尹曉冬 ，蔡國(guó)英 ，劉戰(zhàn)存

(1. 首都師范大學(xué) 物理系， 北京　100048； 2. 北京二中分校， 北京　100010)

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K.F.布勞恩對(duì)物理學(xué)的幾個(gè)重要貢獻(xiàn)

尹曉冬1，蔡國(guó)英2，劉戰(zhàn)存1

(1. 首都師范大學(xué) 物理系， 北京100048； 2. 北京二中分校， 北京100010)

簡(jiǎn)要回顧了K.F.布勞恩的生平，闡述了他發(fā)現(xiàn)晶體的單向?qū)щ娦裕l(fā)明陰極射線管和陰極射線示波器，以及對(duì)改進(jìn)無(wú)線電報(bào)所作出的重要貢獻(xiàn)，概括了他以創(chuàng)新為己任，在創(chuàng)新中堅(jiān)持走自己的路，注意發(fā)揮自己的專長(zhǎng)這幾個(gè)成功因素.

K.F.布勞恩；晶體的單向?qū)щ娦裕魂帢O射線示波器；無(wú)線電報(bào)

K.F.布勞恩(Braun K F，1850—1918)1850年6月6日生于德國(guó)卡塞爾(Hesse-Kassel)的富爾達(dá)小鎮(zhèn)，1868年到馬爾堡(Marburg)大學(xué)學(xué)習(xí)，1869年轉(zhuǎn)到柏林大學(xué).1872年以彈性桿和弦的振動(dòng)論文獲博士學(xué)位后，作為奎因克(Quincke G H, 1834—1924)教授的助手在維爾茨堡大學(xué)工作，1874年到萊比錫的圣·托馬斯高中任教；3年后任馬爾堡大學(xué)副教授.1880年起先后任斯特拉斯堡(當(dāng)時(shí)屬于德國(guó))大學(xué)、卡爾斯魯厄工業(yè)大學(xué)和蒂賓根大學(xué)教授[1]，1895年回到斯特拉斯堡任物理學(xué)院院長(zhǎng)[2].1909年“因在發(fā)展無(wú)線電報(bào)中作出的貢獻(xiàn)”，他和馬可尼(Marconi G, 1874—1937)分享了諾貝爾物理獎(jiǎng).第一次世界大戰(zhàn)開始不久，他被傳喚到紐約為一項(xiàng)專利訴訟作證.1918年4月20日，因病在紐約逝世[3].

1　研究晶體的性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)單向?qū)щ娦?/h2>

在維爾茨堡工作時(shí)，他受老師奎因克的影響，用實(shí)驗(yàn)研究了十余種熔化鹽的導(dǎo)電性，希望從中得出與歐姆定律對(duì)應(yīng)的規(guī)律，但結(jié)果令人失望.當(dāng)時(shí)教授助手收入很低，為減輕家庭負(fù)擔(dān)，1874年他到高中任自然科學(xué)和數(shù)學(xué)教師.每周有20節(jié)課的教學(xué)任務(wù)，但他依然在教學(xué)之余，擠出時(shí)間進(jìn)行研究.

他仔細(xì)閱讀了希托夫(Hittorf J W，1824—1914)關(guān)于硫化銅電阻與溫度關(guān)系的論文，開始研究金屬硫化物晶體的導(dǎo)電規(guī)律.實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)是如何可靠地夾持晶體樣品，希托夫用臺(tái)鉗將其夾緊，但布勞恩發(fā)現(xiàn)這個(gè)方法太麻煩，稍有不慎還容易將樣品夾碎.他用一根銀絲做成環(huán)狀支撐晶體，用另一根銀絲做成的彈簧尖端壓向晶體[4].這樣做不需要臺(tái)鉗和夾子，還能保持接觸力的大小適當(dāng).這個(gè)裝置，也恰好滿足了點(diǎn)接觸的條件.

他使用了方鉛礦、黃鐵礦、軟錳礦、黝銅礦等多種晶體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這些晶體不遵從歐姆定律，“特別是一個(gè)電極在一個(gè)小的表面積上接觸時(shí)，更是如此[1].”與人們所期待的不同，它們對(duì)電流的阻礙作用與所流過(guò)電流的大小和方向有關(guān)[5].

不久，布勞恩發(fā)現(xiàn)金屬硫化物晶體具有單向?qū)щ娦訹2].他在論文中說(shuō)：“用大量天然和人造金屬硫化物以及很多不同的碎塊，用我能找到的最完善的晶體，同樣包括粗糙的樣品，我發(fā)現(xiàn)它們的電阻隨電流的方向、強(qiáng)度和持續(xù)性而不同.差別的大小達(dá)到總量的30%.”[6]這篇論文現(xiàn)在被視為半導(dǎo)體物理開端的標(biāo)志[7].這一觀察最終導(dǎo)致了半導(dǎo)體“整流器”在無(wú)線電晶體、三極管和固體電子器件中的應(yīng)用.

