世界科技全景百卷书,人类对电的认识简史

作者: 云顶娱乐官网下载  发布:2019-07-16

  由于家境贫困,法拉第很小就开始自己谋生。12岁时,法拉第在离家不远的一个书店里当送报童,既要到外面送取报纸,又要在店里打杂,工作十分繁重。礼拜天也不例外。法拉第必须天亮以前就起床,才能来得及分送好报刊,待客户们看完后再及时地收回。顾客们都喜欢这位眼睛明亮、满头棕色卷发的小伙子。书店老板见法拉第工作既勤快,又肯动脑筋,在一年的年终时,破例提升他到店里的书籍装订处当一名“免费艺徒”,并兼管售书。

  “什么?”卢瑟福既像恼又像喜的反映,使得玻尔不敢说下去。教授放下手中的实验,急切地等待玻尔说下去,看着玻尔吱吱吾吾的样子,就笑着说:“这几天我预感到会有人向我‘开炮’,小伙子,说吧!”

人类对电的认识是在长期实践活动中,不断发展、逐步深化的,经历了一条漫长而曲折的道路。人们对电现象的初步认识,可追溯到公元前6世纪。希腊哲学家泰勒斯那时已发现并记载了摩擦过的琥珀能吸引轻小物体。我国东汉时期,王充在《论衡》一书中所提到的“顿牟掇芥”等问题,也是说摩擦琥珀能吸引轻小物体。 第一位认真研究电现象的是英国的医生、物理学家吉尔伯特。1600年,他发现金刚石、水晶、硫磺、火漆和玻璃等物质,用呢绒、毛皮和丝绸摩擦后,也能吸引轻小物体,有“琥珀之力”,他认为这可能是蕴藏在一切物质中的一种看不见的液体在起作用,并把这种液体称之为“琥珀性物质”。后来根据希腊文“琥珀”一词的词根,拟定了一个新名词──“电”。但吉尔伯特的工作仅停留在定性阶段。到了1733年法国物理学家杜菲发现,把两根跟毛皮摩擦后的琥珀棒或两根跟丝绸摩擦过的玻璃棒悬挂起来,当两根同种棒彼此靠近时,它们相互排斥,但琥珀棒与玻璃棒则会互相吸引;如果使其接触,二者都失去电性。于是杜菲认识到电有两种:“琥珀电”和“玻璃电”;同种电相斥,异种电相吸。美国学者富兰克林干脆把这两种电叫“正电”和“负电”,他认为,电是一种流质;摩擦琥珀时,电从琥珀流出使它带负电;摩擦玻璃时,电流入玻璃,使它带正电;两者接触时,电从正流向负,直到中性平衡为止。 富兰克林还揭露了雷电的秘密。他冒着生命危险,把“天电”吸引到莱顿瓶中,令人信服地证明了“天电”与“地电”完全相同。接着他发明了避雷针,这是人类用已有的电学知识征服自然所迈出的第一步。用电的科学取代了对上帝的部分迷信,也推动了人们对电的研究和探索。 1785年,法国物理学家库仑用他发明的扭秤,通过实验研究,确立了电荷之间的作用规律──库仑定律。从此,人们对电现象的研究从定性走上了定量的道路。但要深入探讨电的本质,则须有大的电源。 18世纪后期,意大利物理学家伏打发明了电池。伏打把银片、锌片和用盐水浸泡过的硬纸板按一定顺序叠起来,组成一根柱体,称为“伏打电堆”。当用导线连接电堆两端的导体时,导线中产生持续的电流。此后,各种化学电源相继出现。在使用伏打电池过程中,还发现了新的现象,如英国人尼科尔松发现,用锌板和铜板制成的伏打电池,在使用过程中锌板上出现氧气,铜板上出现氢气。伟大的物理学家法拉第,通过实验发现了电解定律。在这以前,法拉第还通过实验发现了电磁感应现象,确立了电磁感应定律,为电能的开发和利用开拓出一条崭新的途径。 1862年,韦伯首次以带电粒子的移动解释电流现象,使“静电”与“动电”的本质统一起来了。1871年为了解释安培的分子电流假说,韦伯又提出“带正电的粒子围绕负电中心旋转”,这使认识电的物质基础的范围已缩小到原子内部。 化学电源出现之后,人们可能获得比较稳定而持续的电流,并且可以控制电压的高低、电流的强弱。这为进一步研究电流本身的规律,以及电流与其他各种物理现象之间的联系。提供了优越的条件。1820年奥斯特发现了电流的磁效应。 就在奥斯特发现电流的磁效应不久,不同类型的检流计相继研制出来了,为欧姆发现电流定律做好了物质准备。在1826年,欧姆受傅立叶的热传导理论的启发,在实验的基础上,确立了电流定律。到1848年基尔霍夫从能量的角度出发,分析并澄清了电位差、电动势、电场强度等概念,把欧姆的理论与静电的一些概念协调起来,在此基础上基尔霍夫解决了分支电路问题,建立了基尔霍夫第一、第二定律。 在奥斯特发现电流的磁效应的同一年里,安培发现了载流平行导线间存在着相互作用力;还发现了电流使磁针方向偏转的规律──安培定则。电与磁间的联系在不断地深化和发展。在法拉第发现电磁感应现象后不久,楞次独立地宣布了自己的发现,他明确地指出了感应电流方向所遵循的规律,后来把这一规律称为楞次定律。 但对电的本质的进一步认识,还是在研究稀薄气体放电现象中得到的。19世纪初,人们在封入稀薄空气的玻璃管两端,加上几百伏以上的电压,观察到放电现象。但由于高真空技术不成熟,研究工作进展不大,直到1855年德国玻璃工人盖斯勒发明了水银空气泵,才创制出真空度较高的盖斯勒发光管。1859年德国学者普留卡用盖斯勒管做实验时,发现在阳极方面的玻璃上出现了荧光,当时他猜想可能有一种神奇的东西从阳极发出来,打在管壁上。这种东西受磁场作用,路径会发生弯曲。后来,他的学生希特洛夫在两个电极中间放个小物体,发现盖斯勒管放电时,在阳极方面的玻璃上呈现出这个物体的阴影。1876年科学界确认了这项发现,称阴极发出的东西为“阴极射线”。 英国物理学家约翰·汤姆生经过大量实验后,确认“阴极射线”是带负电的,并测量出射线中粒子的荷质比。实验表明,不论射线管中充以何种气体,电极用哪种金属材料制成,所得射线中粒子的荷质比都相同。由此汤姆生认为阴极射线中带负电的粒子存在于任何元素之中,是一切物质中共有的粒子,并把这种粒子称为“电子”。1909年美国物理学家密立根用油滴实验,测得电子的电荷值为1.6×10-19库仑,证实了汤姆生关于电子性质的预言。 电的应用现在遍及各个方面,并在蓬勃发展着,但对电的认识还在不断深化,现在人们又在寻找比电子电荷更小的分数电荷,为电的发展历史谱写新的篇章。

