Category Archives: 電的旅程

「第六章：電子真面目」

＜穿透性的X光 ( 3 )＞……(續上)

在真空電子的研究過程中，湯姆森證實了電流的基本組成是帶負電的電子，就像水流中最基本的組成是水的分子一樣。在應用方面，葛斯勒管啟蒙了現代的螢光燈、霓虹燈和「電漿」平面電視螢幕的基本技術。克魯克斯管直接導致了布勞恩的CRT，一直到二十世紀末仍舊是電視機及電腦顯示器的基本技術。X射線的發明在醫學上開啟了一個重要的新領域。

還有一個真空電子的應用是用電子束和磁場的交互作用來產生高功率的微波。赫爾（Albert Hull）在1921發明了「磁控管」（magnetron），范理恩兄弟（Sigurd and Russel Varian）在1938年發明了「調速管」（klystron），都是後來雷達及衛星通訊的基礎技術。

真空電子的研究從1855年葛斯勒開始，到1897年湯姆森發現電子及布勞恩發明CRT，過程約有四十年。除了奠定了很多應用技術基礎外，還帶動了物理學上的革命。很多真空電子研究中觀察到的現象，無法用牛頓及馬克士威的理論來解釋，譬如白熾燈發出的光譜及葛斯勒管中用氫氣發出的光譜。這些現象都需要有新的物理來解釋。

1900年德國科學家普朗克（Max Planck）提出了「黑體輻射」（blackbody radiation）模型，準確無誤的表述了白熾燈的光譜；他在模型中首次採用了能量的「量子化」及機率概念。丹麥物理學家波耳（Niels Bohr）在1913年成功發展了氫原子模型。在理論上也加入了量子與電子的粒子及波動二象性（波粒二象性）的原理，完美的解釋了觀察到的氫氣光譜現象。普朗克、波耳及其他科學家帶動了1920年代量子力學（quantum mechanics）的飛速發展，為日後的固態物理及固態電子奠定了理論基礎。…… (完)

「第六章：電子真面目」

＜穿透性的X光 ( 2 )＞……(續上)

侖琴發現了這個新現象後，他一人繼續在實驗室中埋頭苦幹地做了很多合邏輯的實驗。三星期後正好是（1895年的）聖誕夜，他把妻子請到實驗室中，把她的手放在一張照相的底片上，然後開啟了實驗裝置，曝光了14分鐘。當他把底片沖晒出來時，出現在他們眼前的照片是妻子帶了指環的手，不過不是普通肉眼可見到的手，而是只看到手的骨頭，指環圍在指骨上。他妻子的第一個反應是：「我的天啊，我看到了死亡！」

1896年，侖琴宣布了他的發現。他妻子的手骨照片，轟動了全世界。當人們問侖琴透視的光源是什麼時，他的答案是：「我也不知道，所以才稱它為X光。」侖琴知道這個新技術可為醫學帶來貢獻，本著科學家的精神，決定不申請專利，把這個發現奉獻給全人類。很快的，西門子及GE都開始生產X射線機器，開拓了電子醫療設備這個新領域。

X射線的原理後來慢慢也懂了。原來由超高電壓產生的電子束碰撞到鎢做的陽極時，電子在鎢內部急劇減速的過程中，會把能量釋發成超短波長（高頻率）的電磁波，就是X射線了。事實上可見光、無線電波及X射線都是電磁波，都遵守馬克士威方程，不同之處不過是波長的長短而已！侖琴的X射線波長只有幾個奈米，比可見光的波長短了將近千倍。根據量子力學，電磁波的波長愈短，光（子）的能量愈高，所以高能的X射線可穿透人體。

X射線的發現是一個偶然的機遇，但侖琴充分把握了這個機會。他在1901年得到諾貝爾物理獎，是歷史上第一位得到諾貝爾物理桂冠的科學家。…… (待續)

「第六章：電子真面目」

＜穿透性的X光 ( 1 )＞

在研究陰極射線的過程中，還導致了兩個重要的實用發明：一個是陰極射線管，以下簡稱CRT；另一個是X射線（俗稱X光）。CRT是由德國科學家布勞恩（Karl Ferdinand Braun）在1897年發明的。布勞恩發展了用磁場把陰極射線聚焦及掃描的技術。CRT後來成為電視及電腦顯像螢幕的基本技術。他其後更在無線電收發技術上有所貢獻，在1909年和馬可尼一起得到諾貝爾物理獎。