1877年，他到馬爾堡任教后，在自然科學(xué)促進(jìn)會(huì)宣讀了有關(guān)單向?qū)щ娦缘恼撐?，證明了氧化錳也有整流效應(yīng)，而且這一效應(yīng)與其表面氣體的存在無(wú)關(guān)，在真空中完全可以得到相同的結(jié)果.他使樣品一次連續(xù)單向?qū)щ?個(gè)小時(shí)，也沒有檢測(cè)到晶體的任何分解；他還證明了隨著所選接觸面的不同，接觸電阻會(huì)發(fā)生明顯改變.

布勞恩的發(fā)現(xiàn)，受到了一些來(lái)自不同方面的批評(píng)和質(zhì)疑.一位在哥廷根的瑞士博士生，提出他不能重復(fù)實(shí)現(xiàn)在交流和直流電壓同時(shí)作用下的布勞恩單向?qū)щ娦?；甚至著名教授魏德?Wiedemann G，1826—1899，研究過(guò)熱傳導(dǎo)及磁效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了魏德曼效應(yīng))也在他的著作中對(duì)布勞恩的結(jié)果提出質(zhì)疑，推測(cè)布勞恩的實(shí)驗(yàn)可能有產(chǎn)生誤差的環(huán)節(jié)；而實(shí)際上布勞恩已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中認(rèn)真地消除了這些可能引起誤差的來(lái)源.面對(duì)這些批評(píng)，布勞恩又作了進(jìn)一步研究，將過(guò)去實(shí)驗(yàn)用的純直流電，擴(kuò)展到交流和斷續(xù)的直流電流.他堅(jiān)定地認(rèn)為，這種單向?qū)щ娦?，不是源于局部受熱或表面變化，也不是由于任何人工努力的結(jié)果.

1883年1月，布勞恩發(fā)表了“關(guān)于在固體中單向?qū)щ姷囊恍┰u(píng)論”，這是他關(guān)于晶體整流效應(yīng)的第4篇文章.他把所能想到的有關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)工作都做了.他的最新觀察，確定了這種效應(yīng)在電流持續(xù)(1/500)s的時(shí)間內(nèi)仍可發(fā)生，證明了即使對(duì)于很短的電流脈沖，這一效應(yīng)依然成立[4].他用通過(guò)水銀槽的金屬擺尖控制電流持續(xù)時(shí)間，確定短暫的時(shí)間間隔.布勞恩在論文中說(shuō)，“現(xiàn)在我不敢提出比我以前已經(jīng)做出的對(duì)這些觀察的更多解釋；我只希望再一次地強(qiáng)調(diào)，它們不能用以前已經(jīng)知道的事實(shí)來(lái)解釋.”[8]

受到當(dāng)時(shí)理論發(fā)展的制約，對(duì)硫化物單向?qū)щ娦赃€不能作出合理的解釋，但是布勞恩對(duì)實(shí)驗(yàn)實(shí)事求是，嚴(yán)謹(jǐn)縝密，對(duì)自己實(shí)驗(yàn)中得出的結(jié)果堅(jiān)信不疑，并且堅(jiān)信這種現(xiàn)象在物理學(xué)中的重要性.科學(xué)技術(shù)的發(fā)展證明了這一點(diǎn)，布勞恩最早發(fā)現(xiàn)的礦物中半導(dǎo)體材料的特性，打開了半導(dǎo)體物理學(xué)的大門.印度科學(xué)家玻色(Bose J C，1858—1937)1894年將晶體用于微波檢波，1901年獲得了方鉛礦檢波器的專利權(quán).美國(guó)工程師皮卡德(Pickard G W)將晶體檢波器發(fā)展為一個(gè)實(shí)用的器件，1906年獲得了碳化硅檢波器的專利.上世紀(jì)20年代前后調(diào)幅廣播興起，不用放大電路的收音機(jī)僅用天線接收到的能量工作，成千上萬(wàn)的人制作和使用礦石收音機(jī)，由于省去了昂貴的真空管和電池的消耗，很受歡迎[9]，在我國(guó)上世紀(jì)50年代也頗為流行.“二戰(zhàn)”前后，由于工作于微波波段的雷達(dá)發(fā)展需要，硅和鍺的點(diǎn)接觸二極管得到廣泛應(yīng)用，這個(gè)時(shí)期對(duì)p-n結(jié)的研究，為半導(dǎo)體三極管的發(fā)明，以致后來(lái)集成電路的研制奠定了基礎(chǔ)[10].