  这时候在射线管外面又加上一个磁场,这个磁场能使阴极射线向相反的方向偏转。调节电场和磁场的强度可以使它们对阴极射线的作用正好相互抵消,结果阴极射线不发生偏转。

  “我一生中最伟大的发现,是法拉第。”

  法拉第不仅在电磁学方面取得了杰出的成就,在化学方面也有很多重要的贡献:他发现了两种新的氯化碳,创制了光学玻璃的新品种,研究了合金钢的性能,还发现了苯,对有机化学的产生和发展起了很大的推动作用。

  远在2500多年前,古希腊有一个叫塞利斯的人发现,用毛皮去摩擦琥珀

  但是,奥斯特却一直坚信电、磁、光、热等现象存在着内在的联系。特别是当富兰克林发现莱顿瓶放电能使钢针磁化以后,奥斯特更坚定了自己的观点,他认为:电可以转化为磁是不成问题的,关键问题在于要寻找转化的条件。1811年,奥斯特在《对新发现的化学自然定律的看法》一文中,提出用电流实验来弄清楚潜在状态下的电是否对磁具有什么作用。第二年,在这本书的修订本 《对化学力和电力的同一性》一文中,奥斯特进一步论述了电流与磁的关系,并进行了实验,但仍未能发现电对磁的作用。

  1819年冬至1820年春,奥斯特在哥本哈根开办了一个讲座,专门讲授电、电流及磁方面的知识,讲座吸引了许多物理知识的爱好者。

  1911年,卢瑟福提出原子的核式结构学说,像一把金钥匙打开了原子秘宫的大门。第二年,丹麦青年物理学家玻尔来到英国学习。在卢瑟福的指导下,玻尔如饥似渴地汲取着新知识,通过学习和研究,他发现卢瑟福的“小太阳系”的原子模型还有缺陷。可是,玻尔不敢向卢瑟福提出自己的见解,怕老师生气。

  回国后,法拉第立即投入了紧张的科研工作。当时皇家学院被公认为是

  要知道,汤姆生的实验装置实际上就是电视显像管的前身。尽管电视显像管十分复杂,但基本原理却是一样的。在今天,你可以在放映电视的时候作一下汤姆生的实验,只要拿一块磁铁放在显像管旁边,就会看到电视的映像变了形状。这是因为磁场对显像管中的电子束起了偏转作用。

  伏打虽然发明了电池装置,但并不了解这种装置的道理。戴维阐明了这种装置的道理,指出这类电池的电流来自化学作用。但不管怎样,伏打的发明使人们第一次获得了可以人为控制的持续电流,为今后电流现象的研究提供了物质基础。伏打本人由于这项贡献,被许多国家的科学院选为院士,据说1801年法国的拿破仑曾亲临现场观看了伏打的实验表演,并授予他一枚特制的金质奖章,以表彰他发现电流的贡献。

  古希腊的一位科学家亚里士多德在所著的《动物志》一书中曾描述过一种能够放电击毙小动物的电鳐。18世纪中叶有人把这种鱼带到英国,引起当时生物学家很大的兴趣,当人用手去碰这种鱼的头部或身体的下部时,便会感到猛烈的一击 (即电击),于是人们就想起了刚刚发明不久的莱顿瓶,它就像这种鱼一样,只要用导线把瓶内外的银箔连接起来,就可以放电、引起电击。此后,这种电击来自放电,便没有人怀疑了。尽管18世纪初,人们已经发明了验电器,可以判断一个物体是否带电,但在当时人们仍往往用自己的身体去检验电是否存在,甚至有不少人以能受一次电击为荣。

