在上个世纪,人类的自然科学有了长足的发展,在前半叶占主导地位的是相对论和量子力学,这是两个基础理论,一个改变了人们对物质、能量、运动和时空关系的认识,一个改变人类对微观世界本质的认识。

到了后半叶,自然科学发展的势头并没有减弱,因为粒子物理学异军突起,让我们对这个世界的认识又提高了一个深度,粒子物理学说白了就是研究这个世界的组成成分,以及这些成分之间力的运作方式。

带电粒子速度与运动周期(为什么摩擦会生电)(1)

总结起来就是四个字:标准模型。它囊括了目前人类所知的所有基本粒子,以及它们之间相互作用的方式,可以说标准模型是人类目前最大的知识成就,也是人类400多年来物理知识的大成。

所以从这节课开始,我们就说亚原子粒子的发现,以及它们之间的相互作用,我们先说电子,因为它是第一个被人类识别出来的亚原子粒子。

我们现在知道,电子带负电,它所携带的电荷是1.6×10^-19库仑,那么库仑的定义是,1安培的电流在1秒种内,流过一根导线任一截面的电荷。

带电粒子速度与运动周期(为什么摩擦会生电)(2)

因此我们说的1安培就是每秒1库仑,根据电子所携带的电荷,我们就能知道1安培的电流其实就是每秒钟有6.25×10^18个电子流过。这个我们在后面说到电场力的时候会详细地说到。

那么在粒子物理学中,我们一般不太说电子具体的电荷是多少,而是会把电子所携带的电荷当作一个基本的电荷单位,就是1,我们会说一个物体携带了多少个电子电荷,这样使用起来非常方便。

我们现在还知道电子的质量是9.1094×10^-31千克,或者也可以说成是0.511Mev,之所以能这样说,是因为爱因斯坦的质能方程。

那么电子伏特是能量单位,它的定义是,一个电子在经过1伏特的电势差后所能获得的动能。1电子伏特等于1.602×10^-19焦耳,可以看出电子伏特是一个非常小的单位,是专门为表示粒子所携带的能量而创造的。

带电粒子速度与运动周期(为什么摩擦会生电)(3)

同时我们也可以看出来电子它的质量真的很小,是目前我们所知是除中微子以外,第二轻的基本粒子,是最轻的带电粒子。

但电子对我们来说是非常的重要,因为它质量很小,而且还非常稳定,且带有负电荷,因此电子是原子重要的组成部分,它在核外绕着带正电的原子核运行。

而其他所知的所有基本粒子没有一个可以胜任电子的工作,不是因为它们不稳定、就是因为它们不带电,例如缪子和中微子,这两个一个在2.19712×10^-6秒会发生衰变,另外一个为电中性,所以在原子中就不存在这些粒子。

因此我们在日常生活中看到的化学反应、生物学过程、电磁现象都跟电子有着直接的关系。这也是为什么电子是我们第一个发现的基本粒子。因为它做的事太多了,太重要了。

带电粒子速度与运动周期(为什么摩擦会生电)(4)

那么是谁发现了电子?英国物理学家J.J汤姆逊在卡文迪许实验室研究阴极射线的时候,测量了阴极射线粒子的荷质比,确定了原子中基本带电粒子,电子的存在。1897年,他把这些研究结果写成了三篇论文。

为了把这件事说得更详细一些,让大家都了解汤姆逊是怎样测量电子的荷质比的,我觉得在这之前还是要铺垫很多的基础知识。

这会涉及到电现象的发现、电场、电场力、磁场和磁场力,等等这些基础知识。好,那我们这节课的后半部分就说,人类是怎样发现电现象,以及对电现象研究的历史。

带电粒子速度与运动周期(为什么摩擦会生电)(5)

人类发现电现象其实非常的偶然,并不是我们想象地看到了雷电,就认为大自然有电现象,而是古时候的富人们一手拿着毛皮、一手拿着琥珀,在他们擦拭完琥珀以后,就发现被毛皮摩擦过的琥珀可以吸引细小的物体,比如一些毛发、碎屑之类的东西。

这个现在最早的记录出现在公元前4世纪柏拉图的对话集《蒂迈欧篇》当中,里面就描述了琥珀具有吸引力的现象。

到了16-17世纪,一位叫威廉·吉尔伯特的英国医生就发现,这种吸引力的现象其实非常的普遍,它也可以发生在像玻璃、石蜡、钻石、煤玉等等这些物质的身上,吉尔伯特也是第一个仿照琥珀的希腊字,创造了电的这个词(electricity)。

在这么多的物体上都发现了电吸引的现象,这就说明电这种奇怪的东西,并不是单个物体所特有的属性,而是当两个物体摩擦的时候产生的一种流质。

带电粒子速度与运动周期(为什么摩擦会生电)(6)

1729年,英国人斯蒂芬·格雷就发现把摩擦过的玻璃棒与其他物体接触以后,可以让这些物体具有吸引其他物体的能力,这说明电可以传递给别的东西。从而就验证了上面的说法,电是一种流质,不是某一个物体特有的属性。

随后人们就发现了电不仅有吸引力,还有排斥力,这一下让电的现象变得复杂了,发现这个现象的人叫弗朗西斯·豪克斯比,他说,用摩擦后的玻璃棒接触一些铜屑以后,这些铜屑之间竟然表现出了排斥力,和玻璃棒之间也有了排斥力。