布勞恩之所以能做出金屬硫化物單向?qū)щ娦缘陌l(fā)現(xiàn)，除了得益于老師奎因克的影響，也和他在中學(xué)期間培養(yǎng)的興趣密不可分.上中學(xué)時(shí)他得到了自然科學(xué)教師吉斯(Gies W)的器重和熱情指導(dǎo)，寫出了配有200余張親手繪制插圖的晶體學(xué)教科書.手稿轉(zhuǎn)給吉森大學(xué)的礦物學(xué)教授克諾普(Knop A)看過(guò)，得到了很高的評(píng)價(jià).但沒有一家出版社愿意為一個(gè)15歲的中學(xué)生承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)，這本書未能出版.當(dāng)了教師以后，布勞恩對(duì)晶體學(xué)的興趣絲毫未減.在測(cè)量?jī)x器很落后的情況下，逐個(gè)測(cè)試多種晶體樣品的導(dǎo)電性能，在常人看來(lái)是十分繁瑣和枯燥的.但是對(duì)晶體學(xué)的興趣，使布勞恩在學(xué)習(xí)和研究中產(chǎn)生了輕松愉快的體驗(yàn)，得到精神上的滿足，產(chǎn)生了更高水平的求知欲；使他產(chǎn)生了驚人的毅力和創(chuàng)造性，使他對(duì)晶體的性質(zhì)情之所鐘，促使他發(fā)現(xiàn)了某些晶體的單向?qū)щ姮F(xiàn)象.可見激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，是一種優(yōu)良的教育手段和有效的工具，是教育工作者的一項(xiàng)重要任務(wù).

2　改進(jìn)陰極射線管，發(fā)明電子示波器

2.1陰極射線提供基礎(chǔ)，實(shí)際需求引發(fā)研究

陰極射線的出現(xiàn)與研究為電學(xué)發(fā)展提供了重要基礎(chǔ).1838年，法拉第(Faraday M, 1791—1861)就在《電學(xué)實(shí)驗(yàn)研究》中記述了電流通過(guò)稀薄氣體時(shí)，有顯著放電并伴隨著陰極發(fā)光； 1858年，德國(guó)物理學(xué)家普呂克(Plücker J，1801—1868)觀察到一種陰極熒光現(xiàn)象，1876年，德國(guó)物理學(xué)家哥爾茨坦(Goldstein E, 1850—1930)確認(rèn)這是一種陰極射線.在追蹤陰極射線的過(guò)程中，19 世紀(jì)80年代，赫茲(Hertz H，1857—1894)驚人地發(fā)現(xiàn)，陰極射線可以穿透薄的金屬箔.1894年勒納德(Lenard P E A, 1862—1947)做成了在陰極對(duì)面有薄鋁箔窗的管子，發(fā)現(xiàn)這種射線能透過(guò)窗口，在幾cm內(nèi)的空氣中可以探測(cè)到.

1895年倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，引起了科學(xué)界極大震動(dòng)，一時(shí)間，很多人都開始研究X射線，試圖在這個(gè)領(lǐng)域作出新發(fā)現(xiàn)，陰極射線管引起了人們的強(qiáng)烈興趣.在這個(gè)背景下，布勞恩立即投身于這一新領(lǐng)域.但是布勞恩想到，在找出X射線新性質(zhì)或?qū)ふ腋碌纳渚€方面，一時(shí)可能沒有太多的工作可做，不如把更多的精力放在X射線來(lái)源的研究上.事實(shí)果真如此，倫琴已經(jīng)非常全面細(xì)致地研究了X射線的各種性質(zhì)，在這個(gè)基礎(chǔ)上短時(shí)間內(nèi)很難再作出新發(fā)現(xiàn).

長(zhǎng)期以來(lái)布勞恩就對(duì)振蕩現(xiàn)象有著濃厚的興趣：他撰寫的博士論文，就是關(guān)于弦和彈性桿振動(dòng)規(guī)律的研究.但當(dāng)時(shí)缺少適當(dāng)?shù)膬x器，無(wú)法直接用眼睛觀測(cè)，引起了布勞恩的關(guān)注.加上中心發(fā)電站投入了使用，需要對(duì)新交流電系統(tǒng)的電壓、電流和相位進(jìn)行測(cè)量[11].

當(dāng)時(shí)已經(jīng)有人利用投射在固定于靈敏電流計(jì)動(dòng)圈下小鏡子上的光線發(fā)生反射(由于動(dòng)圈的振動(dòng)偏轉(zhuǎn)角與所加電壓成正比，這樣小鏡子反射光線的偏轉(zhuǎn)也就與加在動(dòng)圈上的電壓成正比)，被反射的光線再照到與第一面小鏡子運(yùn)動(dòng)方向相垂直的第二個(gè)電流計(jì)的小鏡子上，使得最終反射到屏幕上的光線在橫向也得到了展開，得到電壓波形，其中第二面鏡子起了掃描作用.這種裝置即電動(dòng)機(jī)械示波器[4].

2.2改進(jìn)陰極射線管，誕生電子示波器

布勞恩很快認(rèn)識(shí)到，陰極射線管的某些特征，對(duì)于顯示波形是理想的.如果能將射線變成很細(xì)的一束，它們對(duì)管子內(nèi)屏的撞擊會(huì)產(chǎn)生一個(gè)光點(diǎn)，而不會(huì)使管子的整個(gè)照射面都變亮.由于磁場(chǎng)能使陰極射線沿垂直于磁場(chǎng)的方向運(yùn)動(dòng)，只要磁場(chǎng)能夠作周期性變化，受其作用的陰極射線就可以隨之同步振動(dòng)，于是運(yùn)動(dòng)的亮斑就可能反映電壓和電流的變化以及它們相對(duì)時(shí)間的關(guān)系[12].

