驾驭电子(上)

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当欧洲和北美许多城市已经电灯通明、马达飞转的时候,人们仍然不知道电到底是什么.直到科学家在实验室里对气体放电现象进行细微的观察研究时,无意中发现了藏身在一切物质之中的带电微粒——电子,从此开始发明控制电子运动的方法,人们对电的认识达到了一个新的高度.

在19世纪电学发展的鼎盛时期,一些科学家出于兴趣,开始研究稀薄气体的导电特性.这些实验是在密封的玻璃管中进行的.玻璃管中的空气大部分已被抽走,在两端分别嵌入一个金属电极.当在两个电极之间加上电压时,玻璃管中稀薄的空气就变成了导体.电流通过时,玻璃管中出现明亮的辉光.辉光非常美丽,很像北半球高纬度地区出现的极光.如果改变玻璃管中气体的密度或成分,辉光的色彩与亮度会发生变化.曾经发现电磁感应现象的英国物理学家法拉第也研究过辉光放电,他在辉光柱上发现了一小段不发光的区域,人们称之为“法拉第暗区”.

1858年,德国物理学家普吕克尔（1801-1868）注意到,当放电管中的空气非常稀薄时,辉光就会变得越来越暗淡,最终消失,只在玻璃容器内壁正对阴极的地方发出淡淡的绿色荧光.他在放电管的两个电极之间插入一个小小的挡板,荧光里便出现挡板的阴影,阴影的轮廓和挡板的外形完全一致.1876年,德国物理学家哥尔茨坦（1850-1930）认为,这是一种从阴极发出来的射线,由于玻璃管中没有气体分子阻挡,它可以直接到达对面的容器内壁使其发光.这种射线被称之为“阴极射线”.科学家喜欢把那些从物体中发出的具有确定物理、化学或生物学效应,然而又看不见的物质称为“射线”.

1871年,英国物理学家瓦尔利（1828-1883）发现,阴极射线会在磁场中偏转,很像带电粒子；英国物理学家克鲁克斯（1832-1919）发现,这种射线可以推动金属箔做成的小飞轮在真空中旋转；曾经发现电磁波的德国物理学家赫兹注意到,这种射线可以穿透很薄的金属片.赫兹的学生勒纳德（1862-1947）还发现,真空中的阴极射线在穿透厚度为0.000265厘米的铝箔后,还能在空气中继续穿行1厘米.德国科学家认为阴极射线是电磁波,而英国科学家则认为它是带电粒子.

在追踪阴极射线的时候,人们意外地发现了X光.

1895年11月8日,德国物理学家伦琴（1845-1923）在一次实验中,将阴极射线放电管包上厚厚的黑纸,以防止外部光线扰乱阴极射线.这时他注意到,随着阴极射线管每次放电,距离射线管1米远处的一个用氰化钡做成的荧光屏也在一闪一闪地发光.伦琴把这个荧光屏挪至远处,可它照样闪光；他又在阴极射线放电管和荧光屏之间放上书、木板和铝片,荧光屏还是闪光；只有在它们之间放上铅块或厚厚的铁板时,闪光才会消失.显然,阴极射线管中发出的是一种穿透力很强的射线,但不会是阴极射线.

伦琴在实验室里连续工作了6个星期,他仔细地研究这种射线与加在放电管上电压之间的关系,研究各种物体对这种射线的吸收特性,以及射线在各个方向的强度分布.他将手掌放在阴极射线管和荧光屏之间,荧光屏清晰地显现出手掌的骨骼.这种射线还会使照相底片感光.他用感光胶片拍摄他的夫人戴有戒指的纤细的手,结果照片不再富有诗意,那上面的手指就像是骷髅的指骨,套有一件不相干的金属圈.随后,他向外界公布了自己的研究结果,那张不可思议的照片尤其令世人大为震惊.

伦琴把这种来历不明的射线称为“X射线”,因为在数学中人们习惯用“X”代表未知数.今天,人们知道X射线是发自阴极的电子在电场中加速后,打在物体上突然减速辐射的电磁波.

利用X光,人们能够看到身体内部的许多组织结构,发现骨骼的损伤和嵌入身体的金属弹片,从而帮助医生诊断疾病.

X光有着巨大的实用价值,伦琴没有为自己申请技术专利.他说,就像空气和阳光不应该申请专利一样,X光也不应该申请专利,他希望全世界的人都能够利用它.X光技术迅速地普及至世界各地,有力地促进了医学进步.

伦琴在1901年获得首次颁发的诺贝尔物理学奖.他晚年过着贫困的生活,在德国大萧条的岁月中寂寞地死去.

