教育 物理

科學史與實驗的結合:重現湯姆森「發現」電子的過程

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撰文者:蔡坤憲
發文日期:2017-11-07
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  • 相對於力學而言,同學往往會覺得電磁學比較抽象與複雜。然而,看似錯綜複雜的電磁學,歸根結底,其實只有四個基本「定律」而已:電場的高斯定律、磁場的高斯定律、安培定律,與法拉第定律。

    回想自己在台灣時的求學與教學生涯,總覺得我們師生之間,把大多數時間都用在「讀物理」上,其中更有一大部分的精神是花在「考題」上。雖然大家的成績可能還不錯,但是,這樣的學習方式,很容易讓我們忽略了「物理定律」 與「自然現象」之間的關聯。

    這一期的專欄,我希望跟大家分享,我第一次在紐西蘭親眼看到「陰極射線管」時,心裡的那份震撼!以及我因此而發展出來的一個電磁學教學單元:發現電子。


    41c2dda4bd1745e9adaebfdcf79c1f13親眼目睹「電子」的風采!

    三年前,我初到本校服務,資深同事領著我參觀本校的儀器設備,當我看到陰極射線管時,心裏所生的那份震撼至今仍舊記憶猶新。其實,陰極射線管對我而言,並不陌生,因為我不僅已經讀過很多次,也口沫橫飛地教過很多年了。然而,我獨獨沒做過的,就是拿「真的陰極射線管」來教學!

    看著擺在眼前的這支陰極射線管,我好奇的向同事請教,該如何使用它?眼見同事以鱷魚夾測試線,把它與電源供應器,像連接普通燈泡那樣,以最基本的串聯電路把它接好。然後,打開開關,管中隨即出現了一條淡淡的綠色光線,當然,這就是我「在理論上」已經非常熟悉的陰極射線!

    或許大家會笑我「少見多怪」,但是,當下的我真是感到既驚又喜,特別是我不曾預期,這樣幾個簡單的高中實驗儀器,就能讓人親眼目睹到電子的風采!那份感受真是筆墨難以形容!於是,無暇顧及凌亂的桌面,我情不自禁地拿出手機拍照留念 (圖一)。

    圖一
    圖一:第一次親眼從陰極射線管中目睹電子的風采。

    這個經驗,讓我再次感受到,無論教科書裡的照片有多麼精美,老師的板書是多麼條理分明,甚至運用電腦動畫模擬或是拍成影片等等,都無法取代一個眼睛看得到、雙手可以碰觸的實體,所能產生的效果,而這正是學校實驗課的價值所在。而且,就在那一瞬間,彷彿時光倒流,讓人似乎可以感受到當初湯姆森 (Joseph John Thomson,1856 – 1940,簡稱J.J. Thomson) 在劍橋的卡文迪西實驗室,發「發現電子」時的那份喜悅!也是這個經驗,促使我決定換個方式,不再只是用語言描述電子,而是結合實驗與科學史,讓學生自己來「發現」電子。

    我的故事從西元前六百年,古希臘哲學家泰勒斯 (Thales,640 – 546BC) 留意到靜電現象開始,到湯姆森於1897年「發現電子」為止。我也跟學生強調,人類從知道「電」的存在,到發現電子,總共花了將近二千五百年的時間!

    在電子正式出現之前,有三個準備階段:首先是摩擦起電,其次是磁鐵與磁場,然後是厄斯特實驗──這座電學與磁學之間意外搭起來的橋樑。最後,才讓陰極射線管登場。

    41c2dda4bd1745e9adaebfdcf79c1f13Electricity =「似琥珀般的吸引力」

    故事是從西元前六百年泰勒斯注意到,琥珀與衣服摩擦之後,可以吸引一些小物體(如稻草或麥稈的小碎片)的這個現象開始。因此,第一堂課其實有點「憶童年」的味道,因為大部分的學生在小學的自然課裡,便已經做過許多「摩擦起電」的實驗(圖二上),例如:拿著毛衣去摩擦塑膠尺或水管,之後再去吸引保麗龍球,以及讓水流彎曲等等。我也搬出凡德格拉夫起電機(Van de Graaff generator),讓同學再次玩一下讓頭髮翹起來,以及伸出手指頭去「電人」的遊戲,聽著啪啪作響的放電現象等等。