1896年下半年，布勞恩設(shè)計(jì)了一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)其目標(biāo)的管子(后人也稱之為“布勞恩管”，其結(jié)構(gòu)如圖1)，他將陰極K置于管子的一端，陽(yáng)極A裝在與陰極有一定距離的管內(nèi)一側(cè)處，中心有一小孔的鋁制孔板C插在管子的頸部，可以將陰極發(fā)散出的射線限制成很細(xì)的一束，使得只有通過(guò)小孔的陰極射線能夠?qū)Ξa(chǎn)生圖像有貢獻(xiàn)，其余的絕大部分被阻擋住[13]，在屏幕上就可以得到邊界清晰的亮點(diǎn).將用來(lái)觀察的涂有氰亞鉑酸鋇或硅酸鋅等磷光材料的一個(gè)半透明云母圓盤D(即熒光屏)裝在管子的末端，磷光物質(zhì)朝向陽(yáng)極這一面.在管子內(nèi)裝上熒光屏，有史以來(lái)還是第一次，相對(duì)于過(guò)去用玻璃磷光觀察陰極射線是一個(gè)很大的進(jìn)步.使管子軸線沿水平方向放置，將一個(gè)軸線沿水平方向且與陰極射線管軸線方向垂直的線圈放在管子外面靠近孔板處，并使其通過(guò)待測(cè)電流，線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)將使電子束發(fā)生豎直方向的偏轉(zhuǎn).

圖1　布勞恩的示波管結(jié)構(gòu)示意圖(由文獻(xiàn)[12]原圖重寫字母和數(shù)字而成)

為了觀察隨時(shí)間變化的信號(hào)，在熒光屏前放一面旋轉(zhuǎn)的反射鏡，用于平移光線，起到水平方向掃描的作用，觀察者通過(guò)旋轉(zhuǎn)鏡可以看到移動(dòng)亮點(diǎn)掃出的二維曲線.

當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件十分艱苦：利用不封裝的管子實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須用手工操作的水銀真空泵不斷地抽真空；冷陰極的陰極射線管需要很高的電壓才能產(chǎn)生穩(wěn)定的陰極射線，用于產(chǎn)生高壓的感應(yīng)圈或手搖感應(yīng)起電機(jī)需要有專人照看；掃描旋轉(zhuǎn)鏡的旋轉(zhuǎn)速率也需要調(diào)整.

1897年2月15日布勞恩在“對(duì)隨時(shí)間變化電流的演示和研究”一文中，報(bào)道了斯特拉斯堡電站輸出的電壓是非常純凈的正弦波形，而感應(yīng)圈產(chǎn)生的波形很不規(guī)范，和正弦曲線只有一點(diǎn)相似；這是最早的示波器對(duì)電壓波形的漂亮顯示.研究者們第一次從中看到了在電路中發(fā)生的情況[4].這是示波器的雛形和基礎(chǔ)，它使得對(duì)電壓波形的直觀觀察從理想變成現(xiàn)實(shí).

在后來(lái)的實(shí)驗(yàn)中，布勞恩還證明了不用旋轉(zhuǎn)反射鏡，而在管子下面增加一根能旋轉(zhuǎn)的磁性棒也能使陰極射線沿水平方向偏轉(zhuǎn)，管子側(cè)面仍保持能使陰極射線上下偏轉(zhuǎn)的加有交流電壓的線圈，兩個(gè)互相垂直的簡(jiǎn)諧振動(dòng)同時(shí)作用在陰極射線上就可以產(chǎn)生利薩如圖.他觀察到了由改變磁性棒旋轉(zhuǎn)速率而隨之改變的利薩如圖的形狀，獲得了頻率比為2∶1的花樣.但由于在更高轉(zhuǎn)速下兩個(gè)頻率很難同步，因此未能顯示出更高比例的花樣.

和現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室各種精妙絕倫的示波器相比，布勞恩的示波器實(shí)在是太簡(jiǎn)陋太粗糙了.靠氣體放電產(chǎn)生陰極射線需要很高的電壓，且工作不穩(wěn)定；靠孔板限制而不是靠聚焦得到一束細(xì)陰極射線，屏幕的亮度不高；靠在陰極射線管外的磁偏轉(zhuǎn)線圈使射線產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜，攜帶不便.但這是創(chuàng)新的第一步，萬(wàn)事開頭難；有了雛形，一步步地加以完善和補(bǔ)充就要容易得多了.

