的气 体用抽气机抽掉后，使琥珀和毛织物在内部进行旋转摩擦。豪克斯比观察到摩擦 点上会发出光，而且只要旋转机器一直进行摩擦，就会一直见到发光，产生的火 花有2 5 c m 长，亮度可以用来阅读。豪克斯比进一步发现，把空气放入玻璃球内， 发光的亮度会明显减弱。4 这样，格里克制造了第一台起电机，豪克斯比进一步改进，发明了玻璃起电 机。但是，这两种起电机都没有被广泛的应用，据科学史家沃尔夫教授( a w o l f ) 说，至少到十八世纪初年为止，产生电荷的方法一直只是用手或其他适当材料摩 擦琥珀、玻璃或其它物质。5 至此，空气泵和起电机的发明，已经为物理学家在稀薄空气中进行电的试验 提供了初步条件。 1 十多年后，法园的马略特( e d m em a r i o t t e ，1 6 2 0 - - - 1 6 8 4 ) 得i l j 了同样的规律，所以这个定律在法国叫马 略特定律。 2 【ii 】j “重彻著，祁天泉、龚又明等译，物理学史，1 - 海：上海教育 n 版社，1 9 8 6 ，p 9 5 3 【r j “重彻著，祁火泉、龚义明等译，物理学史，j ：海：i = 海教育f l j 版社，1 9 8 6 ，p 9 5 【英】沃尔犬著，十八世纪科学、技术和哲学史，周吕忠、苗以顺、毛荣运译，北京：商务印书馆，1 9 9 7 ， p 2 3 5 5 【英1 沃尔夫著，十八世纪科学、技术和哲学史，周昌忠、苗以顺、毛荣运译，北京：商务印书馆，1 9 9 7 ， p 2 3 5 4 1 1 3 辉光 1 6 7 6 年的一个晚上，法国的让皮卡尔( j e a np i c a r d ，1 6 2 0 - - 1 6 8 2 ) 把一个 水银制成的气压计从巴黎天文台带到了圣迈克尔港，这个水银气压计由托里拆利 真空管制成，他惊奇的发现气压计内水银的每一次晃动都会产生辉光。1 这个发 现引起了一些科学家的注意。 豪克斯比研究过皮卡尔光辉产生的原因。1 7 0 9 年，在实验观察中他发现， 抽掉管内的空气至标准大气压强的1 6 0 ，再将起电机与这个玻璃管相连，就会发 现玻璃管内发出奇妙的光，这种光很像闪电，在水银气压计上方的真空部分也可 以被观察到。2 豪克斯比认为，这种现象是由于水银和玻璃管壁摩擦而产生的电 所引起的，甚至水银上面的空气为标准大气压时也会产生发光现象。3 1 2 气体放电实验的进一步条件 在豪克斯比改进了起电机之后，起电机的进展依然缓慢。按照沃尔夫的说法， 设计和使用起电机的传统是1 7 4 3 年由莱比锡的豪森( c a h a u s e n ) 继往开来的， 他用的机器是一个琉璃球，借助绕在一个带有摇手柄的大轮上的一根线带快速转 动它，之后德国的电学家温克勒( j h w i n k l e r ) 制造了一个有数个玻璃球同时工 作的起电机。4 此后不久，德同的克莱斯特( e g v o nk l e i s t ，1 7 0 卜1 7 8 4 ) 和荷兰的马森布 罗克( r v a nm u s s c h e n b r o e k ，1 6 9 2 一1 7 6 1 ) 分别在1 7 4 5 年和1 7 4 6 年各自独立发 现了蓄电器的原理。5 随着蓄电器的出现，静电实验变得更容易，也促进了电学 的进步。 蓄电器的主要结构是一个玻璃瓶，玻璃瓶的内外都贴有锡箔，用导线把一个 项部有金属球的金属棒和这个锡箔连接起来。这样将瓶内的锡箔与带电体相连 时，电荷会从带电体转移到瓶子上，也就是充电。这个蓄电器后来被人为叫做莱 顿瓶，因为发明它的马森布罗克是莱顿大学的教授。6 莱顿瓶可以看作电容器的 原形，它可以在瓶的内外表面建立很高的静电势。