X射線的發明相當戲劇化。在1895年，德國科學家侖琴（Wilhelm Roentgen）也對陰極射線進行研究。他在實驗室中裝置了極高壓的電源，超過二十萬伏特，也用了可耐高溫的金屬「鎢」做陽極，這樣他可用超高能量的陰極射線來做各種實驗。當時德籍科學家雷納發現陰極射線可以「穿隧」鋁的薄膜，證明其波動的性質，侖琴準備重複這個實驗時發覺有一難題：陰極射線接觸到玻璃管時會發出螢光，而要測試的光訊號則相當微暗。為了易於觀察訊號，侖琴把實驗室弄黑，又用黑的紙板把整個實驗裝置蓋起來，只露出一個小孔。

測試陰極射線用的是一塊塗有特別螢光材料的硬紙板，這種材料接觸到陰極射線時會發光。侖琴從硬紙板上剪下一小塊用來做實驗，剩餘的留在椅子上。當他在黑房中做實驗時，突然留意到椅子上有東西在發光，原來就是那塊塗有感光材料的硬紙板！他把實驗裝置的電源關掉，紙板上發出的光也就消失。很明顯，有某種能量從實驗裝置中散發出來，這不像是陰極射線，因為陰極射線在大氣中只能傳播幾公分遠。他又留意到實驗室中照相底片也都曝光了。他把一本厚厚的書擋在塗料硬紙板前，發現書也擋不住這種能量的透射。…… (待續)

「第六章：電子真面目」

        ＜湯姆森與電子 ( 2 )＞……(續上)

        湯姆森的結果震撼了整個科學界。十二年後，物理學家密立坎（Robert Millikan）將粒子上的電荷精確的測量出來，因而粒子的質量也確定了，證明了湯姆森的想法。這種極輕而又帶負電的基本粒子，命名為電子（electron），是原子構造中的一部分。在某些物質中可移動的電子很多，也很容易受電場影響而移動，這些物質就是很好的導電體，譬如銀、銅、鋁等。另有某些物質可移動的電子很少，又難以受電場影響而移動，所以導電困難，這就是絕緣體。到了二十世紀固態物理發展後，這些基本性質都可以精確的計算出來。

        在真空管實驗中，電子是由強力的電場把它們從陰極的固體材料表面上「拔」出來的。這些電子離開了固體環境，赤裸裸的暴露在真空中，最後給人認出了真面目。湯姆森還發現陰極材料在高溫時更容易把電子「蒸發」到真空中去，而用鹼土金屬做成的陰極，則在室溫下也可有自由電子被電場輕易「拉」入真空。他又觀察到，把光照在特別處理過的陰極材料表面上，更多的電子會逃入真空，這個現象稱作「光電效應」（photoelectric effect）。後來愛因斯坦發展了理論根據，清晰的闡明了「光子」（photon）的原理，為此他在1921年得到諾貝爾物理獎。光電效應是發展陰極射線管（CRT）電視攝影機的核心技術。

        湯姆森的實驗為真空電子研究的紛爭，暫時劃上句號，在1906年還得到諾貝爾物理獎。他在1940年逝世後，安葬在倫敦西敏寺，與牛頓和達爾文為鄰，被尊崇為英國最偉大的科學家之一。但是湯姆森的發現仍然不能解釋電子可以「穿隧」鋁薄膜的現象，所以物理上的懸題「電子到底是粒子還是波」，當時還沒有確實的答案，經過十幾年爭論，在量子力學的基礎上，才有了公認的解答──原來電子在不同條件下可以像粒子，也可像波，並無衝突。這是一個在概念上極大的突破。英國和德國的科學家都沒有錯，或可說都錯了一半。…… (完)

「第六章：電子真面目」

        ＜湯姆森與電子 ( 1 )＞

        在研究真空電流的過程中，觀察到的現象一直受到真空完善的程度、管中存餘氣體的種類與氣壓、電極的設計等各種因素困擾。從葛斯勒到克魯克斯，所有實驗的結果沒有得到一致的結論。英國和德國科學界為陰極射線是粒子還是波動，爭執不休。

        1894年，英國科學家湯姆森（J. J. Thompson）決定徹底弄清楚這個問題，他設計了一連串重要的實驗。湯姆森當時任劍橋大學「卡文迪西」（Cavendish）實驗室講座教授，他在英國科學界上公認為最權威的人物，這個講座是馬克士威親手設立的。

        在第一組實驗中，湯姆森證明了陰極射線帶著負電荷。第二套實驗，湯姆森用了最先進的真空技術，首次證明電場也可以令陰極射線折射，折射的方向符合陰極射線帶負電荷的性質。在這套實驗之前，其他研究者無法用電場來影響陰極射線，是因為他們實驗設備的真空程度還不夠，帶電的離子遮掩了電場作用。第三組實驗，湯姆森利用磁場對陰極射線折射的程度，準確的導出了陰極射線內的帶電粒子飛行速度，以及所帶電荷與質量的比值（荷質比）。