    在實驗過後,我不是用一般教科書的說法「塑膠尺得到電子,而毛皮失去電子」來做結論,而是提醒同學,此時的人類雖然已經留意到靜電現象,但並不知道電子為何物?接著,我又補充了幾個科學史上的故事:西元1551年,義大利數學家卡當諾 (Jerome Cardan,1501 – 1576) 才區分出琥珀與天然磁石的「吸引力」略有不同:琥珀能吸引許多小物體,但是天然磁石只能吸引鐵器。這個如今看似明顯易懂差別,人類卻是經過了兩千多年,才可以區分出「電」與「磁」這兩種吸引力的不同。

    英文的Electricity (電) 是源自吉爾伯特 (William Gilbert,1544 – 1603)。這位英國女皇伊莉莎白一世的御醫,對電磁現象做了一系列研究,於1600年出版了《論磁石》(De Magnete)。在這本巨著中,他描述了鑽石、玻璃、硫磺、蠟等物質都有類似琥珀的性質,並以拉丁文的琥珀 (electrum) 為基礎,創造了一個新的拉丁文electricus,意即「似琥珀般的吸引力」。稍後,在英國博物學家布朗爵士 (Sir Thomas Brown,1605 – 1682) 於1646年出版的百科全書中,英文的「電」字才正式出現 。因此,英文的「電」字,很簡潔又恰當地摘要了「摩擦起電」這段歷史。

    圖二
    圖二:(上)讓學生「憶同年」的摩擦起電實驗。(下) 示範電荷具有「類似流體」的實驗:(左) 導體與絕緣體的不同。(右) 鋁箔紙杯與凡德格拉夫起電機上

    41c2dda4bd1745e9adaebfdcf79c1f13電=富蘭克林的風箏

    在跟紐西蘭的學生介紹electricity這個字的來源時,不禁讓我好奇,我們中文的「電」字是否有什麼特殊的含義?

    根據《說文解字》記載:「電,陰陽激燿也。從雨從申」。「申」是電與神的本字,在甲骨文中象徵神秘而令人驚恐的霹靂、朝各個方向開裂伸展的閃光。金文在「申」的字形的基礎再加上「雨」,強調「電」與雨天相伴的霹靂天象特徵。「從雨從申」是指結合「雨、申」的象形會意字:下雨時天幕上出現的鋒利多齒的閃光。看完這段記載,不禁讓我聯想到,富蘭克林 (Benjamin Franklin,1706-1790) 在1752年時進行的那個瘋狂而著名的實驗:在雷雨中放風箏。

    有趣的是:富蘭克林的風箏,不僅成功地把原本屬於天上的電,成功地引進人間,更印證了他原本的想法:雷電與摩擦起電在本質是相同的。也就是說,富蘭克林的風箏,巧妙地結合了「似琥珀」與「從雨從申」這兩個字,很貼切地把electricity中譯為「電」。

    附帶一提的是,我的這群老外學生,對於我分享中文的「電」字由來,以及富蘭克林的風箏這段巧合,反應非常熱烈。這一段異文化的分享,也算是在物理學裡添加一點「人文」的成分。

    41c2dda4bd1745e9adaebfdcf79c1f13電荷守恆定律

    電,除了具有「似琥珀般的吸引力」之外,還有「類似流體」的性質。我們透過兩個基本的實驗 (如圖二下),來建立「電流」的觀念:首先,讓鋁箔紙杯從凡德格拉夫起電機上飛起來的示範實驗。其次是實地測量導體與絕緣體的差別。實驗之後,我引導學生從科學史的角度,重新審視教科書中關於「導體」與「電流」的定義。