释放这一静电势所产生的功率 1 【美1 弗卡约甲著，物理学史，戴念祖译，范岱年校，广西：广西师范大学 i 版，2 0 0 2 ，p 7 9 2 【奖撕蒂芬温伯格著，杨建q k 、肖明译，亚原子粒子的发现长沙：湖南科学技术f l ：版礼，2 0 0 6 ，p 2 4 3 【英】沃尔犬著，i 八世纪科学、技术和哲学史，周昌忠、苗以顺、毛荣运译，北京：商务印书馆，1 9 9 7 ， p 2 3 5 4 【英】沃尔夫著十八世纪科学、技术和哲学史，周吕忠、苗以顺、毛荣运译，北京：商务印书馆，1 9 9 7 ， p 2 4 0 5 【u l 广最彻著祁关泉、龚又明等译物理学史，上海：卜海教育 版社，1 9 8 6 ，p 9 6 5 【日1 广重彻著，祁关泉、龚义明等译，物理学史，上海：上海教育出版社，1 9 8 6 ，p 9 6 5 可以杀死一只小鸟、点亮蜡烛或使人受到很强的电击。1 莱顿瓶迅速在欧洲的实验室引起了很大的反响，因为它使科学家们第一次可 以得到很多电荷，进而对其性质进行研究，也为放电实验提供了更有利的条件。 发明了莱顿瓶之后，1 7 4 6 年，温克勒发现将玻璃瓶内的空气抽走一部分后， 在放电的过程中会产生一种新的辉光。 1 7 5 0 年，对电学进行过很多研究的沃森( g h w a t s o n ) 抽空了一根9 0 c m 长 的玻璃管，然后用黄铜盖封住玻璃管的两端，将黄铜棒透过盖子放入到玻璃管内， 可以调节铜棒的间距，其中一根铜棒与起电机相连。2 沃森的实验后来导致了盖 斯勒管的发明，在后面将提到的盖斯勒管是气体放电实验中极为重要的一个仪 器。 在1 8 世纪对电学感兴趣的人中有一位后来特别有名，那就是本杰明富兰 克林( b e n j a m i nf r a n k l i n ，1 7 0 7 m 1 7 9 0 ) 。在1 7 4 5 年到1 7 5 1 年间，他购买了所有 能买到的电学设备来进行电的实验。富兰克林提出了“单流质说 3 ，用来解释 莱顿瓶。富兰克林也首次提出了用电的原理来解释闪电，他认为闪电的产生和实 验室中所产生的放电现象都是一种静电现象，我们现在知道闪电正是一种典型的 气体放电现象。为了验证这一假设，1 7 5 2 年，富兰克林在一个雷暴雨天通过风 筝将闪电引入到莱顿瓶内，证明了闪电是一种电现象。这就是著名的风筝实验。 这时候，电学已经有了一定的发展，但是人们并不清楚带电体内的电和热空 气发光产生的放电有什么区别，不知道电究竟是什么。因为电总是和空气混在一 起，因此要想知道电的性质，最好是在真空中进行放电研究。 但是当时的真空度还很低，容器内还会有空气剩余，然而即使是这些少量的 空气也会让电流通过而发出辉光。因此，要想获得纯粹的真空放电，必须满足两 点，一是容器内有足够高的真空度，二是能够让大量的电通过真空区域。4 高真 空度需要好的抽气泵，让大量的电通过真空需要稳恒电流。 如何能产生高度的真空一直是近代物理实验中非常重要的一个课题，这方面 的进展留到后面在说。这里先交代一下稳恒电流。莱顿瓶是瞬间放电，不能提供 稳恒电流，而一些重要的电、磁现象都是在稳恒电流基础上发现的，直到约1 7 9 0 1 路易十五时的法国，在巴黎有7 0 0 名僧侣一起接触莱顿瓶，所有人同时跳了起来，展示了静电的力景。 2 【共1 沃尔夫著，十八世纪科学、技术和哲学史，周昌忠、苗以顺、毛荣运泽，北京：商务印书馆。1 9 9 7 ， p 2 5 2 3 摩擦的结果如果是获得电荷就带正电，如果是失去电荷就带负电。无论所带电荷是正或者是负，带电体 在放i 【l 后将恢复电平衡。 4 【美1 艾萨克阿西莫夫著，亚原子世界探秘物质微观结构巡礼，朱子延、朱佳瑜，上海：上海科 技教育出版社，p s o 6 年开始研究流电之前，电的研究只限在静电学方面。1 在1 8 世纪末到1 9 世纪初，稳恒电流因意大利物理学家亚历山卓伏打 ( a l e s s a n d r ov o l t a ，1 7 4 5 一1 8 2 7 ) 的划时代发明而产生。