1897年10月，英國(guó)物理學(xué)家J. J.湯姆孫(Thomson J J, 1856—1940)在他的論文《陰極射線》中指出，在提高了管內(nèi)真空度后，將蓄電池的電壓加在兩塊長(zhǎng)5 cm，寬2 cm，相距1.5 cm的平行鋁板上，就能夠使陰極射線產(chǎn)生明顯偏轉(zhuǎn)，由靜電場(chǎng)和磁場(chǎng)使其偏轉(zhuǎn)，測(cè)定了陰極射線微粒的荷質(zhì)比，兩年后明確了這種微粒是電子[14].1899年，布勞恩的助手金奈克(Zenneck J)在管頸處又增加了一個(gè)小孔板用于改善電子束亮斑的清晰程度，并研究了一種電-機(jī)械時(shí)基電路，不用旋轉(zhuǎn)鏡就能使波形在屏幕上展開[11].1903—1904年德國(guó)物理學(xué)家維納爾(Wehnelt A R B)發(fā)現(xiàn)用涂有堿土金屬氧化物的鉑燈絲可以大大提高發(fā)射電子的能力，做成了帶有氧化物熱陰極的陰極射線管，使陽(yáng)極工作電壓降低到只需1000 V[15].利用電場(chǎng)或“磁透鏡”將陰極射線聚焦使得亮度顯著提高；由管子內(nèi)部的電容狀偏轉(zhuǎn)極板上的電壓產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，使得陰極射線管的結(jié)構(gòu)更加緊湊，工作效率更高了.

示波器能將電信號(hào)變成熒光屏上可見的圖像，是電子技術(shù)中一項(xiàng)極其重要的發(fā)明；它是電子測(cè)量?jī)x器發(fā)展史中影響最大、用途最廣的的測(cè)量?jī)x器[16].它不僅可以用來(lái)測(cè)量電信號(hào)電壓與時(shí)間的關(guān)系，配合各種傳感器，把非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量，還可以用來(lái)測(cè)量壓力、振動(dòng)、聲、光、熱等各種非電學(xué)信號(hào).隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，示波器的種類越來(lái)越多，功能也越來(lái)越強(qiáng)大，近年來(lái)還出現(xiàn)了存儲(chǔ)示波器和數(shù)字示波器，特別適合俘獲和顯示單脈沖信號(hào)，還可以方便地進(jìn)行各種數(shù)學(xué)計(jì)算，并能與計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng).

布勞恩為示波器設(shè)計(jì)的陰極射線管，還大量用到了電視接收機(jī)和雷達(dá)監(jiān)視器，以及后來(lái)的計(jì)算機(jī)顯示器中，為人類的發(fā)展進(jìn)步作出了巨大貢獻(xiàn).當(dāng)然，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的陰極射線管正在被液晶屏等顯示裝置所替代.

3　研究分析電路，發(fā)展無(wú)線電報(bào)

3.1赫茲發(fā)現(xiàn)電磁波，馬可尼用于電報(bào)

1887年，赫茲將感應(yīng)圈產(chǎn)生的高壓脈沖通過(guò)兩個(gè)有一定距離的金屬球放電，每個(gè)金屬球各自與一40 cm見方的銅板相連，把這種裝置稱為“振蕩偶極子”；他還將一根粗銅絲彎成圓環(huán)形，在環(huán)的開口兩端各焊上一個(gè)金屬球作為接收器(稱為“共振偶極子”)，放在感應(yīng)圈附近.當(dāng)振蕩偶極子的兩個(gè)金屬球之間放電時(shí)，在暗室中看到了共振偶極子兩金屬球間產(chǎn)生的微弱火花.赫茲用實(shí)驗(yàn)證明了電磁波的存在，開創(chuàng)了無(wú)線電技術(shù)的新時(shí)代.

馬可尼雖未進(jìn)入大學(xué)系統(tǒng)學(xué)習(xí)過(guò)物理或電工學(xué)，但對(duì)電磁波有濃厚興趣，聽過(guò)一些相關(guān)課程，對(duì)電磁波的文獻(xiàn)有很好的了解.1895年，馬可尼用赫茲波進(jìn)行了信號(hào)傳輸實(shí)驗(yàn)，獲得了成功.

1895年8月，馬可尼發(fā)現(xiàn)用離地很高的導(dǎo)線或電容板可以增大通訊距離，而且其位置越高，電報(bào)傳輸距離也越遠(yuǎn)，就將赫茲振蕩器的一端連接到大地，另一端連接到很高的導(dǎo)線或金屬板上.1897年，馬可尼的實(shí)驗(yàn)中接收距離達(dá)到了15 km.同年秋天，柏林夏洛滕堡(Charlottenburg)工業(yè)大學(xué)的斯拉貝(Slaby R，1849—1913)教授用上面系著300 m長(zhǎng)導(dǎo)線的氣球，使用類似的裝置，接收距離只達(dá)到了21 km.布勞恩注意到，用馬可尼的方法增大通訊距離很困難.

馬可尼在他的諾貝爾講演中，給出了早期的實(shí)驗(yàn)裝置圖(圖2，根據(jù)文獻(xiàn)[17]繪制)，感應(yīng)圈I的初級(jí)通過(guò)K與B相連，次級(jí)兩端除了接S的兩個(gè)小金屬球之外，還分別與天線A和地E相連.

