駕馭電子（上）

張開遜

當(dāng)歐洲和北美許多城市已經(jīng)電燈通明、馬達(dá)飛轉(zhuǎn)的時候，人們?nèi)匀徊恢离姷降资鞘裁?。直到科學(xué)家在實驗室里對氣體放電現(xiàn)象進(jìn)行細(xì)微的觀察研究時，無意中發(fā)現(xiàn)了藏身在一切物質(zhì)之中的帶電微粒——電子，從此開始發(fā)明控制電子運動的方法，人們對電的認(rèn)識達(dá)到了一個新的高度。

在19世紀(jì)電學(xué)發(fā)展的鼎盛時期，一些科學(xué)家出于興趣，開始研究稀薄氣體的導(dǎo)電特性。這些實驗是在密封的玻璃管中進(jìn)行的。玻璃管中的空氣大部分已被抽走，在兩端分別嵌入一個金屬電極。當(dāng)在兩個電極之間加上電壓時，玻璃管中稀薄的空氣就變成了導(dǎo)體。電流通過時，玻璃管中出現(xiàn)明亮的輝光。輝光非常美麗，很像北半球高緯度地區(qū)出現(xiàn)的極光。如果改變玻璃管中氣體的密度或成分，輝光的色彩與亮度會發(fā)生變化。曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象的英國物理學(xué)家法拉第也研究過輝光放電，他在輝光柱上發(fā)現(xiàn)了一小段不發(fā)光的區(qū)域，人們稱之為“法拉第暗區(qū)”。

1858年，德國物理學(xué)家普呂克爾（1801-1868）注意到，當(dāng)放電管中的空氣非常稀薄時，輝光就會變得越來越暗淡，最終消失，只在玻璃容器內(nèi)壁正對陰極的地方發(fā)出淡淡的綠色熒光。他在放電管的兩個電極之間插入一個小小的擋板，熒光里便出現(xiàn)擋板的陰影，陰影的輪廓和擋板的外形完全一致。1876年，德國物理學(xué)家哥爾茨坦（1850-1930）認(rèn)為，這是一種從陰極發(fā)出來的射線，由于玻璃管中沒有氣體分子阻擋，它可以直接到達(dá)對面的容器內(nèi)壁使其發(fā)光。這種射線被稱之為“陰極射線”?？茖W(xué)家喜歡把那些從物體中發(fā)出的具有確定物理、化學(xué)或生物學(xué)效應(yīng)，然而又看不見的物質(zhì)稱為“射線”。

1871年，英國物理學(xué)家瓦爾利（1828-1883）發(fā)現(xiàn)，陰極射線會在磁場中偏轉(zhuǎn)，很像帶電粒子；英國物理學(xué)家克魯克斯（1832-1919）發(fā)現(xiàn)，這種射線可以推動金屬箔做成的小飛輪在真空中旋轉(zhuǎn)；曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)電磁波的德國物理學(xué)家赫茲注意到，這種射線可以穿透很薄的金屬片。赫茲的學(xué)生勒納德（1862-1947）還發(fā)現(xiàn)，真空中的陰極射線在穿透厚度為0.000265厘米的鋁箔后，還能在空氣中繼續(xù)穿行1厘米。德國科學(xué)家認(rèn)為陰極射線是電磁波，而英國科學(xué)家則認(rèn)為它是帶電粒子。

在追蹤陰極射線的時候，人們意外地發(fā)現(xiàn)了X光。

1895年11月8日，德國物理學(xué)家倫琴（1845-1923）在一次實驗中，將陰極射線放電管包上厚厚的黑紙，以防止外部光線擾亂陰極射線。這時他注意到，隨著陰極射線管每次放電，距離射線管1米遠(yuǎn)處的一個用氰化鋇做成的熒光屏也在一閃一閃地發(fā)光。倫琴把這個熒光屏挪至遠(yuǎn)處，可它照樣閃光；他又在陰極射線放電管和熒光屏之間放上書、木板和鋁片，熒光屏還是閃光；只有在它們之間放上鉛塊或厚厚的鐵板時，閃光才會消失。顯然，陰極射線管中發(fā)出的是一種穿透力很強的射線，但不會是陰極射線。

倫琴在實驗室里連續(xù)工作了6個星期，他仔細(xì)地研究這種射線與加在放電管上電壓之間的關(guān)系，研究各種物體對這種射線的吸收特性，以及射線在各個方向的強度分布。他將手掌放在陰極射線管和熒光屏之間，熒光屏清晰地顯現(xiàn)出手掌的骨骼。這種射線還會使照相底片感光。他用感光膠片拍攝他的夫人戴有戒指的纖細(xì)的手，結(jié)果照片不再富有詩意，那上面的手指就像是骷髏的指骨，套有一件不相干的金屬圈。隨后，他向外界公布了自己的研究結(jié)果，那張不可思議的照片尤其令世人大為震驚。