伏打把两种金属片( 如 银和锌) 与浸透食盐水或皮革接触，再将两种金属连接起来，立即产生了电流， 他把这种装置叫做伽伐尼电池。2 之后，伏打把许多个伽伐尼电池连接起来，得 到了更强的电流，这样，伏打就发明了第一个现代化学电池，也就是伏打电堆。 3 伏打电堆的发明，使人们第一次有了一个能提供稳定电流的仪器，使电学从 对静电的研究进入到对动电的研究，从而开始了一场真正的科学革命。4 法国大 科学家阿拉戈( f r a n c o i sj e a nd o m i n i q u ea r a g o ，1 7 8 卜1 8 5 3 ) 赞美到：“这种由 不同金属中间用一些液体隔开而构成的电堆，就它所产生的奇异效果而言，乃是 人类发明的最神奇的仪器。”5 有了稳恒电流，科学家们对电的研究进入了一个新 的更为广阔的领域，也为之后法拉第( m i c h a e lf a r a d a y ，1 7 9 l 1 8 6 7 ) 对气体放 电的研究提供了条件。 1 3 气体放电实验的深入 在十八世纪，格鲁特曼( g h g r u t t m a n n ) 和沃森首先注意到了真空中的气 体放电现象，他们认为产生这种现象是由于物体中排出了电流体。沃森这样记录 了他见到的景象：“在黑暗的房间里，玻璃容器中放电的景象，光彩夺目。”o 但 是这个现象很长一段时间被人所遗忘，之后，法拉第重新研究了这个现象。 1 8 3 6 年，法拉第在对气体放电的早期研究中发现空气的稀薄有利于对辉光 现象的研究。7 他将一根抽去空气的玻璃管的两端焊接两根黄铜棒作为电极，然 后对玻璃管通电，法拉第发现从阳极发射出一束光，阴极发出微弱的辉光，在两 1 【美j 弗卡约里著， 物理学史戴念笤i 译，范岱年校，广西：广两师范大学出版，2 0 0 2 ，p 1 2 4 2 刘筱莉、仲扣庄著，物理学史，南京：南京师范大学出版社，2 0 0 1 ，p 1 6 8 3 当一种金属与一种流体接触时，也会产生激发力或电动势。他把这些金属称为一级电动体，把不能列入 电化序的液体称为二级电动体或j 二级导体。伏打表明，在一个完令由一级电动体( 金属) 构成的电路中， 不发生任何电的运动、电流。但是，他又进一步证明，当让两个一级电动体与一个潮湿的中间导体相连接， 并f l 它们彼此直接或通过另一导体相连接而形成一个导电通路时，使会产生这种电流。这种组合被称为原 电池。 4 刘筱莉、仲扣庄著，物理学史，南京：南京师范大学f “版社，2 0 0 1 ，p 1 6 8 51 4 1 - 6 【美1 阿伯拉罕派斯著，基本粒子物理学史。关洪、杨建邺、 j 自华、付冬梅译，武汉：武汉出版社， 2 0 0 2 ，p 9 8 7 【美】埃米_ 甲奥赛格雷著，从x 射线到夸克近代物理学家和他们的发现，夏教勇、杨庆华、庄重 九、梁益庆译，上海：上海科学技术义献出版社，1 9 8 4 ，p 1 3 7 极的所形成的光束之间总会有一个暗区把它们分开，这个暗区后来被称为“法拉 第暗区 。1 法拉第当时不能理解产生这个光的原因，现在我们知道其实它是一种次级现 象( s e c o n d a r yp h e n o m e n o n ) 。当电流通过玻璃管时，电子与管中的气体分子碰撞， 把一部分能量传给了气体分子，之后，这部分能量就会以光的形式释放出来。后 面将要提到的霓虹灯也是同样的原理。这种现象在电学史上有重要的意义，这种 意义不在于放电发出的光，而是放电的电流本身。2 之前的实验仪器对电的研究 中，电荷聚集在了琥珀棒上或是铜棒上，电的性质与它们混在了一起，没有办法 使它们能分开。人们后来才测出电子的质量太小，与携带它的固体物质相比而言 太小，因此，要想研究电的性质，就得让电子离开携带它的固体或液体物质。