B-電池；K-莫爾斯電鍵；S-火花間隙；A-天線；E-接地點(diǎn)；1-感應(yīng)圈；M-天線支架圖2　馬可尼早期的實(shí)驗(yàn)裝置

3.2研究改進(jìn)電路，所獲效果顯著

1898年夏，布勞恩考慮了為什么增大無(wú)線電報(bào)傳播距離如此困難，如果在某一個(gè)距離下能夠工作，為什么輸出電壓增加兩倍而傳輸距離不能增加兩倍？他分析了馬可尼的主要裝置(圖2)，認(rèn)為它實(shí)際上是一個(gè)產(chǎn)生高阻尼振蕩的電路.馬可尼初期用產(chǎn)生6英寸(約15 cm)長(zhǎng)火花的感應(yīng)圈，后來(lái)改用20英寸(約50 cm)的，升高了加在火花間隙上的電壓，使得發(fā)射距離有所增加[18].但由于天線的電容小，在每次火花放電中它本身能儲(chǔ)存和釋放的能量也很少，這些能量很快被電阻消耗掉；在輻射的一個(gè)波列中高頻振蕩周期數(shù)只有五、六個(gè)，且衰減很快.工作頻率約為250 MHz[18].布勞恩為了增加儲(chǔ)存的能量，也為了適當(dāng)降低振蕩頻率，在電路中加入了萊頓瓶(電容)和線圈.

布勞恩從理論分析得出，為了使振蕩持續(xù)下去，電路應(yīng)當(dāng)盡可能減少外部“阻尼”，他認(rèn)為馬可尼原來(lái)的電路既產(chǎn)生振蕩又輻射振蕩，這兩個(gè)功能相互影響，使電報(bào)的傳輸距離受到限制.分離這兩個(gè)功能，在一個(gè)單獨(dú)的封閉電路中產(chǎn)生振蕩，使該電路中的初級(jí)線圈只通過(guò)電容和火花發(fā)生器相連接，而不再和天線連接；將振蕩電路與天線通過(guò)一對(duì)線圈相耦合，包括天線在內(nèi)的次級(jí)電路從初級(jí)電路獲取能量，不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的衰減，可以減少相互影響[9].這種耦合使得天線不再由感應(yīng)圈直接供電，也降低了對(duì)天線絕緣性的要求[19].在接收電路中，布勞恩也不再將檢波器直接接在天線和地之間，而是將檢波器接在包含電容的振蕩電路的兩端.這個(gè)改進(jìn)找出了解決問題的途徑，是關(guān)鍵的一步.

圖3是布勞恩1898年申請(qǐng)專利時(shí)畫的發(fā)報(bào)機(jī)草圖，分為(a)、(b)、(c)和(d)4個(gè)小部分；圖中未畫出電池、感應(yīng)圈和電鍵等.其中的(a)和(c)表示馬可尼所用的天線直接連接方式(但加入了萊頓瓶和線圈組成的振蕩電路).(b)和(d)表示將振蕩電路與天線電路分開的電路，初級(jí)線圈J將振蕩耦合到次級(jí)線圈S，S將得到的能量從天線電路輻射出去.(a)和(b)兩圖中都只畫了一個(gè)萊頓瓶，(c)和(d)兩圖都用兩個(gè)相串聯(lián)的萊頓瓶.這個(gè)草圖鮮明地表達(dá)了分離產(chǎn)生振蕩和輻射振蕩這兩個(gè)功能的思想[20].

圖3　1898年布勞恩申請(qǐng)專利時(shí)繪制的草圖(根據(jù)文獻(xiàn)[19]圖12.9將字符重寫而成)

1898年9月20日，布勞恩發(fā)明了用兩個(gè)耦合諧振電路的收發(fā)報(bào)兩用機(jī)(同年10月14日申請(qǐng)了專利)，可以用同一個(gè)天線回路發(fā)送和接收無(wú)線電信號(hào)[21].實(shí)驗(yàn)證明，他的無(wú)線電報(bào)傳輸距離相當(dāng)于馬可尼的3倍.布勞恩后來(lái)認(rèn)識(shí)到，振蕩器與天線之間的松耦合是有益的.1902年，他由實(shí)驗(yàn)證明了從接收天線通過(guò)松耦合到檢波器，可得到更好的諧振效果，增加了信號(hào)強(qiáng)度.

早在1899年，布勞恩就試圖擺脫電火花.在斯特拉斯堡舉行的一次研討會(huì)上，他提出用一臺(tái)交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生無(wú)衰減的電波[8].他在諾貝爾講演中說(shuō)：“赫茲振蕩器對(duì)火花的性質(zhì)很敏感，而且火花延長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致許多不利效果，使火花變成了‘無(wú)效能的’.”[17]布勞恩期望用更多的“無(wú)阻尼”連續(xù)振蕩代替快速衰減的火花-間隙振蕩，但直接使用交流發(fā)電機(jī)受到頻率限制.只有在電子三極管問世以后，奧地利工程師邁斯納(Meissner A)才在1910年引入了電子管振蕩器產(chǎn)生連續(xù)等幅波.