  在加拿大工作期间,卢瑟福研究了天然放射性现象,并取得了巨大成就。1899年,他发现铀放射出来的射线是多种多样的。他让这些射线垂直于磁感应强度的方向通过磁场,根据射线被磁场偏折的程度,他判断出有一种射线是带正电荷的,另一种射线是带负电荷的,第三种射线根本不带电。卢瑟福用希腊文的头三个字母给这三种射线命名,分别称为α射线、β射线和γ射线。后来,他进一步研究提出,带正电的α射线就是氦原子核,带负电的β射线就是高速电子流。

  在曼彻斯特大学工作期间,卢瑟福最大的科学成就之一是提出了原子的核式结构学说。事情是这样的,汤姆生发现电子的事实,使人们打破了原子是不可分割的物质最小单位的概念。既然电子是从原子里出来的,那么除电子之外,原子里还有什么东西呢?电子在原子里又是怎样分布的呢?为了说明原子的结构,汤姆生提出了一个原子模型。他认为,既然原子从整体上看是中性的,而电子是带负电荷的,所以原子里必定有等量的正电荷存在。为了说明原子的稳定性,他假设电子均匀地分布在原子内的正电荷中,并在平衡位置附近振动。人们俗称汤姆生的原子模型为“葡萄干蛋糕模型”。当时,许多人认为汤姆生的模型已经成功地解决了原子结构的问题。而卢瑟福则认为,要了解原子里面有什么东西,最好是用“炮弹”打到原子里面去试探一下。他所选用的“炮弹”就是α粒子。1909年,卢瑟福的助手盖革和马斯顿进行了著名的“α粒子散射实验”。他们用α粒子去轰击很薄的金箔做的靶子,并通过荧光屏记数来观测穿过金箔的α粒子被金原子散射的情况。实验表明,绝大多数α粒子笔直地穿过金箔,有少数α粒子发生了偏折,只有极少数α粒子发生了大角度的偏折,甚至被反弹回来。如果根据汤姆生的模型来计算,根本不可能出现向后反弹的α粒子。事后卢瑟福回忆道:“在我的一生中,那是一件最难以置信的事。这就像你发射了一颗38厘米口径的炮弹射向一张薄薄的卫生纸时,却被那张纸弹回来而打在你身上一样不可置信。”但是,实验事实是毋容置疑的。始终把实验看得高于一切的卢瑟福认为,汤姆生的模型与实验事实不相符。于是,在1911年,他提出了“小太阳系”的原子模型:“原子的中心有一个核心,叫做原子核。电子围绕原子核在不停地旋转,原子质量的绝大部分以及原子内的全部正电荷都集中在原子核上。”卢瑟福根据“α粒子散射实验”发现了原子核,这件事具有重大科学意义。他因为开创了原子核物理学这一新领域,被人们尊称为原子核物理学之父。

  1800年春季,即19世纪第一个年头的春天,有关电流起因的争论有了进一步的突破。怎么会引起这种突破呢?这又要从伏打说起,伏打在他自己看法的指导下发明了著名的“伏打电池”。这种电池是由一系列圆形锌片和银片相互交迭而成的装置,在每一对银片和锌片之间,用一种在盐水或其他导电溶液中浸过的纸板隔开。银片和锌片是两种不同的金属,盐水或其他导电溶液作为电解液,它们构成了电流回路。现在看来,这只是一种比较原始的电池,是由很多锌电池连接而成为电池组。但在当时的历史时期,伏打能发明这种电池确实是很不容易的。

  40年后,这件事传到了科学家鲍尔那里,他觉得泰勒发现的现象有进一步探索的价值。他反复地做了许多实验,但是都不成功。后来,鲍尔设法把溴化钾镀在石英上,在石英表面形成一个薄膜。当他对薄膜上的反射光和透射光进分析以后发现,反射光中失去了某些波长的光,而这些光正是透射光中所多出来的;而透射光中所缺少的成分,正是反射光中所多出来的。这个发现使鲍尔非常高兴,因为他找到了污膜之谜的答案了。

  人们用梳子梳理干燥的头发时,常常令听到劈劈啪啪的响声,如果是在黑暗中,还会看到一些细小的火花。你也许不会想到,这些小小的火花却和天上耀眼的闪电是亲姐妹;那种勉强才能听见的劈啪声,却和隆隆的雷声是亲戚。如果这时将梳子放到一撮小纸屑的旁边,小纸屑就会被梳子吸起来。这种现象在我们日常生活中都会碰到,在很多年前,就已为古代的人们所发现。

  宇宙射线的发现

  有了电子这个武器,并且从别的实验知道,当一个原子剃掉了其电子时,剩余物是一个质量很大并带正电的东西,汤姆生在下一个10年里着手研究一种原子模型,后来被称为“葡萄干布丁”模型。汤姆生的原子,“若干带负电的粒子包含在一个带均匀正电的球内”,像葡萄干在布丁里,它是一个混合体,包括粒子形的电子和弥漫着的其他物质。这个模型的有益之处是可以用数学方法证明电子在原子内能排列成稳定的结构,而这种数学上的稳定安排可以说明化学元素的相似性和规律性,如同元素周期表所显示出来的那样。开始了解到元素间的化学亲合力是电子造成的,化学最终是电作用。