        1897年4月30日，湯姆森到皇家研究院演講，就在戴維及法拉第慣用的講台上，發表了他的研究結論：陰極射線是由帶負電荷的粒子組成，無論用什麼方法或陰極材料，所產生的粒子性質都是一樣的。如果粒子上的負電荷和氫離子所帶的正電荷（當時已成功測量出氫離子的荷質比）是一樣的話，那麼這種粒子的質量只有氫離子（質子，proton）的1837分之一，這種極輕的粒子是原子組成的一部分。當時科學界都認同原子是物質中最小、也是最基本的組成粒子。難道原子裡面還有文章？…… (待續)

「第六章：電子真面目」

        ＜陰極射線＞

        到了1855年，德國人葛斯勒（Heinrich Gessler）發明了高效的水銀真空泵，他還是一個優秀的吹玻璃專家，發明了密封金屬管通過玻璃而不漏氣的工藝。同時德國人隆考夫（Heinrich Ruhmkorff）發明了用電感應原理產生極高壓的電源。有了這些基本技術，科學家可以深入展開真空導電研究。

        葛斯勒觀察到當電壓增加到某一程度時，正負電極間就會通電，在兩個電極之間的空氣會產生電弧發光。隨著水銀泵把管中的空氣抽出，發出的光會變弱，電流也減少，直到電流完全停止。此時在真空管中若注入不同的氣體，電流又會恢復流動，而發出的光會因注入不同氣體而異。如果注入的是氫氣，會發出紅光；注入鈉的蒸氣，會發黃光。這些五顏六色的「燈」通稱「葛斯勒管」，就是今日霓虹燈的前身。

        當時很多科學家不斷深入研究在真空中通電和氣體發光的原理。他們想知道真空通電的介體是一束束帶電的粒子？還是一種特別的波動？在1878年，英國人克魯克斯（William Crookes）發現，如果在陰極和陽極間維持極高電壓，在高度真空時，仍有可觀的電流在兩極間流動，這種電流的流量已非真空中殘餘的離子可解釋，他命名這種電流為「陰極射線」（cathode ray）。陰極射線的載體像是一束束帶電的球囊，離開陰極後，以直線的軌跡飛向陽極。

        克魯克斯在管中安裝了一只「馬爾他式」十字架，陰極射線所形成的影子在真空管底部的螢光膜上明確可見。克魯克斯還發現磁場可移動陰極射線，但陰極射線對電場則毫無反應。英國科學界普遍認為，陰極射線是由帶電的粒子所形成；德國科學家則認為，因陰極射線不受電場影響，所以是一種波動。德國科學家雷納（Philipp Lenard）更證明陰極射線可「穿隧」（tunnel）薄的鋁膜，證明這是波的性質，非粒子假說可解釋。

【第二部：真空電子】

「第六章：電子真面目」

        電流在電線中流動時，到底是什麼東西在帶著電荷移動呢？如果我們把電流看成是水流的話，那麼小小的水滴在電流中又是什麼？水最小的成分是水分子，電流最小的組成又是什麼？要知道人類是怎樣弄清楚這些知識的，我們必須回到十九世紀初期。

        英國的戴維在伏特發現電池幾年後，就在皇家研究院的地下室建造了一個巨大的電池，他用這個電池做了很多實驗。1807年，他將兩根磨尖的碳棒放在很近的位置，然後施加高電壓，結果兩個碳尖之間發生電弧，產生白光，電流也同時在兩根碳棒之間的空氣中通過。戴維發現碳尖發光時極易氧化燃燒，於是他想法把碳尖放置於玻璃管中，再將玻璃管抽真空、把氧氣排除，希望可以延長壽命。但這個實驗的結果並不理想，主要原因是當時真空技術很粗糙，玻璃和碳棒間的密封技術也漏氣。後來法拉第也做了些實驗，觀察到發光時靠近負電壓的「陰極」會產生一個陰暗的區域，但由於真空技術不成熟，他無法繼續把研究做下去。

「第五章：電燈與電氣化」

        ＜電磁一百年＞

        從伏特在1800年發明電池開始，到1901年馬可尼示範跨越大西洋的電磁波通訊，正好一百年。電磁現象從一種社會好奇，一直發展到人們生活中不可缺少的技術。伏特、法拉第、馬克士威、赫茲、還有無數的科學家，穩固的奠定了電和磁的科學基礎。而摩斯、貝爾（與胡霸特、費爾、格雷）、馬可尼、愛迪生、韋斯汀豪斯、西門子等創業家，成功應用了電磁技術，滿足了大眾生活上的迫切需求。新興的企業如西聯、AT&T、GE、西屋電氣等，都躋身道瓊指數企業，成了美國國家經濟的新支柱。