    史上第一位區別出導體與絕緣體的科學家,是英國的染色化學家與天文學家戈瑞 (Stephen Gray,1666 – 1736),他也是第一位發現靜電感應具有「超距現象」(不需接觸,便能產生作用力) 的人。他在1729年時,發現了電的傳導現象:電荷具有一種「類似流體」的特質,可以從某個物體傳遞到另一個物體。此外,法國的化學家杜法 (Charles du Fay,1968 – 1739),除了注意到導體與絕緣提的差別之外,更在1733年發現有兩種不同的電荷,並將之命名為「玻璃電」與「琥珀電」,也發現電荷之間具有「同性相斥、異性相吸」的特性。

    在統整這些電學的現象時,當時的電學權威富蘭克林,在1747年時提出的一個「單流體」理論:所有的物體都含有電,而電只有一種。處於平衡狀態下的物體,不會顯示出特別的電學特性。當電量在兩物體之間流動 (轉移),物體便因其所含有的電過多或太少,而出現正、負電的特性。例如當絲巾摩擦玻璃棒之後,電由絲巾轉移到玻璃上,使得玻璃棒因「電量增多」帶正電,絲巾則因「電量減少」帶負電。因此,物體雖然具有正、負兩種不同的電性,但卻不能把「電」視為兩種不同的「流體」,因為,就整體而言,總電量是固定的,這很類似我們現在所謂的「電荷守恆定律」。

    41c2dda4bd1745e9adaebfdcf79c1f13一個歷史的偶然:電流與「電子流」的方向相反

    值得一提的是,由於當時人們還不了解原子的結構,自然不知道原子可以被分割,也還不知道電子的存在,因此富蘭克林在指定「玻璃電為正電」之後,就意味著,「正電 荷」是那個唯一可以流動的電荷,而它的流動方向,當然就是電流的方向。

    一百五十年之後,也就是1897年,湯姆森發現電子,以及隨後科學家對原子的構造,有更進一步的了解之後,我們了解到,原來杜法與富蘭克林各自說對了一半,亦即:電荷的確是有兩種,但只有一種電荷會流動。而且,在導體內流動的電荷,其實是帶負電的電子。也就是說,當初富蘭克林隨機指定了「玻璃電為正電」之後,導致「電流」與「電子流」方向相反的問題。不過,由於物理學家一直沿用富蘭克林所定下的規則,因此這也成了困擾所有物理初學者的一個問題。

    41c2dda4bd1745e9adaebfdcf79c1f13Magnet =「來自麥格尼西亞的石頭」

    在電學之後,我們也是從「憶童年」開始,來介紹磁鐵與磁場。我搬出許多的磁棒、馬蹄形磁鐵、磁針、羅盤等等,讓同學重溫磁極間「同極相斥、異極相吸」的現象。之後,除了用鐵粉讓同學觀察到「磁場」之外,也利用磁場與磁力線的示範教具 (圖三),讓同學對磁場有個視覺化的想像。

    圖三 磁力線

    圖三:磁鐵、磁場與磁力線。

    不論東西方,人類注意到「磁可吸鐵」這個自然現象,也是其來已久。古希臘的泰勒斯,不僅注意到靜電現象,也記錄了磁石可吸引鐵物質與其它磁石的特性。傳說中,最早發現磁石的地方是在希臘的麥格尼西亞 (Magnesia),磁的英文「magnetism」也因此得名。在中國,最早留下的文字紀錄,出現於西元前四世紀戰國時期的《鬼谷子》,他以生活中常見的「磁石吸取鐵針」現象為比喻,教導人們在溝通時,要能聽懂言語背後的含義:「其察言也,不失若磁石之取鍼」。

    磁石除了可以「吸鐵」之外,懸掛的磁石總會朝向特定的方向,因而有「司南」之稱。吉爾伯特在其1600年時出版的巨著《論磁石》中,清楚地描述了電與磁之間各種現象的異同,並指出地球本身具有磁性,好似一塊巨型磁鐵,成功地解釋了磁針能指引方向的原因。