  然而,法拉第在成绩面前毫不骄傲,继续大踏步地勇往直前,继续探索科学的奥秘,取得了累累硕果;发现了电解定律和电荷的不连续性;最早进行电介质的性质和气体放电形式的研究,发现了顺磁性和抗磁性,磁的各向异性;他发现了光偏振面在磁场中的转动;把基本物理概念之一——磁场概念引入科学;创立了用低温与高压相结合的方法使气体液化的工艺;发明了电压电流表、电动机、直流发电机、变压器等等。俄国著名物理学家斯托列托夫赞誉道:“在伽利略之后,人类再没有看到像法拉第那样能作出如此惊人和多样发现的人,也未必能很快看到另一个法拉第。”伟大的恩格斯也给予法拉第很高的评价,称他是“最伟大的电学家。”

  其实,这一现象早在1802年就曾被意大利法学家罗曼诺西发现,但未引起人们的注意。演讲一结束,奥斯特立即回到自己的实验室,开始对这种现象进行深入细致的研究。从1820年4月起,一直到7月,奥斯特整整耗费了3个月的时间,做了60多个实验。奥斯特分别将磁针放在导线的上方和下方,考察电流对磁针作用的方向。他先将导线的一端和伏打电池连接,然后把导线沿南北方向平行地放在小磁针的上方,当导线的另一端接通伏打电池的负极时,小磁针立即指向东西方向;如果将导线放在磁针的下方,小磁针就向相反的方向偏转。奥斯特还把磁针放在距导线远近不同的距离处,检验电流对磁针作用的强弱;他把玻璃板、木板或石块等非磁性物体放在导线和磁针之间,考察电流对磁针的影响,甚至把小磁针浸在盛水的铜盆中,小磁针都照样偏转。如果导线沿东西方向放置,无论将导线放在磁针的上方,还是下方,磁针始终保持静止,丝毫没有偏转现象。

  1912年,奥地利科学家赫斯通过实验发现了宇宙射线。他的这一发现,不仅解决了困惑物理学界100多年的难题,而且开辟了基本粒子研究的新领域,因此有极其深刻的历史意义。由于这一重大发现,1936年赫斯获得诺贝尔物理奖。

  奥斯特与电、磁

  那么,最早开始电流研究的是哪一位科学家呢?意大利的解剖学教授伽伐尼 (1737~1798)被人们认为是最早开始电流研究的人。据记载,伽伐尼的发现是一次偶然性的发现。1780年的一次极为普通的闪电现象,引起了他的思考。这次闪电使伽伐尼解剖室内桌子上与钳子和镊子环接触的一只青蛙腿发生痉挛现象。严谨的科学态度使他没有放弃对这个“偶然”的奇怪现象的研究,他花费了整整12年的时间,研究像青蛙腿这种肌肉运动中的电气作用。最后,他发现如果使神经和肌肉同两种不同的金属 (例如铜丝和铁丝)接触,青蛙腿就会发生痉挛。这种现象是在一种电流回路中产生的现象。在这里,蛙腿的肌肉是导体回路的一部分,肌肉和两种不同的金属丝构成了世界上第一个电流回路。肌肉的痉挛表明有电流通过,起到了电流指示器的作用。根据这种现象,他还制成了“伽伐尼电池”。但是,伽伐尼对这种电流现象的产生原因仍然未能回答,他认为蛙腿的痉挛现象是“动物电”的表现,由金属丝构成的回路只是一个放电回路。

  而且自由跑掉了,

  这就说明了一个非常重要的问题:不管阴极的射线是由由电极产生的还是由管内气体产生的,结果都一佯。也就是说,在各种物质中都有一种质量约为氢原子质量的1/2000的带阴电的粒子。这个实验是1897年10月完成的。

  人们通过实验和理论研究发现,透镜的每一个反射表面,至少把大约4%的直射光反射回去,一块透镜有两个表面,那么光线通过透镜时,至少有8%的光被反射回去而损失掉。在现代的光学仪器中,如摄影机、电影机等,一个镜头要由几片甚至十几片透镜组成,这样由于光线的反射造成的总损失就大多了。例如潜水艇使用的潜望镜,是用20多个棱镜组成的,共有40多个反射面,若每个反射面至少有4%的反射损失,再加上一些其他的吸收损失,最后进入观察者眼睛里的光只有原来的10%左右了。由于透过光少得可怜,观察者通过潜望镜看到外界物体的像既暗又不清晰。照相机镜头也是由几个透镜组成的,每个透镜表面的反射光会在各个反射面上来回反射,产生害处很大的杂散光。这些杂散光造成感光片上出现阴影、杂影光斑和双像,使成像的质量大大降低了。

  在讲课过程中,奥斯特突然想到一个问题:过去许多科学家在电流方向上寻找电流对磁体的效应都没有获得成功,很可能电流对磁体的作用不是

  我们知道,太阳光照射到雪地上,会产生强烈的漫反射。反射光中的紫外线可以伤害人的眼睛,强烈的绿光对眼睛的伤害也很大,它们使人头晕目眩,甚至使人双目失明,这就是所谓的“雪盲”。用什么办法来预防“雪盲”呢?人们在眼镜表面镀一层氟化镁的薄膜,当薄膜的厚度恰好等于绿光在薄膜中波长的 1/2时,则绿光在薄膜两个表面上的反射光路程差等于一个波长,因而产生的干涉加强,增大了绿光的反射损失,减少了透射光的强度。眼镜上这层干涉滤光膜就像忠诚的门卫,把伤害眼睛的光拒之门外,保卫着眼睛的安全!