到了1733年,这个现象就变得更加复杂了,因为法国科学家迪费就发现,和玻璃棒接触过的铜屑虽然互相排斥,但是它们却和与带电树脂接触过的铜屑,表现出了吸引力。

所以迪费得出结论,有两种完全不同的电,一种叫玻璃电,一种叫树脂电。玻璃电和玻璃电、树脂电和树脂电互相排斥,而玻璃电和树脂电互相吸引。

这样的结论就可以解释以上的现象了,当玻璃与丝绸摩擦以后,玻璃上会带玻璃电,丝绸上会带树脂电,当像琥珀这类树脂与毛皮摩擦以后,琥珀就会带树脂电,毛皮就会带玻璃电。

这种说法就是电的双流体理论,在很长一段时间内他符合我们的实验的观察,但是到了18世纪中期,人们就提出了一个全新的理论,叫单流体理论,相比于双流体它更加的简洁。

带电粒子速度与运动周期(为什么摩擦会生电)(7)

提出并发扬这个理论的人我们非常的熟悉,他是美国费城的著名学者:本杰明·富兰克林。他说,每一个物体本身都可以容纳一定的电,在没有摩擦的时候,这种电是满的,不缺也不多,所以物体不带电。

当摩擦以后,比如玻璃棒与丝绸摩擦,在这个过程中有一些电就会从丝绸上跑到玻璃上,这时玻璃上就会携带更多的电,叫盈余电,这种电跟费迪说的玻璃电是一样的。

但这时由于一部分电跑到了玻璃上,那么在丝绸上就会出现一些缺额,这些缺额就是迪费所说的树脂电。

同时富兰克林还发明了一些名词到今天仍在使用,比如说他把缺额,也就是树脂电叫负电,把盈余电,也就是玻璃电叫正电。

同时他也创造了电荷这个词语,用来描述物体上携带电的数量,提出了“电荷守恒”这个非常超前的基本假说,说的是,电荷不会被创造,只会从一个物体的身上上转移到另外一个物体的身上。

富兰克林的单流体理论也可以解释电现象的排斥和吸引,他假定有盈余电的物体相互排斥,但它们却可以吸引有电缺额的物体,而有电缺额的两个物体之间却会表现出互相排斥的现象。

那么到底是单流体理论还是双流体理论,这个问题直到电子发现以后才没有了争论,以我们现在掌握的知识来看,其实两种理论都是正确的。

你看,是这样的,我们可以认为电只有一种就是电子携带的负电荷,当玻璃棒与丝绸摩擦的时候,是玻璃棒上的电子跑到了丝绸的上面,玻璃棒有了缺额带了正电,丝绸有了盈余带了负电。

所以说单流体没有问题,但可以看出富兰克林当年把一件事给搞差了,他把缺额,也就是树脂电叫负电,把盈余,也就是玻璃电叫正电。

后来物理学家就沿用了一部分富兰克林的说法,把玻璃棒上的电荷就叫正电荷,把丝绸上的电荷就叫负电荷。

所以电子就带了负电,原子核就带了正电,正负完全是人为规定的。没有什么特殊的原因。那为什么说双流体理论也是正确的?

因为确实有正电荷的存在,确实有两种电荷,比如说在盐的溶液当中,我们就可以得到带负电的粒子流,和带正电的粒子流,这就是两种电荷的流体。

而且从更高的层面上说,带负电的电子还有一个反物质版本叫正电子,他跟电子的质量和自旋是一样的,但是电荷相反,所以双流体理论也是正确的。不过在一般情况下,单流体理论使用起来更加的方便。

带电粒子速度与运动周期(为什么摩擦会生电)(8)

可以看出人类对电的认识是从摩擦生电开始的,但是为什么摩擦会生电?为什么用丝绸摩擦玻璃棒,电子会从玻璃棒上跑到丝绸的上面?为什么毛皮上的电子会跑到琥珀的上面?

说起来也奇怪,看似简单常见的问题,其实我们并不知道其中的原因,而且摩擦生电也是人类第一个认识到的电现象。对此,我们没有一个详细完整的解释。

不过通过大量的研究,我们总结出了摩擦生电物质的顺序表,前面的物质倾向于失去电子,而后面的物质倾向于获得电子,也就是说,每种材料它们对电子的渴望程度不同,当两种材料相遇,一种容易失去电子,一种渴望获得电子,它们只要一接触就会传递电子。

其实并不是摩擦本身的原因,就算不摩擦也可以生电,比如说,一张塑料纸,你没有摩擦它,它都会粘在你的手上。

只不过摩擦是一个比较充分的、长时间的接触过程,所以才让我们产生了一个误区,认为是摩擦生电了,其实是接触就可以生电。

所以问题就变成了为什么不同材料的物体,它们对电子的渴望程度不同?这就涉及到了复杂物体表面的物理学问题了,这个分支学科的发展并不成熟。

而且有一点特别的重要,每一种材料对电子的渴望程度并不是固定的,随着温度的变化、空气湿度的变化都会影响它们对电子的态度,因此以上的这个摩擦生电顺序表中物质的相对顺序并不是固定了。所以加上影响因素比较多,摩擦生电的过程非常复杂,现在还没有一个详细合理的解释。

好了,今天的内容就到这里,下节课我们说人们对阴极射线的研究。

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