    41c2dda4bd1745e9adaebfdcf79c1f13厄斯特實驗:電與磁之間的橋樑

    《論磁石》的出版,使磁學正式成為一個獨立的學門,而之後的二百餘年,電學與磁學始終是兩門各自獨立發展的領域。一直到1819年,丹麥的物理教授厄斯特 (Hans Christian Oestered) 在一次準備教學示範實驗的過程中,意外發現載有電流的導線,會使附近的磁針發生偏轉的現象,至此,人類首次發現電與磁之間的關聯性。

    稍後,1820年九月,法國科學家安培 (André-Marie Ampère) 根據厄斯特的實驗,成功地以實驗展示,兩條平行的載流導線,當電流方向相同時,彼此會互相吸引;若電流方向相反,則會互相排斥。1826年,安培進一步定量地推導出,在長直載流導線附近的磁場大小,此即著名的安培定律。至此,物理學家算是充分地了解了電流 (流動的電荷) 與磁場間的交互作用背後的原理。


    綜觀這一段靜磁學的發展史,科學家發現幾個重要的現象:

    一、磁石可以「吸鐵」(還有鈷與鎳),但不能吸引其它常見的金屬,如金銀銅鋁等;

    二、磁極之間存在著「同極相斥、異極相吸」的現象,但卻不像電荷有單獨存在的正負電荷,磁極並沒有「磁單極」的存在;

    最後,也是最特殊的:磁場的來源,不僅限於磁石或磁鐵,電流也會產生磁場。因此,磁力不僅存在於磁鐵的磁極之間,磁場與「電流」之間也會有交互作用力,也就是說:磁場會對「移動的電荷」產生作用力。


    在課堂的實驗課部分,重現厄斯特實驗是一大教學重點:

    首先,把磁針放在載流導線附近 (厄斯特實驗),讓學生「眼見為憑」,親眼見證磁針因電流而偏轉的現象。

    其次是「右手開掌定則」的示範實驗 (圖四):磁場、電流與磁力這三個方向之間的關聯。

    圖四 右手開掌定則

    圖四:右手開掌定則示範實驗。

    至此,我覺得「準備工作」算是告一段落了,於是我們開始介紹陰極射線管 (圖五)。我鼓勵學生去回顧整段歷史, 把自己想像成「湯姆森」,看看自己能從這條淡淡的綠色光束中,看到了什麼?
     

    圖五

    圖五:陰極射線管示範實驗。

    在整個課程與課堂討論結束之後,我準備了1906年湯姆森獲頒諾貝爾講時所給的演講,主題是「負電性的載子」(Carriers of Negative Electricity),作為回家閱讀的作業。

    科學,不過是每日思考的提煉而已!

    在科學史上,電子的發現是一個很具啟發性的事件。

    首先,湯姆森雖然不是唯一測量陰極射線荷質比的人,也不是第一位發表這個成果的物理學家,但是,就像牛頓一樣,他也是從「巨人的肩膀上」看出來這些實驗與量測數據背後的意義:陰極射線是由「帶有負電的微小粒子」所組成,無論來源為何,只要物體帶有負電,便具有這些比原子還小的「微小粒子」。從此,原子再也不是一個不可分割的最小粒子,也開啟了科學家探索原子結構的大門。

    其次,「暫時性正確」與「從錯誤中學習」是科學知識的兩大特色。相較於傳統的教學方式,結合科學史的探究發現式教學,也許在教學時間上較不經濟,但對於凸顯科學知識的本質,提升學生的學習興趣,以及建立與釐清重要的科學觀念等,仍舊是一個非常有價值的教學模式。


    延伸閱讀:
    1922年諾貝爾物理獎:尼爾斯.波耳
    1906年諾貝爾物理獎:約瑟.湯姆森

    好書推薦:『薛丁格的貓:50個改變歷史的物理學實驗』

     

     

     

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