  电磁感应现象

  人们对宇宙射线的研究已有80多年的历史,但远未终结。到目前为止,我们对宇宙射线的来源还不清楚。著名物理学家海森堡曾经说过:

  1791年9月22日,法拉第出生在英国伦敦郊区的一个普通的铁匠家庭。父亲由于劳累成疾,经常停工,所以家境贫寒,全家的生活常常靠慈善机构的救济来勉强维持,有时甚至一个星期,法拉第只能吃到一个面包。法拉第后来回忆说:他的重年是在饥饿和寒冷中度过的。所以法拉第一生中几乎没有受过什么正规的学校教育。

  此后,观看电的实验成为人们的一种娱乐。在欧洲几乎每一个国家都有一大批人以进行这种带电的实验和表演这些实验让人们观赏,赚钱谋生。1745年,普鲁士 (德国的前身)的一位副主教克莱斯特做了一个很有趣的实验。他利用一根导线将摩擦起电装置上的电引向装有铁钉的玻璃瓶,使瓶子充电,当他的手触及铁钉时,突然感到猛烈的一击。这是一次放电现象,铁钉上聚集的电穿过人体 (人体就是一种导体),使人感受到强烈的电的震动。1746年,荷兰人莱顿在上述实验的启发下做成了莱顿瓶。

  这份新的工作,对法拉第来说,犹如上帝送给他的圣诞礼物。现在,法拉第总算有了机会,不但可以看到书刊的外壳,更令他兴奋的是可以熟悉书刊的内容了。法拉第很快就学会了装订书籍的手艺,而且装订得又快又好。

  法拉第用一根长为220英尺的铜丝绕在一个圆筒上,线圈的两端连着一个电流计。当他用一根磁铁插入或抽出线圈时,电流计就会发生偏转;如果磁铁在线圈中不动时,电流计就不动。于是他得出结论:只有磁铁在线圈中运动时才能产生电流,他把这个发现称作电磁感应现象,这种电流叫作感应电流。后来,法拉第又改变了实验方法,他把线圈放在磁铁的两极之间,当线圈不断旋转时,线圈中就能产生持续不断的电流。这一重大发现,为制造发电机奠定了基础。

  卢瑟福听完玻尔的意见,他耸了耸肩膀,高兴地说:“你对原子结构模型作了重大发展,立了一功。”接着,他热情地指导玻尔进行深入的研究,并嘱咐玻尔赶快把研究成果写成论文交给他。

  奥斯特的兴趣广泛,学问深博,不仅酷爱物理和化学,而且对天文、哲学、文学等也颇有研究。他是康德哲学的信奉者,并和当时世界著名童话作家安徒生交往甚密。为了进一步扩大自己的知识领域,奥斯特于 1801年至1804年,先后去德国、法国等地继续学习深造,在那里结交了许多著名科学家。1804年,奥斯特带着从国外学到的丰富而坚实的基础知识,回到了祖国。

  从1821年到1831年,法拉第整整耗费了10年时间,从设想到实验,漫长的岁月,失败的痛苦,生活的艰辛,法拉第饱尝了各种辛酸,经过无数次反复的研究实验,终于发现了电磁感应现象,于 1831年确定了电磁感应的基本定律,取得了磁感应生电的重大突破。

  英国剑桥大学有个卡文迪许实验室,是为了纪念1810年去世的著名科学家卡文迪许而建立的,它创建于1874年。第一任实验室主任就是伟大的物理学家麦克斯韦,他创建了电磁理论,并指出光是电磁波。第二任主任是瑞利,他和拉姆赛一起发现了空气中的惰性气体。1884年,汤姆生作了第三任实验室主任,在获悉伦琴、贝克勒尔等人的发现后他立即着手研究阴极射线。

  卡文迪许实验室有各种精密的物理学仪器,有研究电磁学的光荣传统。汤姆生在研究了普吕克、希托夫、古德斯坦以及克鲁克斯的工作以后,他想:既然阴极射线是带电的粒子,又能够被磁场和电场偏转,那么就可以利用这个特点来测定阴极射线的速度、质量和电荷。

  富兰克林的这个实验,不仅在美国有很大的影响,而且影响到世界其他国家。1753年,俄国科学家里希曼在屋顶上装了一根导线通到实验室,想用验电器来观察雷电现象。那时正逢雷雨交加,一个火球从上面传了下来,结果里希曼遭雷击而死亡。因此,富兰克林的风筝实验的影响,足以使每个电学家避免这种无谓的牺牲。

  法拉第实现了“把磁转变为电”的理想后,并不满足,再接再励,提出了一系列新的研究课题,接二连三地作出了许多新的重要的发现:他发现了电解定律;发现了自感现象;发现了磁光效应;发现了物质的抗磁性等等。法拉第成为近代电磁学的奠基人。

  汤姆生设计了一个阴极射线管,在管子一端装上阴极和阳极,在阳极上开了一条细缝,这样一来,通电后阴极射出的阴极射线就穿过阳极的细缝成为细细的一束,一直射到玻璃管的另一端。这一端的管壁上涂有荧光物质,或者装上照相底片。

  “你早晨也工作吗?”