倫琴把這種來歷不明的射線稱為“X射線”，因為在數(shù)學(xué)中人們習(xí)慣用“X”代表未知數(shù)。今天，人們知道X射線是發(fā)自陰極的電子在電場中加速后，打在物體上突然減速輻射的電磁波。

利用X光，人們能夠看到身體內(nèi)部的許多組織結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)骨骼的損傷和嵌入身體的金屬彈片，從而幫助醫(yī)生診斷疾病。

X光有著巨大的實用價值，倫琴沒有為自己申請技術(shù)專利。他說，就像空氣和陽光不應(yīng)該申請專利一樣，X光也不應(yīng)該申請專利，他希望全世界的人都能夠利用它。X光技術(shù)迅速地普及至世界各地，有力地促進(jìn)了醫(yī)學(xué)進(jìn)步。

倫琴在1901年獲得首次頒發(fā)的諾貝爾物理學(xué)獎。他晚年過著貧困的生活，在德國大蕭條的歲月中寂寞地死去。

1897年，英國物理學(xué)家湯姆孫（1856-1940）對陰極射線進(jìn)行了更加精確的實驗研究。他在進(jìn)一步提高放電管的真空度后，發(fā)現(xiàn)了陰極射線在電場中的偏移現(xiàn)象。赫茲在1891年曾做過類似的實驗，但由于真空度不高，在偏轉(zhuǎn)電極之間發(fā)生了氣體放電，不能產(chǎn)生使陰極射線偏轉(zhuǎn)的力量，導(dǎo)致赫茲對這種射線本質(zhì)的誤解。湯姆孫對陰極射線在磁場中偏轉(zhuǎn)所形成的弧線半徑進(jìn)行了測量，并用熱電偶測量陰極射線打在陽極上產(chǎn)生的溫度變化，從而計算出這種射線的速度比電磁波低得多。他在射線管中充入不同氣體，并且用不同材料制成的陰極做實驗，但得到的結(jié)果完全相同。他確信，陰極射線是一種帶負(fù)電的微粒，與氣體成分或陰極材料無關(guān)，它存在于一切物質(zhì)之中。

1897年4月30日，湯姆孫向英國皇家學(xué)會報告了自己的研究結(jié)果，這篇報告對陰極射線的本質(zhì)做出了最終的科學(xué)論斷。后來，湯姆孫用“電子”一詞命名他所確認(rèn)的這種帶電微粒。從此，科學(xué)史家將人類發(fā)現(xiàn)電子的時間定為1897年。

就在湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子這一年，德國發(fā)明家布勞恩（1850-1918）完成了應(yīng)用電子技術(shù)的第一件發(fā)明——利用電子束做成了世界上最輕便靈活的“筆”，這種奇妙的“筆”可以描繪稍縱即逝的電現(xiàn)象，根據(jù)電子留下的蹤跡，人們可以從容地觀察電信號的變化過程。

布勞恩的發(fā)明是這樣實現(xiàn)的：在抽成真空的陰極射線管里裝上圓柱形空心電極，加上電壓，陰極發(fā)射的電子在穿過這種電極之時受到靜電力的約束，聚成細(xì)束；在電子束通過的路徑安裝兩對相互垂直的金屬平行板電極，使電子束跟隨加在電極上的電壓信號分別做上下垂直運動和左右水平運動。在與陰極相對的玻璃管壁上均勻地涂敷一層礦物質(zhì)細(xì)粉（例如硫化鋅），電子束打在上面會產(chǎn)生黃綠色光斑，這種可以發(fā)光的涂層被稱為熒光屏。如果使電子束在水平方向做等速運動，熒光屏就會顯現(xiàn)加在垂直偏轉(zhuǎn)板上的電壓隨時間變化的過程。電子的這種工作方式被稱為掃描。

這項發(fā)明為科學(xué)家提供了夢寐以求的觀測儀器，使人們能夠超越感覺器官的局限，直觀地研究電的變化過程，為后來電視、雷達(dá)和電子顯微鏡的發(fā)明奠定了重要基礎(chǔ)。

1904年，美國發(fā)明家弗萊明（1849-1945）采用在真空中利用電流加熱燈絲的辦法，輕而易舉地獲得了逸出物體的自由電子，并用它做成了一種效率很高的無線電信號檢波器——真空二極管。

真空二極管中有一條燈絲和一個孤立的金屬電極，這個電極被稱為陽極。當(dāng)燈絲加熱時，如果在陽極加上正電壓，電子就會在靜電力作用下到達(dá)陽極，使陰極與陽極之間有電流通過；如果在陽極加上負(fù)電壓，靜電力將阻止電子運動，電子就會滯留在燈絲周圍，電流就會中斷。由于電子很輕，慣性很小，真空二極管可使頻率很高的無線電信號被整流檢波成為人們需要的信息。弗萊明用它替代無線電接收機里的金屬粉末檢波器和晶體檢波器，可將微弱的高頻無線電信號還原成所傳輸?shù)碾姶a信息，無線電接收機的靈敏度由此顯著提高。