所 以，研究高真空度下的气体放电现象，就是沿着正确的方向迈出了一步。3 所以，法拉第当时没能取得更多的发现，是冈为当时的真空度只能达到千分 之七个大气压，在这个真空度下，空气对电流仍然有很大的干扰，所以不能发现 电的性质。只有当气体几乎完全被清除的时候，科学家对通过几乎是真空空间的 纯电子流进行研究，才有可能取得真正的进展。4 随着鲁姆科夫线圈的发明和高效真空泵的出现，气体放电的研究迎来了转折 点。 l8 51 年，巴黎电学机械厂的技师鲁姆科夫( h e i n r i c hd a n i e lr u h m k o r f f , 18 0 3 一1 8 7 7 ) 发明了一种感应线圈，它是一只变压器，可以把低伏特的直流电变成几 千伏的高压电，也可以用来产生长放电火花和高电位差。它有一个圆柱形的铁芯， 两个相互绝缘的线圈缠绕在上面。接电堆的初级线圈首先会产生电流，之后这个 电流不断的被断路器切断，这样由于初级线圈的变化，在次级线圈中会产生感应 电流，并且在次级线圈的两端产生电位差。5 初级线圈由几匝粗线绕成，次级线 圈用数千米长的细线绕了很多匝。当时的鲁姆科夫线圈可以产生长达1 0 6 c m 的 火花，产生的火花越长，电池的功率越大，因此可以用来衡量当时的实验室的级 别。6 1 刘筱莉、仲扣庄著，物理学殳，南京；南京师范大学出版 i ：，2 0 0 1 ，p 2 5 8 2 【荚1 斯蒂芬温伯格著，杨建业、肖明译。亚原子粒子的发现，长沙：湖南科学技术叶j 版社，2 0 0 6 ，p 2 4 【美】斯蒂芬温伯格著，杨建业、肖明译，弧原子粒予的发现，长沙：湖南科学技术j i j 版社，2 0 0 6 ，p 2 4 4 【美】斯蒂芬温伯格著，杨建业、肖明译，亚原子粒子的发现，长沙：湖南科学技术出版社，2 0 0 6 ，p 2 4 5 【美】埃米骧奥赛格雷著， 从x 射线到夸克近代物理学家和他们的发现，夏教勇、杨庆华、序币 九、桀益人译，上海：上海科学技术文献出版社，1 9 8 4 ，p 5 6 【美】埃米哩奥赛格雷著，从x 射线到夸克- i 丘代物理学家和他们的发现，夏教勇、杨庆华、庄重 九、粱益庆译，上海：上海科学技术文献出版社，1 9 8 4 ，p 6 8 鲁姆科夫线圈发明后，人们便用它来给放电管供电。 对真空气体放电的正式研究是从盖斯勒( j o h a n nh e i m i c hw i l h e l mg e i s s l e r ， 1 8 1 4 _ 1 8 7 9 ) 和普吕克尔( j u l i u sp l i l c k e r ，1 8 0 l 1 8 6 8 ) 开始的。盖斯勒在制造 科学器械方面很有造诣，在普吕克尔的要求下，他制造了许多精良的实验设备。 1 8 5 7 年，盖斯勒根据托里拆利真空实验中的经验，制造了一台当时最先进的水 银真空泵。1 盖斯勒泵由一个与开口水银槽相连的密封球体组成。有一个双向开关控制着 球体，用来控制球体与外界空气的相通，并与待抽的容器相通，与玻璃容器紧密 接触的水银穿过开关时会赶出腔内的所有空气。然后将开关转向与外面空气相 通，通过提升水银槽，来排除球体内的空气，接着再把开关转向连容器，直到水 银液面降到最低。这个过程需要重复多次才能达到一个比较好的真空度。波多夫 指出，这个装置制造出来的真空度是那时其它真空泵所难以达到的。2 这种真空 泵的优点是运动部件不含机械装置，之前的真空泵是用活塞，可是活塞周围的密 封垫容易漏气，所以难以达到好的真空度。而盖斯勒发明的水银真空泵，用水银 液面的反复运动代替了活塞的运动，这样就可以排除9 9 9 以上的空气。虽然这 个过程较为缓慢，但是在实验过程中不需要连续的抽空容器，也能达到较稳定的 真空度，达到了标准大气压的万分之几。 