电子和无线电

🏠 首页 《无线电》杂志 1955年 🔗 第1期 🔗 第32页 分类:消息 🔗 沈肇熙 🔗

我们今天的生活里是不能没有无线电的,苏联的今天就是我们的明天,我们可以看看苏联的无线电深入到人民群众中去的程度。例如正在集体农庄上收获的农民随时可以用无线电话和收割站或者集体农庄联系;每一个城市或乡村的住户像我们使用电灯自来水一样的使用着有线广播或无线电收音机,每月只要付几个卢布的费用。我们不难想像无线电在中国的发展也会有同样美好的远景。今天在我们国家里无线电广播,也能够把政治、文化和新闻科学等知识大量的供给人民,无线电也应用在我国工厂、矿山、轮船、火车和守卫边境的武装部队里,无线电随着国家建设的发展,它和国家人民的关系是愈来愈密切了。

无线电是靠什么来起这样重大的作用的呢?可以这样说:整个宇宙大部分都是电子的活动世界,而无线电的活动领域不过是电子世界的一小部分。电子本身是很具体的东西,你家里装的矿石收音机,从天线到耳机,到处都有电子在起作用,无线电所用的电子管里,随时都有大量的电子在运动,它们不断的打击金属板,使它发热到烫手甚至根本不能用手摸的程度。任何无线电线网仪器,都是电子的活动场所,都有它们在起作用,所以我们大家谈无线电常识,最好还是从“电子”谈起。

电子是什么

电子很小,我们看不见它,用最新式的电子显微镜放大几十万倍也还看不见它,但是电子是实实在在存在着的东西。它在收音机的各种导线里流动着,通过灯丝就发热,通过变压器的初级线圈就会使次级线圈里也产生相应的电子运动,通过扬声器就会发出声音来,它还能够通过各种电子管内部的空间。

既是处处都活跃着电子,它们到底从哪里来的呢?我们说:电子的“家”是原子,我们晓得任何物质都是由无数原于组成的。在原子里不仅有电子,还有“质子”、很多原子里还有“中子”。质子带正电,电子带负电,中子就不带电。“质子”和“电子”是成对存在的,有一个电子必有一个质子,例如氢的原子里就恰好有一个质子和一个电子,没有中子,无线电常用的氖气管里的氖原子里有十个质子也有十个电子,另外还有十个“中子”。收音机里用得最多的炭质电阻里的炭原子,有六个质子和六个电子,另外还有六个中子。倘若一个原子失去了它原有的或得到了额外的电子,所含质子和电子数就不相等了,我们特别叫这种原子是“离子”,电子多于质子的叫负离子或阴离子,相反的情形叫正离子或阳离子。无线电里打交流变为直流的汞气整流管,和充蓄电池用的“吞茄”管里,在工作的时候就有不少的正离子。产生离子的过程叫做电离过程。各种气体电离时,就现出各种不同的颜色。氖气灯、霓虹灯或有些收音机里所装的稳压管,就靠离子维持工作,看起来颜色是很美丽的。

根据原子物理学家们的分析,所有原子都有一个“核”,在原子核里紧紧的安置着质子和中子,性质活动的电子们,像保卫自己的家似的,就围绕着这个原子核不停的旋转,原子所有的电子数很多时,还分几个层,电子们分布在各层上,好像运动员在不同的跑道线上一样不停的旋转着,这一层层的电子“跑道线”就叫做电子轨道。图一绘着氢的原子构造,图二表示氧的原子构造。

图1
图1 🔍原图 (332×488)
图2
图2 🔍原图 (526×494)
图3
图3 🔍原图 (514×539)

看了这些图画以后,我们很容易这样想到:为什么电子一定要不停的旋转呢?一个小朋友,用一根绳子一端系着一小块石头拿在手里甩,他的手在空中划小圆圈,石头就在绳的一端在空中划大圆圈(图3),他一定会感觉到在空中转圆圈的石子,对他的手有一股拉力,运动愈快,这种拉力也愈大,他必须用力拉着绳子拉石子,才能维持石子继续不停的旋转,不然的话一放手,石子就会飞得很远。同样的道理,原子核对旋转着的电子也是有着拉力的,否则电子早飞走了。反过来说,电子对原子核也有拉力,在这种拉力的作用下,电子必须不停的旋转,才不会被拉到核心里去。