  “我也在工作。”

  在赫斯实验之后,柯尔霍斯特为了证实赫斯的结论,在1913年和1914年又进行了多次高空探测,气球上升高度达到9300米,探测仪器更精密,测量结果也更准确。探测结果给赫斯的结论以强有力的实验支持。

  法拉第身上罕有的魅力,就是他一生致力于科学研究事业,从不贪图任何荣誉。他先后辞掉了伦敦皇家学会会长和皇家研究院院长等职务;谢绝了伦敦大学教授和其他大学欲授予他的名誉学位,也不肯接受要加封给他的爵位。他成名之后,世界各国赠给他的各种学位头衔多达94个,他把所有的荣誉证书和奖章都收藏起来,连最亲近的朋友都未见过。他对朋友说:“我从来没有为追求这些荣誉而工作。”他喜爱科学研究工作胜于各种荣誉,他曾说:“自然哲学家应当是这样一种人:他愿意倾听每一种意见,却下决心要自己作出判断。他应当不被表面现象所迷惑,不对每一种假设有偏爱,不属于任何学派,在学术上不盲从大师。他应该重事不重人。真理应当是他的首要目标。如果有了这些品质,再加上勤勉,那么他确实可以有希望走进自然的圣殿。”这正是法拉第一生为人类科学事业作出如此巨大贡献的真实写照。

  1812年初秋的一天,一位常来书店的皇家学会会员亚当斯先生知道法拉第很喜欢化学和物理,便送给他4张皇家学院科学演讲会的入场券。主讲人是皇家学会会长、皇家学院的化学教授戴维,他是电化学的创始人之一,他主讲的内容是关于电学的研究。法拉第怀着极大的兴趣聆听了戴维的演讲,并做了详尽细致的听讲记录。法拉第被深深打动了,他决心寻找自己的科学之路。

  关于电,从18世纪以来,许多科学家都在研究。他们认为电也有一种最小的粒子,并且起名叫做电子。如今,汤姆生真的发现了这个电的小微粒——电子。

  这期间,法拉第爱上了一位年轻女郎——撒拉·巴纳德。尽管早年法拉第曾经在笔记本上写过一段讽刺爱情的话:“什么是爱情?除当事人而外,它是每一个人都讨厌的东西。”但是,现在法拉第完全不同了,他开始一个劲地向撒拉表示爱慕之情,甚至惹起她的讨厌也在所不顾。撒拉·巴纳德在法拉第给她的书面求婚书上写了几个字:“爱情使哲学家成了糊涂虫。”哲学家用他献身科学的锲而不舍的精神,坚持自己的“糊涂举动”,丘比特的爱情之箭终于射中了巴纳德小姐的芳心。1821年,他们结为伉俪,虽然婚后没有子女,但是两人恩爱无间,白头偕老。后来,法拉第非常满意地说:“结婚比任何其他事件更强烈地促进了我的尘世的幸福和健全的思维能力。……,除了变得更加亲密和炽热之外,再没有发生任何变化。”的确,法拉第的妻子非常贤惠,在几乎长达半个世纪的时间里,撒拉无微不至地照顾着法拉第,让她的丈夫毫无牵挂地在科学领域里自由翱翔。

  “赫斯辐射”,后来密立根把它命名为“宇宙射线”,意即来自地球之外的宇宙空间的高能粒子流,简称“宇宙线”。

  玻尔听了老师热情鼓励的话语,惶惶然的心情才平静下来,他把自己的见解一古脑儿地全部说了出来:“我认为电子可能处在原子核外几种稳定的轨道当中,每种轨道相当于一定的能级。当电子运动状态发生变化时,它从一个轨道跳跃到另一个轨道,这个能级的变化就表现为辐射或吸收一定能量的光……”

  他经常对学生说:“不要死记硬背,也不要满足于实验,而要学会思考。只有勤于和善于思考的人,才能获得知识,取得成就。”

  在麦克吉尔大学工作期间,卢瑟福还发现了新的放射性元素钍。1902年,他发现放射性元素在放出射线以后,其放射性强度会逐渐减弱,最后变成另一种元素。在实验的基础上,他提出了放射性元素的衰变理论。因此,在1908年,卢瑟福获得了诺贝尔化学奖。他对自己不是获得物理奖而是获得化学奖而感到意外,他在得奖演说中风趣地说:“我竟摇身一变,变成一位化学家了。”并幽默地说:“我现在从一个物理学家向一个化学家的变化是我到目前为止所见到的最快的变化。”

  “最高深的科学研究和最佳、最专门化的科学讲演之家”。法拉第经常参加皇家学院的讲习会,有时也充当一个临时性的讲师。他的一个朋友描绘了一幅粗略,却颇为生动的法拉第立在讲坛上的画像:

  1821年,法拉第担任皇家学院实验室总监和代理实验室主任,后来被推选为皇家学会会员,1825年接替戴维任实验室主任。从1821年起,法拉第开始进行电和磁的研究。1821年10月21日,他发表了第一篇电磁学论文《论某些新的电磁运动兼磁学理论》。法拉第根据自己做的大量实验,确信电和磁就像铜币的图案和字样一样,是同一事物的两个方面,既然电流可以产生磁,那么为什么磁不能产生电流呢?法拉第在日记中写下了一个崭新的研究课题:“把磁转变成电”。

  1936年,赫斯在获得诺贝尔物理奖时,他说:“1912年,我曾利用气球升到高空进行探测,密闭容器中的电离是随地面高度的增大而减小,即地球中的放射性物质的影响减小了。但是在高于1000米时,电离达到地面观测值的数倍。当时我得出结论说,这种电离可能是由于迄今还不知道的穿透能力很强的辐射从外部空间进入地球大气引起的。”这种未知的辐射最初被称为