盖斯勒还有着高超的吹制玻璃的技术，他可以将两个金属铂电极作为阴极和 阳极放在吹出的玻璃容器内部的两端，然后抽空容器内的空气，这就是由普吕克 尔命名的著名的盖斯勒管。用鲁姆科夫线圈来连接两极后通电，盖斯勒在真空管 中发现了辉光，并且往玻璃管中充入不同的稀薄气体时，会发出不同颜色的辉光。 与此同时，德国的基尔霍夫( g u s t a vr o b e r tk i r c h h o f f , 1 8 2 2 - - 1 8 8 7 ) 和本生 ( r o b e r tw i l h e l mb u n s e n ，1 8 1 2 - - 1 8 9 9 ) 发明了光谱分析法，于是普吕克尔和他 的学生希托夫( j o h a n nw i l h e l mh i t t o r f , 1 8 2 4 - - 1 9 1 4 ) 对光谱进行了研究。他们 制作了一个形状为中间细两头粗的盖斯勒管，往真空管内充入少量的纯气体，例 如纯氢气或氧气，对盖斯勒管通电后会发现不同的气体发出光的颜色也不相同。 使用分光镜检查会发现每种气体都有各自不同的亮线，因此，气体放电管就可以 作为光谱分析气体的工具。英国科学家拉姆赛( s i rw i l l i a mr a m s a y 1 8 5 2 一1 9 1 6 ) 就是通过气体放电管的研究发现了空气中的了氦、氖、氩、氪、氙。由于每种气 1 【日】广重彻著，祁关泉、龚义明等译，物理学史，上海：上海教育出版社，1 9 8 6 。p 3 3 2 2 【美1 阿们拉罕派斯著，基本粒f 物理学史，关洪、杨建邺、王自华、付冬梅译武汉：武汉出版社， 2 0 0 2 ，p 8 5 9 体发出的光的颜色都不同，比如氦发黄光，氖发红光、氙发蓝光。根据这一原理， 后来人们制成了各种形状的长长的放电管，充入不同的气体，通电后可以产生五 颜六色的光的图案，这就是我们今天常见的霓虹灯。 法拉第已经预见到，在高度真空的玻璃管中放电，结果应该会形成荧光。换 句话说，法拉第没有获得更多的发现，是因为他无法制造高真空度的放电装置。 而到了盖斯勒的时候，不仅出现了能产生大量电流的伏打电堆和鲁姆科夫线圈， 而且制出了具有高真空度的水银真空泵，再加上盖斯勒管的发明，使得气体放电 实验获得了前所未有的基本进展。 1 4 从气体放电实验到“阴极射线一的出现 普吕克尔对通电的盖斯勒管的辉光现象进行了进一步的研究，他通过实验来 研究不同的真空度对放电产生辉光的影响。他发现，当盖斯勒管内的真空度很高 时，辉光现象消失了，却在正对着阴极的玻璃管壁的位置上产生了绿色荧光，并 且只出现在阴极。因此，普吕克尔认为应该是有一种射线打在了玻璃壁上产生了 荧光。 1 8 5 8 年，普吕克尔报告了这个现象，并指出了富兰克林对电的运动方向的 说法是错误的，电不是从阳极流向阴极，而是从阴极流向阳极。1 但是普吕克尔还不能确定这个辉光的本质是否和电流本身有关，他认为辉光 可能是由稀薄气体或电极上脱落下来的金属所产生的。同年，普吕克尔用磁铁靠 近真空玻璃管，结果他观察到了放电产生了一些偏转。 1 8 5 9 年，普吕克尔拥有了一个真空度为万分之一个标准大气压的放电管， 在加大放电管两极的电压后，他发现阴极暗区逐渐扩张，阳极辉光逐渐消退，当 暗区扩张到管子的另一端时，在对着放电管阴极的管壁上出现绿色的荧光，并且 磁铁会改变荧光光斑的位置和分布状况，说明这一现象具有电磁性质。2 然而，普吕克尔还是因为真空度太低而不能作进一步的研究。随着水银空气 泵的改进和真空度的进一步提高，放电现象才在更广的范围出现。3 1 8 6 5 年，德国的斯普伦格( h e r m a n ns p r e n g e l ，1 8 3 4 - - - 1 9 0 6 ) 发明了比盖斯 勒更好的水银真空泵，真空度达到十万分之一个标准大气压。 1 【美】艾萨克阿西莫夫著，r