1897年,英国物理学家汤姆孙（1856-1940）对阴极射线进行了更加精确的实验研究.他在进一步提高放电管的真空度后,发现了阴极射线在电场中的偏移现象.赫兹在1891年曾做过类似的实验,但由于真空度不高,在偏转电极之间发生了气体放电,不能产生使阴极射线偏转的力量,导致赫兹对这种射线本质的误解.汤姆孙对阴极射线在磁场中偏转所形成的弧线半径进行了测量,并用热电偶测量阴极射线打在阳极上产生的温度变化,从而计算出这种射线的速度比电磁波低得多.他在射线管中充入不同气体,并且用不同材料制成的阴极做实验,但得到的结果完全相同.他确信,阴极射线是一种带负电的微粒,与气体成分或阴极材料无关,它存在于一切物质之中.

1897年4月30日,汤姆孙向英国皇家学会报告了自己的研究结果,这篇报告对阴极射线的本质做出了最终的科学论断.后来,汤姆孙用“电子”一词命名他所确认的这种带电微粒.从此,科学史家将人类发现电子的时间定为1897年.

就在汤姆孙发现电子这一年,德国发明家布劳恩（1850-1918）完成了应用电子技术的第一件发明——利用电子束做成了世界上最轻便灵活的“笔”,这种奇妙的“笔”可以描绘稍纵即逝的电现象,根据电子留下的踪迹,人们可以从容地观察电信号的变化过程.

布劳恩的发明是这样实现的：在抽成真空的阴极射线管里装上圆柱形空心电极,加上电压,阴极发射的电子在穿过这种电极之时受到静电力的约束,聚成细束；在电子束通过的路径安装两对相互垂直的金属平行板电极,使电子束跟随加在电极上的电压信号分别做上下垂直运动和左右水平运动.在与阴极相对的玻璃管壁上均匀地涂敷一层矿物质细粉（例如硫化锌）,电子束打在上面会产生黄绿色光斑,这种可以发光的涂层被称为荧光屏.如果使电子束在水平方向做等速运动,荧光屏就会显现加在垂直偏转板上的电压随时间变化的过程.电子的这种工作方式被称为扫描.这项发明为科学家提供了梦寐以求的观测仪器,使人们能够超越感觉器官的局限,直观地研究电的变化过程,为后来电视、雷达和电子显微镜的发明奠定了重要基础.

1904年,美国发明家弗莱明（1849-1945）采用在真空中利用电流加热灯丝的办法,轻而易举地获得了逸出物体的自由电子,并用它做成了一种效率很高的无线电信号检波器——真空二极管.

真空二极管中有一条灯丝和一个孤立的金属电极,这个电极被称为阳极.当灯丝加热时,如果在阳极加上正电压,电子就会在静电力作用下到达阳极,使阴极与阳极之间有电流通过；如果在阳极加上负电压,静电力将阻止电子运动,电子就会滞留在灯丝周围,电流就会中断.由于电子很轻,惯性很小,真空二极管可使频率很高的无线电信号被整流检波成为人们需要的信息.弗莱明用它替代无线电接收机里的金属粉末检波器和晶体检波器,可将微弱的高频无线电信号还原成所传输的电码信息,无线电接收机的灵敏度由此显著提高.

1906年,美国发明家福瑞斯特（1873-1961）对真空二极管做出重大改进,发明了真空三极管,开辟了电子学发展的新途径.

福瑞斯特在真空二极管的灯丝和阳极之间,加装了一个独立的金属栅网,称作控制极.改变栅网上的电压,便可控制到达阳极的电子数量.如果在栅网上加一个很小的电压信号,在阳极便可得到一个与其变化规律完全相同、但幅度大很多的电信号,这种简单的器件可以使电信号增强.真空三极管是一种能量转换装置,就好像是电信号的加油站,这项看似简单的发明,翻开了电子技术发展史新的一页.

自从1837年人类开始应用电传递信息以来,一个问题始终困扰着人们：电信号在传输的路径上会衰减,变得越来越小,以致最后消失得无影无踪,通信距离因此受到限制.1876年,美国费城举办国际博览会,电报公司向全世界招标,寻求解决大西洋海底电缆电报信号传输衰减的技术方案,无人中标.自福瑞斯特发明真空三极管后,电信系统中的信号衰减不再成为问题.人们通过真空三极管很容易使衰减的电信号重新增大,通信质量明显改善,通信距离大幅度增加.从此,使用电信技术的客户迅速增多,、有线电报和无线电通信出现了新的发展,电信号把世界更多的地方联结在了一起.

真空三极管的发明,使无线电广播迅速成为一种大众传媒,收音机成为一种时尚家电.利用真空三极管产生功率强大的高频无线电信号,同时将声音变成的电信号叠加在上面,向幅员辽阔的地域播送语音信息.人们可以在远离电台的地方接收无线电信号,通过真空三极管充分放大,重新把声音信号分离出来,推动扬声器再现播音员和演员的声音.1920年,美国匹兹堡建立了第一座面向公众的无线广播电台.1922年,美国无线电公司编制了第一份无线电产品目录,名称为“家用无线电”.该产品目录显示,当时价格最高的收音机有4个真空管,售价401美元.同年,美国无线电公司生产出第一台手提式电子管收音机.