  赫斯在前人研究的基础上,吸取他们的经验教训。一方面改进了探测仪器,用密闭的电离室代替静电计;另一方面准备乘气球进入高空测量大气的漏电率。当时,由于缺乏遥测技术,必须由实验者携带探测仪器,乘气球一同升入高空,所以有一定危险性。

  阴极射线实际就是高速的电子流。后来人们又发现,炽热的电灯丝也会发射电子,光照在某些物质上也会发出电子,电子在各种物质中都有,它是原子的组成部分。后来人们更精密地测定了电子的质量,它是氢原子质量的1/1837。

  1871年8月30日,恩内斯特·卢瑟福出生在新西兰的纳尔逊市附近的一个小村子里。父亲是个小农场主,是英国移民的后裔,家里有12个孩子。父母亲省吃俭用送他上学,由于卢瑟福学习刻苦,成绩优秀,总是名列前茅,因此他一直获得了奖学金。1892年他从新西兰大学毕业。这段艰苦求学的经历培养了卢瑟福一种认准了目标就百折不挠勇往直前的精神!

  奥斯特的重大发现,揭示了电与磁之间的联系,为以后法拉第发现电磁感应定律,麦克斯韦建立统一的电磁场理论奠定了基础。法拉第后来在评价奥斯特的发现时说:它猛然打开了一个科学领域的大门,那里过去是一片漆黑,如今充满了光明。

  汤姆生作了许多实验。他用金、银、铜、镍等各种金属作阴极,他测量了不同阴极上射出的带电粒子,发现它们的电荷和质量的比值都是一样的。他又把不同的气体:氢气、氧气、氮气……充到管内,阴极上射出的带电粒子的电荷和质量的比值还是一样的。

  公元1600年,英国医生吉尔伯特(1544~1603)发现用摩擦的方法不但可以使琥珀具有吸引轻小物体的性质,而且还可以使不少别的物体如玻璃棒、硫磺、瓷、松香等具有吸引轻小物体的性质。他把这种吸引力称为“电力”。

  和法拉第同时代的法国著名作家大仲马高度评价法拉第说:“我不知道是否会有一位科学家,能够像法拉第那样,留下许多令人惬意的成就,当作赠与后辈的遗产而不自满……,他的为人异常质朴,爱慕真理异常热烈;对于各项成就,满怀敬意;别人有所发现,力表钦羡;自己有所得,却十分谦逊;不依赖别人,一往直前的美德。所有这些融合起来,就使这位伟大的物理学家的高尚人格,添上一种罕有的魅力。”

  “电流”到底是什么?“电”和“电流”又是怎样发现的?

  法拉第的科学造诣,已经达到了绝大多数人认为的世界科学成就的最高峰。英国皇家学院院长廷德尔教授特地请法拉第担任英国皇家学会会长的职务。可是,这位“当代最优秀的科学家”,却拒绝了这个荣誉职位。法拉第说:“廷德尔,我决心一辈子当一个平凡的迈克尔·法拉第。”

  1831年秋季的一天,和风吹过,天气已经开始转凉,法拉第还是穿着那件旧外套,埋头在实验室里紧张地工作着。他复查了全部实验记录,逐件仔细检查了实验器具,连一根小导线都不放过,并对设计思路和实验方法也进行了全面的反省。法拉第慎重地开始了又一次实验。

  法拉第一生取得了如此辉煌的成就,但他从不倨功自傲。他在发现电磁感应现象之后,写信给他的朋友菲利浦斯说:“我正再忙于研究电磁学。我想,我捞到了一点好东西。可是没有把握,或许我花费了那么多劳动,捞到的不是一条鱼,而是一团水草。”其实,何止是一条鱼,这不仅是19世纪最伟大的发现之一,也是整个科学史上的最伟大发现之一。法拉第是多么的谦虚,多么的谨慎啊!

  富兰克林的第一个重大贡献,就是发现了“电流”。他在1747年给朋友的一封信中提出关于电的“单流说”。他认为电是一种没有重量的流体,存在于所有的物体之中。如果一个物体得到了比它正常的份量更多的电,它就被称之为带正电 (或“阳电”);如果一个物体少于它正常份量的电,它就被称之为带负电(或“阴电”)。根据富兰克林的说法,经常移动的是正电。所谓放电就是正电流向负电的过程。富兰克林的这个说法,在当时确实能够比较圆满地解释一些电的现象,但对于电的本质的认识与我们现在的看法却相反。现在的看法认为:两个物体互相摩擦的时候,容易移动的恰恰是带负电的电子,如果它们是导体,由于人本身也是导体,过剩的电子或短缺的电子很容易从导体 (人体)传到地下或得到补偿,因而摩擦后不显电性。如果互相摩擦的物体都是绝缘体 (即不导电的物体),经过摩擦,电子从一方移向另一方,于是双方就都带电了,一方带正电,一方带负电,二者电性相反,电量相同。

  由于奥斯特在物理和化学的多个领域都做出了杰出的贡献,特别是电流磁效应的发现,使他名声大振。1821年,奥斯特被选为伦敦皇家学会会员,1823年又当选为法国科学院院士。同时,他还是其他一些科学院和学会的会员。