1906年，美國發(fā)明家福瑞斯特（1873-1961）對真空二極管做出重大改進(jìn)，發(fā)明了真空三極管，開辟了電子學(xué)發(fā)展的新途徑 。

福瑞斯特在真空二極管的燈絲和陽極之間，加裝了一個獨立的金屬柵網(wǎng)，稱作控制極。改變柵網(wǎng)上的電壓，便可控制到達(dá)陽極的電子數(shù)量。如果在柵網(wǎng)上加一個很小的電壓信號，在陽極便可得到一個與其變化規(guī)律完全相同、但幅度大很多的電信號，這種簡單的器件可以使電信號增強。真空三極管是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，就好像是電信號的加油站，這項看似簡單的發(fā)明，翻開了電子技術(shù)發(fā)展史新的一頁。

自從1837年人類開始應(yīng)用電傳遞信息以來，一個問題始終困擾著人們：電信號在傳輸?shù)穆窂缴蠒p，變得越來越小，以致最后消失得無影無蹤，通信距離因此受到限制。1876年，美國費城舉辦國際博覽會，電報公司向全世界招標(biāo)，尋求解決大西洋海底電纜電報信號傳輸衰減的技術(shù)方案，無人中標(biāo)。自福瑞斯特發(fā)明真空三極管后，電信系統(tǒng)中的信號衰減不再成為問題。人們通過真空三極管很容易使衰減的電信號重新增大，通信質(zhì)量明顯改善，通信距離大幅度增加。從此，使用電信技術(shù)的客戶迅速增多，電話、有線電報和無線電通信出現(xiàn)了新的發(fā)展高潮，電信號把世界更多的地方聯(lián)結(jié)在了一起。

真空三極管的發(fā)明，使無線電廣播迅速成為一種大眾傳媒，收音機成為一種時尚家電。利用真空三極管產(chǎn)生功率強大的高頻無線電信號，同時將聲音變成的電信號疊加在上面，向幅員遼闊的地域播送語音信息。人們可以在遠(yuǎn)離電臺的地方接收無線電信號，通過真空三極管充分放大，重新把聲音信號分離出來，推動揚聲器再現(xiàn)播音員和演員的聲音。1920年，美國匹茲堡建立了第一座面向公眾的無線廣播電臺。1922年，美國無線電公司編制了第一份無線電產(chǎn)品目錄，名稱為“家用無線電”。該產(chǎn)品目錄顯示，當(dāng)時價格最高的收音機有4個真空管，售價401美元。同年，美國無線電公司生產(chǎn)出第一臺手提式電子管收音機。

真空三極管產(chǎn)生的高頻電信號可使人體某些組織發(fā)熱，從而改善血液循環(huán)，有助于醫(yī)生治療疾??；它還可用于熔煉金屬（例如在潔凈的坩堝里制造難熔合金），對金屬材料進(jìn)行淬火處理，改善工具、機器零部件的性能等。無線電電子學(xué)技術(shù)開始跨出通信系統(tǒng)，進(jìn)入人類活動的更多領(lǐng)域。

作為電子學(xué)裝置的核心器件，真空三極管推動著電子技術(shù)前進(jìn)，直至1947年，三位美國科學(xué)家發(fā)明晶體管，它才逐漸退出歷史舞臺。

1925年，蘇格蘭人貝爾德（1888-1946）實現(xiàn)了用電信號傳送活動圖像的構(gòu)想，發(fā)明了最早的電視。

貝爾德的方案非常富于想象力。他借用電影的做法，將不斷變化的景物影像分割為間斷的畫面，然后連續(xù)發(fā)送這些畫面，再利用人眼的“視覺暫留”效應(yīng)，產(chǎn)生連續(xù)影像的效果。首先，通過透鏡將需要傳送的景物影像會聚成縮小的清晰圖像，在離影像不遠(yuǎn)處安放一個對光線敏感的元件，當(dāng)時他使用的是可以在光照下產(chǎn)生電流的硒片；然后，在影像與硒片之間放置一個轉(zhuǎn)盤，盤上有許多按照特定空間位置分布的透光孔，當(dāng)轉(zhuǎn)盤快速轉(zhuǎn)動時，影像不同部位發(fā)出的光通過轉(zhuǎn)盤上的小孔依次從左到右、從上到下投射到硒片上，使硒片依次產(chǎn)生隨影像不同部位亮度變化的電流；這種隨時間迅速變化的電流經(jīng)過真空三極管放大后傳向遠(yuǎn)方，使一個燈泡發(fā)光，燈泡的亮度變化則與影像不同空間位置的明暗變化一致；燈泡發(fā)出的光通過一個相同的轉(zhuǎn)盤投射到幕布上；當(dāng)兩個圓盤同步轉(zhuǎn)動、且轉(zhuǎn)動足夠快時，幕布上便呈現(xiàn)出與實際景物大體相似的影像。