        在1881年巴黎舉行的第一次國際電機協會（IEC）年會時，為了紀念傑出的貢獻者，決定把電壓的單位稱作伏特、電流的單位為安培、電阻的單位為歐姆、電荷的單位為庫侖。在後來的年會中再陸續追加，把電容的單位稱作法拉、電感應的單位稱作亨利、頻率的單位為赫茲；在磁學上，也把厄斯特、高斯、韋伯、特斯拉及馬克士威用作基本單位。這是電磁學上一個很獨特的做法，令後人不忘前輩的貢獻。

        到了十九世紀末，電報、電話、無線電報、電燈、各種馬達、發電機、電車、地下鐵、留聲機等都已普及。但有很多電的基本原理，人們仍然不懂。譬如說到底什麼是電流？是什麼東西在電線中流動？在應用上也有很多技術瓶頸問題無法解決。最迫切的有兩個難題：第一個是如何延長電話的傳送距離？第二個是怎樣可把聲音訊號用電磁波傳送？

        這兩個技術問題的答案來自另一個研究領域，結果是帶領人類從「電磁」時代進入了「電子」時代。

「第五章：電燈與電氣化」

        ＜愛廸生、特斯拉與西門子 ( 7 )＞…… 續上

        西門子雖然掌管了龐大的企業，但仍不失工程師本色。他在1866年發表了一篇論文，提出用超強的電磁鐵來取代當時發電機中所用的永久磁鐵。這是發電機瓶頸難題之一。西門子設計的發電機，性能雖不及後來格拉美的發明，但已足夠用來取代電報系統所需的電池，同時也可用在電鍍工業上。隨著格拉美、愛迪生及韋斯汀豪斯的成功，發電機與馬達市場快速成長，西門子很快成了全世界最大的供應商。同時西門子大力發展電能在運輸上的應用，在1876年示範了地面上的電車，1879年生產了電氣火車，1896年在布達佩斯承建了歐洲大陸第一條地下鐵，1899年在北京建造了中國第一條電車路，影響遍及全球。美國的大資本家摩根在1891年訪問了正預備退休的西門子，學到不少西門子經商的經驗。他回美國後，就以西門子公司做借鏡，重組了GE，愛迪生是犧牲者！日本明治維新時期，很多財閥也以西門子公司為楷模，成立了多家巨型電氣企業。

        在幾十年營運中，西門子把他的公司發展成當時世界最大的企業之一。他最為人樂道的是企業管理制度上的創新。早在1858年，西門子就創立了「利潤分紅」制度，鼓勵員工的積極性。他在1872年又首創員工退休金制度，以及職工家庭中孤兒寡婦的津貼制度，當時世界上沒有一個政府或公司，有這種正式的福利政策。西門子在1891年退休，不過在退休前，他還設立了每天工作八小時半、每星期50小時的工時制度。西門子公司經歷一百六十年歷史及德國兩次世界大戰戰敗而不衰，自有其原因。

        西門子在1893年逝世。他是個傑出的工程師、創業者及實業家，是用電磁技術造福人類的巨人之一。…… (完)

「第五章：電燈與電氣化」

        ＜愛廸生、特斯拉與西門子 ( 6 )＞…… 續上

        維納．西門子 (Wiener von Siemens) 在1816年出生於普魯士，當時德意志聯邦國（德國）還沒有誕生。他名字中間的「von」是他在退休時得到的尊稱。西門子生於農民家庭，有十四個兄弟姊妹，他排行第四。由於家境貧困，無法負擔學費升學，十六歲就去當了兵，在軍隊中受技術訓練。後來英國的柯克及美國的摩斯發明了電報，普魯士政府意識到電報通訊的重要性，在軍中也開發屬於自己的電報技術，西門子就是主要研究員之一。在三十一歲那年，他發展出一種可靠的「指針電報」（pointer telegraph），然後決定離開軍隊，和一個朋友一起創業，用指針電報來推廣事業。後來還取到德國政府合同，建造了柏林到法蘭克福的電報系統。

        西門子希望生意不局限於德國，而是全世界，他派自己的親兄弟到世界各地開拓業務。通過在俄國的弟弟，拿到了從波羅的海到黑海的電報工程。後來英國的弟弟拿到了從倫敦經歐洲到印度加爾各答的電報系統大工程。西門子公司除了承包電報工程外，還生產所有電報的設備和電纜。公司特製了專門鋪設海底電纜的船，取名「法拉第」號，這艘船後來鋪設了六條不同的橫貫大西洋電纜。…… (待續)