布勞恩對(duì)無(wú)線電報(bào)的研究中，十分重視實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié).1898年9月的實(shí)驗(yàn)中，他將發(fā)射天線架設(shè)在斯特拉斯堡大學(xué)實(shí)驗(yàn)室和物理學(xué)院的塔樓之間.接收天線裝在1 km之外的啤酒花藤蔓柱子上.將粉末檢波器調(diào)整到最高靈敏度，用馬可尼的電路接收，可以勉強(qiáng)接收到信號(hào)；在信號(hào)源不變的情況下，改用布勞恩的新電路，信號(hào)強(qiáng)度立刻增大；即使當(dāng)接收機(jī)被教堂遮住，或被長(zhǎng)滿葉子的灌木叢擋住后，仍然可以接收到信號(hào)[8].除了主要任務(wù)之外，還需要進(jìn)行一些其他的實(shí)驗(yàn)：如檢波器性質(zhì)、建筑物附近或一些金屬立柱的影響、天線的作用、特殊接收裝置等.

1902年夏，他在斯特拉斯堡的兩個(gè)城堡安裝了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)站，以便進(jìn)行更深入的實(shí)驗(yàn).他采用了諧振電路，“在此電路中，已知的電容和經(jīng)過(guò)計(jì)算的自感器相配合，使發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的兩個(gè)部分都調(diào)諧在相同的固有振動(dòng)頻率上.同樣，我們固定了由耦合產(chǎn)生的兩個(gè)振蕩，用接收機(jī)來(lái)尋找它們.實(shí)驗(yàn)的結(jié)果在當(dāng)時(shí)是令人驚訝的.”[17]這樣做還提高了接收機(jī)的抗干擾性能，改善了對(duì)接收信號(hào)的選擇性.發(fā)報(bào)機(jī)改進(jìn)成功后，布勞恩轉(zhuǎn)向了收?qǐng)?bào)機(jī)；它包括了工作不穩(wěn)定的粉末檢波器，其變化莫測(cè)讓布勞恩吃盡了苦頭.

4　結(jié)束語(yǔ)

布勞恩與赫茲、倫琴是同時(shí)代的物理學(xué)家，布勞恩比倫琴晚出生5年，比赫茲早出生7年，他們有許多相似的境遇：1870—1872年倫琴在維爾茨堡大學(xué)任孔脫(Kundt A)教授的助手，兩年后布勞恩就在那里作奎因克教授的助手；斯特拉斯堡大學(xué)也是倫琴和布勞恩先后工作過(guò)的地方.布勞恩在1885年離開卡爾斯魯厄工業(yè)大學(xué)時(shí)，推薦了包括赫茲在內(nèi)的3名候選人接替教授職位，最后赫茲被選中；3年后赫茲在那里證明了電磁波的存在，1895年倫琴在維爾茨堡發(fā)現(xiàn)了X射線；赫茲和倫琴的卓越貢獻(xiàn)，對(duì)布勞恩來(lái)說(shuō)無(wú)疑是重大的鼓舞和鞭策.

布勞恩有強(qiáng)烈的創(chuàng)新意識(shí)，以創(chuàng)新為己任.他不滿足已有的認(rèn)識(shí)，希望對(duì)已知規(guī)律不斷加以擴(kuò)展和延伸，創(chuàng)造出新的知識(shí).他認(rèn)為導(dǎo)體中的導(dǎo)電規(guī)律已有歐姆定律，但晶體中導(dǎo)電規(guī)律還沒有總結(jié)出來(lái)，就試圖通過(guò)自己的努力填補(bǔ)這個(gè)空白.他以創(chuàng)新為己任，在高中任教的3年間，雖然教學(xué)任務(wù)繁重，沒有大學(xué)的學(xué)術(shù)氛圍，實(shí)驗(yàn)條件差，但他仍然千方百計(jì)擠出時(shí)間進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了晶體的單向?qū)щ娦?

當(dāng)時(shí)德國(guó)工業(yè)特別是電力工業(yè)的發(fā)展，為布勞恩提供了良好的環(huán)境.19世紀(jì)末，斯特拉斯堡成為歐洲最早采用交流供電的城市之一，全新的交流電系統(tǒng)，提出了電壓、電流和相位的測(cè)量要求.布勞恩深感使用反射鏡和光束的機(jī)械示波器很不方便，局限性很大，就想創(chuàng)造出擺脫機(jī)械系統(tǒng)而能夠顯示電壓電流波形的裝置，于是投入到對(duì)陰極射線管示波器的研究.雖然布勞恩最初設(shè)計(jì)的陰極射線管還不完美，但是工業(yè)界很快對(duì)布勞恩的這個(gè)發(fā)明產(chǎn)生了興趣，這使得陰極射線管得到了很好的繼續(xù)發(fā)展.斯拉貝等人對(duì)無(wú)線電報(bào)做了探索性的工作，對(duì)布勞恩的研究有所啟發(fā).