  1911年,赫斯带着改进的仪器,进行首次高空探测。当气球升到 1070米时,赫斯测得大气的漏电率,与地面上基本相同。因而他初步断定,在高空中已经排除了地面放射性的影响,那么引起空气漏电的原因必然在地面以外。从而更加坚定了他进行高空探测的信心。1912年,赫斯又进行了7次高空探测。尤其是最后一次,为了让气球升得更高,给气球充以氢气,使实际上升的高度达到5350米。探测结果表明,在1500米以下,大气的漏电率与地面基本相同,随着高度的增加,大气的漏电率明显增大。这一发现意义非同寻常,因为它说明地球之外确实存在着辐射源,这种辐射源放射出贯穿本领很强的射线,它能到达大气层的下面使密闭的验电器导电,这就是地面上空气漏电的真正原因。

  当时,法拉第每星期的收入仅有30先令,但是他从不在乎名和利,全心身地勤奋学习和工作,功夫不负有心人,1816年,25岁的法拉第在《科学季刊》上发表了《多斯加尼本生石灰的分析》一文,这是他的第一篇化学论文。随后两年中,法拉第先后发表了17篇化学分析方面的论文。其中一篇关于火焰的论文,大胆地指出当时理论中存在的一些谬误,法拉第研究氯气和其他气体凝结过程的成就引起了伦敦科学界的注意。法拉第终于靠刻苦自学,勤勉工作成长为一名年轻有为的科学家。

  1851年3月9日,奥斯特病逝于哥本哈根,终年74岁。臭斯特是一位谦虚谨慎,坚韧不拔追求真理的探索者,他曾经说:他唯一的追求就是从研究中得到满足。

  在人们的生产劳动和日常生活中,每天都离不开“电”。夜间,电流通过电灯,发出明亮的光,照亮了千家万户,照耀着城乡大地;人们坐在电视机前,欣赏着精彩的文艺演出,观看激动人心的体育比赛;在钢铁厂、石化厂、自来水厂等各种工厂里,是电流使各种机器开动,生产着各种钢铁、化工产品和饮用水、纺织品等人们必需的产品;微机、电冰箱、空调机、微波炉等和人们生活关系密切的电器,皆离不开“电”;地铁、电车满载着乘客,行驶在城市的各条道路上……。

  吉尔伯特是当时英国女王伊丽莎白一世的御医,也是一位有代表性的科学家。他受过医学教育,后定居伦敦,于1573年开始做医生,为病人治病。由于他的医术比较高明,被召进皇宫,于1601年做了英国女王伊丽莎白一世的保健医生。女王逝世后,他又被任命为詹姆斯一世国王的医生。在他行医期间,他又去从事物理学方面的研究。他做了多年的实验,发现了“电力”,

  完成这一重大发现的任务就落到赫斯的肩上。赫斯1883年生于奥地利,父亲是林业工人。他于1910年在格拉茨大学获得博士学位。

  为真理而耕耘,不为名利而卖力。”

  1907年,卢瑟福回到英国,应聘担任了曼彻斯特大学的物理学教授。他以赶超剑桥大学卡文迪许实验室为自己的奋斗目标,以充沛的精力和惊动全世界的科学成就,使曼彻斯特大学第一次成为全世界的科学中心之一。

  “电吸引”等许多现象,并最先使用了“电力”、“电吸引”等专用术语,因此许多人称他是电学研究之父。他的主要著作《论磁石、磁体和地球大磁石》全面论述了对磁体和电吸引的全部研究工作。

  1806年,奥斯特受母校的聘请,担任哥本哈根大学物理、化学教授。他开始积极从事电流和声学的研究。经过奥斯特坚持不懈的努力,终于发现了电流的磁效应,为电磁场理论的建立做出了重大的贡献。

  原子到底是什么?它是否确实存在?自从古希腊唯物主义哲学家德漠克利特最早提出这个概念以来,一直是物理学家争论不休的问题。伊萨克·牛顿设想原子为某种微小台球的东西,目的为了说明他的由运动中的质量组成机械宇宙。他在1704年写道:“在我看来,可能是上帝最初把物质造成紧密、有质量、坚硬、不可分的活动粒子,其大小、形状和其他性质,以及它们对空间的比例都最符合于制造它们的目的。”量子论的创始人马克斯·普朗克则根本怀疑原子的存在。牛津大学名誉校长,出任过三次英国首相,四次外相的索尔兹伯里侯爵(1830~1903)1894年还说道:“每种元素的原子是什么,是不是一种运动,或一件东西,或一个旋涡,或一个具有惰性的点,它的可分是否有限度,如果有,限度是怎样造成的,元素的长串名单是否是最后的,它们之中的一些是否有共同的起源,所有这些问题都一直像过去那样深深地笼罩在黑暗之中”。然而这一切,随着X射线和放射性的发现,原子的秘密即将揭开,20世纪上半叶,基本科学的巨大惊人事件将在物理学中发生。

  卡皮查解释说:“鳄鱼象征着科学。鳄鱼是一种从不向后看的动物,像科学一样,它张开吞食一切的大口,不断前进。”接着补充道:“鳄鱼代表一家之父,极为关心后代……”他请艺术家雕塑鳄鱼的像,是为了充分体现卢瑟福在科学研究上勇往直前的坚强性格和呕心沥血关心后辈的精神。

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