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三四

　　第八章　探索电子的奥秘

　　爱迪生由于从事研究活动并把发明用于实际工作，所以时常观察到一些从属的、然而在科技上都很重要的现象和作用，被称作“爱迪生效应”的热电子发射现象，就是属于这些从属的发现之列。爱迪生一碰到这些现象后，就不再是作为一个普通的观察者开始研究它，而是力求查明它产生的条件，和可以用之于实际的某些途径。爱迪生是第一个观察到了热电子发射现象的人，确切地说，他是在科学上连电子这一概念还没有产生的时候就观察到了这种现象的人。后来各国的科学家和学者，则需要花费30年时间去弄清楚爱迪生效应的物理性质，开始对爱迪生效应进行运用。以后紧接着的才是深入探索电子现象的奥秘，并寻求在科技方面能加以广泛利用的可能性。在爱迪生观察到这种现象之前，任何人都还没有想像出，电会脱离奴隶般地依附于导体的状态而独立存在。爱迪生的试验表明，在一定的条件下即使没有导线，电也能以近似光速的速度运动。

　　一

　　电子管是对爱迪生效应进行研究工作的直接结果，它的应用极为广泛。现在，即在20世纪的后50年，可以更正确和充分地评价爱迪生效应的重要性。现代科学的得力的手段——无线电，是以电子仪器为基础的。如果没有电子管的广泛的应用，大量自动装置和遥控自动装置、电视装置、计算机、各种控制仪器是不可想像的。电子管是对发展人类社会生产力具有革命影响的主要技术因素之一。电子管得到广泛应用，是因为它有着非常良好的性能。我们要指出的是，电流本身通过电子管会发生很大的变化：电子管的作用不取决于电流的频率特性，因为电子管能准确地控制电流并不断地使电流的特性发生变化；虽然绝大多数用来使电流发生变化的其他仪器也在逐步地实现着这一功能。电子运动本身及其速度，能够通过改变电子管内各电极上的电势加以调整。电子管可以是电流放大器和电流检波器，而在一定的条件下可以成为高频振荡器。但所有这一切，在上一世纪80年代头5年甚至没有人设想过，气体放电的物理学知识很少。但爱迪生当时已制造出了世界上第一个仪器（他叫作“电气指示器”），该仪器的作用是以电子发射效应为基础的。

　　是什么东西使爱迪生有这一发现的呢？

　　爱迪生在1879年末，基本上结束了制造强阻抗炭丝真空白炽灯的研究工作。这种白炽灯在实验室的条件下进行了全面试验，并已准备生产一批白炽灯进行试用，这是为了查出它在使用时出现的缺点并加以克服，以保障在大范围内推广电照明。组织大规模生产白炽灯的问题提到日程上来了。需要最后完成对整个电照明系统的深入研究，创造出最简单而又最适用的条件，保证电照明装置能正常地工作。对门罗园工厂最初生产的几批供试验用的白炽灯，通过试验表明，白炽灯的缺点并没有都被发现而加以克服。在对白炽灯整个使用期限内进行观察的结果有一个缺点引起了爱迪生的特别注意即灯泡玻璃表面变黑的现象。

　　变黑现象在所有的白炽灯中，都毫无例外地出现，而且白炽灯使用时间愈长，变黑的程度就愈明显。当时生产的是光度小的10～16支烛光的白炽灯。灯泡变黑就损失了将近百分之五十的光通量，这些白炽灯的光线变得很暗淡。把消耗的能量变换成光能的经济效益降低了，因此电照明的价格提高了。白炽灯的有效寿命缩短了。无论是爱迪生，还是其他炭丝白炽灯设计家，都没有消除玻璃灯泡变黑的问题。对白炽灯生产工艺进行改进和提高炭丝质量，也都只能减缓而不能消除这种现象。直到改用钨丝和充气（1908年—1913年），才几乎完全消除了这一缺点。

　　二

　　爱迪生多次觉察到，在抽去灯泡里的气体时，如果电流通过灯丝，真空灯泡里就产生出淡蓝色的辉光。这种效应以前彼得罗夫、法拉第就曾经观察过。这是一种在极稀薄的空气中放电的现象。这种辉光在以前研究静电时就曾注意到。爱迪生正确地解决了真空灯泡中产生放电的现象。但当时还不清楚的是，是否可以把灯泡变黑和放电作用联系起来。其实，在当时某些有关电的书籍中，已经提到过一些想法，一看就能帮助确定灯泡发黑原因。例如，法国电学研究家杜费，几乎在爱迪生进行观察的两个世纪前就已弄清了下列事实：与烧红的金属相接触的空气，就具有散发电荷的特殊性能。18世纪的其他科学家也曾指出过类似的事实。

　　所有这一切，都使爱迪生作了如下推测：灯泡内壁的沉积物，是脱离了炽热灯丝的炭尘的带电粒子散发的结果。必须更深入地研究这种现象。在比较细心的考察中发现，粒子并不是均匀地沉积在灯泡壁上的；经常可以看到有一个窄狭的小带状区，它比灯泡的其他变黑的部分轻得多。这一仿佛是一种“白影子”的东西，通常都和弯曲成U形的灯丝的两根支路在灯泡的同一个平面上。结果仿佛一根灯丝支路屏蔽了另一根支路。在所有的情况下，总是造成光带区的那一根灯丝支路与直流电源的正极连在一起。

　　由这种观察可以作出下列结论：炭粒子不是散发，而是直线式地从灯丝的负极支路那里脱开。这样一种假设是完全合乎情理的，即从带电体表面脱离开来的最小微粒，其本身就带有电荷。认为只要往灯泡里引入一个附加电极，即一个带正电荷的或与直流电路的正极连接在一起的电极，这些带电的炭粒子就要离开直线路径而被附加电极所吸引，这也是合乎逻辑的。爱迪生也开始了这样的试验。已公布的爱迪生在实验室的记录中可以看出，早在1880年初就已开始准备进行这些试验，并设计出了有附加电极的灯泡。

　　1961年出版的柳易斯的著作中，就引用了从实验室记事簿中复印下来的一页，这一页上有注着1880年2月13日的“第一次试验”的草图；根据这一任务，应当由实验室的一名叫奇·巴切勒的助手制造出必需的灯泡。因为爱迪生实验室和工厂总是不打折扣地并且在最短期限内制出那些试验用的灯泡的，所以怀疑这样的灯泡是否已经制造了出来是没有根据的。根据爱迪生亲手写的这个定做单，必须制造出有小马蹄形炭质灯丝的灯，在这种灯丝上空应当接入一根穿过灯泡玻璃的金属线（显然是铂丝）；这一金属线的外端能被连接到直流电源的正极上。实际上这个灯泡是二极电子管的雏形。所以就有理由认为，早在1880年爱迪生就已很接近于制造电子管了。当时爱迪生是否已开始自己的试验，我们还不能确切知道。
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