布勞恩的創(chuàng)新經(jīng)歷也說(shuō)明了，創(chuàng)新中不能隨波逐流，要走自己的路，要有自己獨(dú)到的見解.倫琴發(fā)現(xiàn)X射線后，很多科學(xué)家也紛紛效仿倫琴研究X射線的性質(zhì)，而布勞恩獨(dú)辟蹊徑，轉(zhuǎn)向了研究如何發(fā)展和利用陰極射線，作出了最初的陰極射線管示波器.可見克服從眾心理，不盲從于群體思維，才能自主地把握創(chuàng)新契機(jī)；盡量減少模仿他人，避免與眾人雷同的思想和活動(dòng)，以克服群體思維對(duì)自己創(chuàng)新思維的束縛.古今中外，偉大的發(fā)明者沒有一個(gè)是靠盲從于群體思維而取得成功的[22].

扎實(shí)的物理學(xué)基礎(chǔ)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)作風(fēng)使得他能在研究中抓住問題的關(guān)鍵，在創(chuàng)新中發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì).他注意到作為發(fā)明家的馬可尼因?yàn)闆]有受過(guò)系統(tǒng)的科學(xué)訓(xùn)練，會(huì)更多地側(cè)重于嘗試——修正的經(jīng)驗(yàn)摸索的方法，在理論上會(huì)有一定的欠缺.因此他還特別注意發(fā)揮自己理論上的優(yōu)勢(shì)，在理論上進(jìn)行了周密的考慮.同時(shí)他也十分重視實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為“還要通過(guò)一些實(shí)驗(yàn)來(lái)確定這些考慮中是否忽略了什么不利因素.”[17]他所做的實(shí)驗(yàn)都是可重復(fù)可再現(xiàn)的.在無(wú)線電通訊發(fā)展的初期，各方面的理論還不成熟，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)嚴(yán)重缺乏.布勞恩把實(shí)驗(yàn)作為檢驗(yàn)理論正確與否的最終標(biāo)準(zhǔn)，該做的實(shí)驗(yàn)，不管多么困難也要堅(jiān)持做好.

與布勞恩分享諾貝爾獎(jiǎng)的馬可尼盛贊布勞恩的成就：“可以說(shuō)沒有一個(gè)研究無(wú)線電報(bào)的專家不知道布勞恩的名字.至少我是利用了布勞恩教授的重要發(fā)明擴(kuò)大了傳輸距離.在我解決了傳輸波21 km的距離之后，布勞恩研究利用所謂萊頓瓶電路將發(fā)射距離增加到100～300 km.我后來(lái)使用了這一發(fā)明.”[8]正是因?yàn)槲樟瞬紕诙鞯难芯砍晒?，馬可尼才能突破原有的屏障，迎來(lái)了發(fā)展的新機(jī)遇.

現(xiàn)代的無(wú)線電通訊相對(duì)19世紀(jì)末期已經(jīng)不可同日而語(yǔ)，手機(jī)通話、短信和微信的廣泛應(yīng)用，無(wú)線電廣播、電視、衛(wèi)星通信和電子學(xué)的飛速發(fā)展，已成為科技事業(yè)和生活中的重要組成部分.電報(bào)幾乎完全退出了歷史舞臺(tái)，但是布勞恩對(duì)礦物晶體單向?qū)щ娦缘陌l(fā)現(xiàn)、對(duì)陰極射線管示波器的發(fā)明和對(duì)無(wú)線電報(bào)的重要改進(jìn)，為無(wú)線電物理學(xué)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).

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Karl Ferdinand Braun’s some important contributions to physics

YIN Xiao-dong1, CAI Guo-ying,2LIU Zhan-cun1

(1. Department of Physics, Capital Normal University, Beijing 100048, China;2. Beijing No.2 Middle School Junior Division，Beijing 100010, China)

The brief biography of Karl Ferdinand Braun is recounted. The contributions of his discovery of some crystals conducted electric currents in only one direction, invention of the cathode-ray oscilloscope and improvement the wireless telegraphy are reviewed. The factors of his regarding innovation as his own responsibility, insisting going his owner way, and giving full play to his professional knowledge are summarized.

Karl Ferdinand Braun; unilateral conductivity of crystal; cathode-ray oscilloscope; wireless telegraphy

2015-05-11；

2015-11-12

北京市教育委員會(huì)科技計(jì)劃一般項(xiàng)目(KM201610028003)、2015年北京市屬高等學(xué)校青年拔尖人才培育計(jì)劃資助

尹曉冬(1974—)，女，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，首都師范大學(xué)物理系副教授.中國(guó)科學(xué)院自然科學(xué)史研究所博士，德國(guó)馬克斯-普朗克科學(xué)史研究所博士后，美國(guó)物理學(xué)會(huì)2014年貝勒講席(Beller lectureship).主要從事近現(xiàn)代物理學(xué)史、技術(shù)史的研究工作.

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1000- 0712(2016)04- 0043- 06