真空三极管产生的高频电信号可使人体某些组织发热,从而改善血液循环,有助于医生治疗疾病；它还可用于熔炼金属（例如在洁净的坩埚里制造难熔合金）,对金属材料进行淬火处理,改善工具、机器零部件的性能等.无线电电子学技术开始跨出通信系统,进入人类活动的更多领域.

作为电子学装置的核心器件,真空三极管推动着电子技术前进,直至1947年,三位美国科学家发明晶体管,它才逐渐退出历史舞台.

1925年,苏格兰人贝尔德（1888-1946）实现了用电信号传送活动图像的构想,发明了最早的电视.

贝尔德的方案非常富于想象力.他借用电影的做法,将不断变化的景物影像分割为间断的画面,然后连续发送这些画面,再利用人眼的“视觉暂留”效应,产生连续影像的效果.首先,通过透镜将需要传送的景物影像会聚成缩小的清晰图像,在离影像不远处安放一个对光线敏感的元件,当时他使用的是可以在光照下产生电流的硒片；然后,在影像与硒片之间放置一个转盘,盘上有许多按照特定空间位置分布的透光孔,当转盘快速转动时,影像不同部位发出的光通过转盘上的小孔依次从左到右、从上到下投射到硒片上,使硒片依次产生随影像不同部位亮度变化的电流；这种随时间迅速变化的电流经过真空三极管放大后传向远方,使一个灯泡发光,灯泡的亮度变化则与影像不同空间位置的明暗变化一致；灯泡发出的光通过一个相同的转盘投射到幕布上；当两个圆盘同步转动、且转动足够快时,幕布上便呈现出与实际景物大体相似的影像.

在贝尔德最初研究电视的时候,人们认为他的想法稀奇古怪不切实际,无人给予他经济上的支持.他只得白天推销皮鞋油,晚上在狭小的顶楼做实验,每天的收入只够买面包和付房租,他的很多样机是用饼干筒、自行车灯聚光镜以及鞋带捆扎的铁条支架做成的.

1925年10月2日,贝尔德成功地把一个活动玩偶的舞蹈动作图像,从顶楼的一个角落传送到另一个角落.他激动万分地跑下楼,把杂货铺里的一

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贝尔德发明的电视在实际应用中存在三个严重问题：机械转盘小孔扫描速度不够快,通过小孔投射的光斑太大,图像闪烁且不清晰；灯泡的亮度变化滞后,使再现的图像和原来真实的情景不一样；两个转盘在机械上不容易同步,需经精细调节才能呈现稳定的画面.此外,这种电视装置庞大,不适宜在室外播送电视节目.贝尔德发明的是一种光学机械电视,从原理上说,这些问题当时难以解决.

1931年,出生在俄罗斯的美国发明家楚里金（1889-1982）,采用在电场和磁场控制下的电子束再现活动图像信息的方法,克服了机械转盘电视系统的缺陷,实现了电视技术的实用化,奠定了现代电视技术基础.

楚里金改进了布劳恩发明的阴极射线示波管.他在示波管底部涂敷可以在光照射下产生电荷的材料,用从左到右、从上至下扫描的电子束使图像亮度的空间分布转换成随时间变化的电流.这种电流可以通过导线或电磁波远距离传输,控制另一个示波管中的电子束,使其产生由左至右、由上而下的扫描运动,并把随时间变化的电流还原成不同空间位置的亮度变化,在荧光屏上再现原有景物.由于电子可以聚成很细的电子束,在电场和磁场控制下迅速移动,因而能够获得清晰、稳定的画面.

楚里金把产生电视信号的器件称为光电摄像管,把再现影像的器件称为电视显像管,由于在这两个器件中的物理过程几乎是同时发生的,所以传输的图像基本上没有滞后.

在传送电视画面的时候,楚里金采用的方法就像是以一种特殊的方式搬动一块花布到另外一个地方：首先沿水平方向抽取花布最上方的第一条纬线,紧接着抽取第二根、第三根等直到抽完最后一根.这些抽出的线被首尾相连牵拉到另外的地方,并重新按顺序复原,这些纬线便组成了与原来花布一样的图案.只要抽运和重组的速度足够快,这块花布就好像在一瞬间挪动了地方.

全电子化的电视于1935年开始在德国向公众播出.1936年,这种电视转播了在德国柏林举办的奥林匹克运动会实况,此时还是黑白电视.全电子化彩色电视于1949年在美国研制成功,1951年第一次向公众播出.

有了电视,人们足不出户可以看到远方发生的事情.今天,电视已经进入全球一半以上的家庭.每天有数以亿计的人坐在电视机前,观看世界风云变幻、人间喜怒哀乐、宇宙万千气象.电视已经从一件技术发明成为一种文化.