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上帝關了一扇門,萊納替陰極射線開了另一扇窗—《物理雙月刊》

文/余海峯|馬克斯.普朗克地外物理研究所博士後研究員

每一個我們習以為常的科學知識,都曾經是前沿的科學假設。例如X光顯影已成為日常生活中再普通不過的技術,這曾是倫琴得到 1901 年第一屆諾貝爾物理獎的前沿科學。 1905 年物理獎則頒給真空管的改造者菲利普.萊納(Philipp von Lenard),就是我們在倫琴文章中提到那一款 Crookes 真空管。

萊納的諾貝爾獎官方照片。圖/Nobelprize.org

時間是 1892 年。當時,萊納是著名的電磁波發現者赫茲(Hendrik Hertz)的助手。當時科學界仍不知道陰極射線的本質。德國物理學界普遍認為陰極射線是與紫外光一樣、在以太中傳播的波動(關於以太,我們留待以後介紹愛因斯坦時討論)。英國的物理學界則普遍認為陰極射線是由電子所構成的。然而,當時的電子物理模型仍未成熟,而且科學界連原子的存在也爭論不休,一直要到 1905 年愛因斯坦才證明原子真實存在。所以,本身是德國人的萊納比較接受陰極射線是以太波動的解釋。

有一天,赫茲告訴萊納,他發現陰極射線似乎能夠穿過鋁片。在此之前,所有陰極射線的研究都被局限於真空管內,受制於產生陰極射線的各種條件。其實「真空」管並非完全真空,因為不同的氣壓會影響陰極射線的強度和種類等。所以赫茲認為這一發現可能可以用來把陰極射線從真空管分隔開來,方便研究其本質。

赫茲因為工作太忙,就授權萊納去做這個研究。於是萊納就用鋁片成功把真空管一分為二,在確保陰極射線的產生條件下,首次把陰極射線分離出來。這個鋁造的真空管「窗戶」,就被稱為「萊納窗戶」。

真空管鋁片窗戶圖解,來自萊納的諾貝爾獎講座。圖/物理雙月刊

萊納把陰極射線從真空管分離出來之後,對其性質做了很多研究。例如,他發現陰極射線在真空管外與在真空管內一樣都會導致熒光和受磁場影響。他其後更發現陰極射線能夠電離氣體、產生臭氧、在照片上顯影、在真空內不受阻但會被氣體散射等等。最重要的是,他發現陰極射線在真空之中仍然會受磁場和電場所影響而偏轉,因此歸納出陰極射線本質帶有負電。這一結論證明陰極射線不是以太波動,而是一種帶負電的粒子,支持電子理論。

萊納對陰極射線的研究為他贏得 1905 年諾貝爾物理獎。他的研究推動了後來的現代物理發展,例如我們討論過的倫琴、貝克和居禮夫婦的研究,亦證明了帶負電的、質量非常小的粒子「電子」的存在。

可惜的是,緃使萊納的物理成就已為他帶來名譽,他一直覺得不足夠。萊納在希特拉上台後加入了納粹黨,成為了希特拉身邊的科學官員。萊納在二次世界大戰時參與迫害猶太科學家,包括愛因斯坦。萊納在戰後被捕送到國際軍事法庭受審,免去了他的海德堡大學終身教授名銜,於兩年後去世。

陰極射線管實物圖。圖/國立臺中教育大學,科學應用與推廣學系,自然科學文物室


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本文摘自《物理雙月刊》38 卷 12 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站

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