在貝爾德最初研究電視的時候，人們認(rèn)為他的想法稀奇古怪不切實際，無人給予他經(jīng)濟上的支持。他只得白天替人推銷皮鞋油，晚上在狹小的頂樓做實驗，每天的收入只夠買面包和付房租，他的很多樣機是用餅干筒、自行車燈聚光鏡以及鞋帶捆扎的鐵條支架做成的。

1925年10月2日，貝爾德成功地把一個活動玩偶的舞蹈動作圖像，從頂樓的一個角落傳送到另一個角落。他激動萬分地跑下樓，把雜貨鋪里的一個小男孩拉上來當(dāng)他的第一位電視觀眾。貝爾德一夜成名，許多投資者紛紛解囊，希望他實現(xiàn)更大的目標(biāo)。1927年，貝爾德實現(xiàn)了從倫敦到格拉斯哥之間的電視信號傳送。1928年，貝爾德的電視信號從倫敦傳送到紐約。此外，貝爾德還發(fā)明了轉(zhuǎn)盤式彩色電視，提出了投影電視的設(shè)想，他認(rèn)為應(yīng)該讓人們像看電影那樣享受電視。

貝爾德發(fā)明的電視在實際應(yīng)用中存在三個嚴(yán)重問題：機械轉(zhuǎn)盤小孔掃描速度不夠快，通過小孔投射的光斑太大，圖像閃爍且不清晰；燈泡的亮度變化滯后，使再現(xiàn)的圖像和原來真實的情景不一樣；兩個轉(zhuǎn)盤在機械上不容易同步，需經(jīng)精細(xì)調(diào)節(jié)才能呈現(xiàn)穩(wěn)定的畫面。此外，這種電視裝置龐大，不適宜在室外播送電視節(jié)目。貝爾德發(fā)明的是一種光學(xué)機械電視，從原理上說，這些問題當(dāng)時難以解決。

1931年，出生在俄羅斯的美國發(fā)明家楚里金（1889-1982），采用在電場和磁場控制下的電子束再現(xiàn)活動圖像信息的方法，克服了機械轉(zhuǎn)盤電視系統(tǒng)的缺陷，實現(xiàn)了電視技術(shù)的實用化，奠定了現(xiàn)代電視技術(shù)基礎(chǔ)。

楚里金改進(jìn)了布勞恩發(fā)明的陰極射線示波管。他在示波管底部涂敷可以在光照射下產(chǎn)生電荷的材料，用從左到右、從上至下掃描的電子束使圖像亮度的空間分布轉(zhuǎn)換成隨時間變化的電流。這種電流可以通過導(dǎo)線或電磁波遠(yuǎn)距離傳輸，控制另一個示波管中的電子束，使其產(chǎn)生由左至右、由上而下的掃描運動，并把隨時間變化的電流還原成不同空間位置的亮度變化，在熒光屏上再現(xiàn)原有景物。由于電子可以聚成很細(xì)的電子束，在電場和磁場控制下迅速移動，因而能夠獲得清晰、穩(wěn)定的畫面。

楚里金把產(chǎn)生電視信號的器件稱為光電攝像管，把再現(xiàn)影像的器件稱為電視顯像管，由于在這兩個器件中的物理過程幾乎是同時發(fā)生的，所以傳輸?shù)膱D像基本上沒有滯后。

在傳送電視畫面的時候，楚里金采用的方法就像是以一種特殊的方式搬動一塊花布到另外一個地方：首先沿水平方向抽取花布最上方的第一條緯線，緊接著抽取第二根、第三根……直到抽完最后一根。這些抽出的線被首尾相連牽拉到另外的地方，并重新按順序復(fù)原，這些緯線便組成了與原來花布一樣的圖案。只要抽運和重組的速度足夠快，這塊花布就好像在一瞬間挪動了地方。

全電子化的電視于1935年開始在德國向公眾播出。1936年，這種電視轉(zhuǎn)播了在德國柏林舉辦的奧林匹克運動會實況，此時還是黑白電視。全電子化彩色電視于1949年在美國研制成功，1951年第一次向公眾播出。

有了電視，人們足不出戶可以看到遠(yuǎn)方發(fā)生的事情。今天，電視已經(jīng)進(jìn)入全球一半以上的家庭。每天有數(shù)以億計的人坐在電視機前，觀看世界風(fēng)云變幻、人間喜怒哀樂、宇宙萬千氣象。電視已經(jīng)從一件技術(shù)發(fā)明成為一種文化。