有些原子的核里没有中子只有质子,可是它的旋转着的电子对原子核同样有拉力,所以电子和原子核间的相互拉力,其实就是电子和质子间存在着拉力。

图4
图4 🔍原图 (561×415)
图5
图5 🔍原图 (541×401)

电子和质子间存在着拉力的现象,不仅对于原子物理学家们有兴趣,对无线电来说,也是一个最基木最有用的作用。为什么电子会从电子管里的“阴极”跑到“屏极”上去呢(图4)?为什么收音机所用电池的“负极”上会有电子跑出来经过收音机而到达它的“正极”呢(图5)?因为这种“屏极”和“正极”上的原子失去了电子,显现出来的是质子的正电性,所以能够吸引电子。电子被质子吸引着在空间或导体里面运动,就成为电流,所以说电流是电子和质子相吸的结果。为了表示电子和质子的这种特性,我们认为它们都是带电的物质,按照习惯就说电子带“阴电”或“负电”,质子带“阳电”或“正电”。正电对负电的关系,就像它们之间接了一根拉得很长的弹簧一样(图6)。

图6
图6 🔍原图 (434×206)
图7
图7 🔍原图 (621×318)

除此以外,两个电子和一个质子间的吸力,比一个电子和一个质子间的吸力大一倍,电子和质子数愈多,吸力也愈大。还有电子和质子距离愈近,相互拉力愈大:相隔愈远,拉力愈小,而且电子和电子间,质子和质子间也都有力量相互作用。多次实验证明带同性电的物体间的力量是相互推拒而不是相互吸引(图7)。这种推拒力的大小也决定于电子或质子的数量,换句话说,可以从作用力的大小来决定带电量的多少。带电量的多少我们也常说是“电荷”的大小。电学里有两条有名的定律,就是上面这些说明的结束:——

第一条定律:电荷同性相斥异件相吸。

第二条定律:电荷间的吸力或斥力,和电荷的大小成正比,和电荷之间距离的平方成反比。

对中子来说,这两条定律都用不上,因为中子不带电,对整个原子来说,也同样用不上,因为原子里面的正负电荷相等,对外面显不出带电的性质,所以电荷间的力是电荷的一种特性。

整个原子不带电的事实,就说明了一个质子的正电荷和一个电子的负电荷是相等的,因为我们知道任何原子里质子和电子的数目是相同的。

现代物理学对于电子、质子的体积、重量和电子旋转层直径的大小,都有过比较精确的测定,质子比电子重1847倍,可是体积比电子还要小得多,电子运行的轨道比起来可很大,拿一个最简单的氢原子来看,假使我们按比例放大的话,质子的直径如果是一寸,电子的直径就是150尺,电子运行轨道的直径就是852英里!所以整个氢原子里面绝大部分都是空的,其他各种原子里面也都大部分是空的(图8)。

图8
图8 🔍原图 (487×535)

中子的质量和质子差不多相同,所以中子和质子决定了物质的质量因为中子不带电,好像没有什麽作用。其实凡原子核里有一个以上的质子,就需要有些中子起稳定作用,否则原子的组成是不健全的,会自己从一种原子变为另一种原子。例如铀的原子核里,有92个质子,配上了146个中子,还不够稳定,经常分化,同时放出能量来,我们说铀是有放射性的物质,又像镭的原子核里有88个质子,138个中子,还很不稳定,容易分裂放出很大的能量来,产生氦,最后变为铅(图9)。

图9
图9 🔍原图 (479×515)

上面我们从电子谈起,为了要了解电子,便又深入到原子里面去了解电子的“家庭环境”,现在我们对电子的认识已经比较清楚了,电子围绕着原子核的运转正像地球围绕着太阳的公转一样;和地球的自转相似,电子在原子里也有自转运动。这种电子的运动,和各种物质的磁性有关。在无线电天线上有“电磁波”在起作用(图10),变压器里有“磁力线”(图11),测量无线通信的方向要用磁指南针,“磁”这样东西和电子的运动是分不开的。只要电子一移动就产生“磁”,这是电子的另一种性质。

图10
图10 🔍原图 (464×536)
图11
图11 🔍原图 (457×292)

把上面所谈的问题综合一下,我们现在可以回答“电子是什么”这个问题了,电子有下列的几种特性:

i 电子是原子的构成部分之一

ii 电子带着电荷

iii 电子和质子相吸,电子和电子相斥,电子和中子或和整个原子没有相吸或相斥的关系

iv 电子的运动产生“磁”,“电”和“磁”在任何地方不可分离。(沈肇熙)