听故事学物理（9）——摩擦起电 -云顶集团3118

听故事学物理9——摩擦起电

人类很早就注意到电，中国神话里面有雷公电母，希腊神话中宙斯手里的权杖也是一道闪电。对电的初步认知大约在公元前6世纪，希腊哲学家泰勒斯发现摩擦过的琥珀能吸引轻小物体，我国东汉时期王充在《论衡》中也提到了“顿牟掇芥”，指的是摩擦后的玳瑁能吸引芥子类的轻小物体。英国物理学家吉尔伯特在1600年发现，金刚石、水晶、硫磺、玻璃等与毛皮、丝绸摩擦后，也能吸引轻小物体，具有“琥珀之力”，他认为这是因为在这些物体中存在一种看不见的物质，于是拟定了一个新名词——电。

我们很容易提问：琥珀、金刚石、水晶、硫磺、玻璃、毛皮、丝绸它们带的电是相同的吗？取一根用毛皮摩擦过的橡胶棒，用细线悬挂起来，用另一根用毛皮摩擦过的橡胶棒靠近它，我们发现它们相互排斥，于是找了其它的物体，比如用丝绸摩擦过的玻璃棒，竟然和橡胶棒产生了吸引的效果。对比实验发现，没有摩擦的橡胶棒和玻璃棒之间不会产生力的作用，显然，产生排斥或吸引的不是橡胶棒和玻璃棒，而是橡胶棒和玻璃棒上所带的电荷，也就是说橡胶棒和玻璃棒上带了两种不同的电荷，暂且把它们叫做“橡胶电”和“玻璃电”吧，当年科学家杜菲把他们叫做“松脂电”和“玻璃电”，这样命名有些随意，所以那个放风筝的富兰克林把它们叫负电和正电。我想可能是橡胶漆黑而且燃烧后有臭味，所以叫负电，而玻璃晶莹剔透，十分漂亮，所以叫正电。

这一阶段，科学爱好者都是可以亲自去尝试一下的。继续思考：电到底是个什么东西？为什么毛皮摩擦的橡胶棒带电与丝绸摩擦的玻璃棒所带电不同呢？

回到物质的内部结构认知上，我们已经知道物质由分子组成，分子由原子组成，原子下面还有更加精细的结构吗？把科学家们对未知世界的探索当成一个连贯的故事来讲吧。文艺复兴后的欧洲人对自然充满了好奇心，比如说伦琴发现阴极射线具有很强的穿透性，然后他就给他的妻子拍了一张照片，一张无名指上还带着戒指的只有骨头的照片——她的妻子再也不到实验室来了——x片：今天这种技术已经在医院十分普及了。物质为什么会向外放出射线呢？卡文迪什实验室的汤姆孙也在研究阴极射线，他通过实验发现，阴极射线和负电荷在电场和磁场中有相同的运动路径。他大胆推断：阴极射线是由带负电荷的粒子流组成的，并把这种最小的带负电的粒子叫“电子”。

物质内部到底是什么样子的？1908年，卢瑟福和盖革用α粒子轰击金箔，他们发现，α粒子在透过金箔的时候，大部分粒子都直直地穿过，而很少一部分粒子发生了偏移，还有极少数粒子，发生了非常大的偏移，甚至有非常非常少的粒子，被直直地反弹回来了。也就是说，看起来致密的物质内部竟然是空的，只不过有极少几个a粒子撞不动的像核一样的“硬东西”——原子核。于是，卢瑟福提出了原子内部结构的行星模型：原子核就像太阳，电子就像围绕原子核高速旋转的行星。与“葡萄干布丁”模型、“西瓜”模型、“枣糕”模型等相比较，行星模型获得大家的认可，我认为有三个原因：1.金箔实验表明，原子核和电子之间就像太阳系一样，绝大部分空间是空的，原子核很小，体积就像足球场中间的一颗绿豆，但质量很大，占据了原子质量的99.99%，有足够大的引力束缚电子；2.化学中对电子层的理解，也类似行星层级；3.当你走在暴雨冲刷后的农田里，你会看到高原、峡谷、冲击性平原和三角洲，就像微缩的地理模型。微观的物质世界和宏观的物质分布存在共性，或者说维系物质世界的能量流动是有规律的。

卢瑟福把致密的原子核叫质子，带正电，与电子所带的电荷相反。后来，他的助手查德威克用α粒子轰击铍，再用铍产生的射线轰击氢、氮等不同元素，竟然发现了一种不带电的粒子，即在原子核中存在着带正电的质子和一种不带电的粒子——是中子。我们看到：科学探究过程中，科学家的艰辛与执着，虚心与博大，也发现了在人们对亚原子粒子的研究中，带电性质是一个很重要的区分标准。

打开元素周期表，h原子里面有1个带正电的质子，原子核外有1个带负电的电子，所以正常情况下，组成物体的原子中，质子数与电子数是相等的，物体不带电（显中性）。h原子核内中子数的个数不一定相同，只有1个质子的氕，有1个质子和1个中子的氘，有1个质子和2个中子的氚，它们是氢的同位素，即在元素周期表中相同的位置。接下去的分析我们发现：物质（元素）的种类由质子数决定，一般来说，原子核内的质子数与原子核外的电子数量相同，而中子数的不同会影响物质的物理性质。

回过头来继续理解摩擦起电。打个比方，玻璃棒的原子核里有100个质子，它的外面也有100个电子，丝绸的原子核里有200个质子，它的外面也有200个电子，正常情况下，正负电荷数相等，都不带电。但是，它们发生了摩擦，就像打牌的两个人产生输赢一样，丝绸从玻璃棒那儿获得了20个电子，现在丝绸还是有200个质子，但有了220个电子，正负电荷相互抵消，它就带上了20个电荷的负电，反之，玻璃棒就会带20个电荷的正电。有两点明确一下：1.摩擦前后，玻璃棒依旧是玻璃棒，丝绸依旧是丝绸，如果说正电荷（质子）移动，物质的种类就会改变；2.丝绸之所以获得电子，是因为他“牌技高超，赢钱了”——应该说是丝绸束缚电子能力比玻璃棒强，如果丝绸碰到了对电子束缚能力更强的橡胶棒，那它就会失去电子带正电了。把一些物质按束缚电子能力从弱到强排个序：兽皮→羊皮→石英→玻璃→丝绸→木条→胶木→松香→硫磺，在它们两者的摩擦中，前者都会带正电，后者都会带负电，而且能力相差越大，摩擦起电的效果就越明显。

从上面的理解可以得出：摩擦并不创造电荷，是“起电”，而不能说“生电”，前面讲摩擦生热，这个内能是原来没有，通过摩擦机械能转化而来的；摩擦起电只是电子（负电荷）的位置发生了改变，摩擦双方正负电荷的总数是不变且相等的；所以摩擦起电的本质是电子的转移。只要存在电子的转移，转移的电子数决定了物体带电的多少，换言之，物体带电的多少等于转移的电子数与一个电子所带的电荷的乘积。我们把一个电子所带的电叫元电荷，用e表示，e=1.6×10^-19c。在前面的例子中，摩擦后的玻璃棒带有20×1.6×10^-19c=3.2×10^-18c的正电，摩擦后的丝绸带有20×1.6×10^-19c=3.2×10^-18c的负电，可以理解为，摩擦起电的过程中，电子转移，电量相等，极性相反。

其实，物体带电的方式有很多，常见的还有接触带电和感应带电，在科技馆内，用手触摸静电起电机的金属球，人的头发会因为带相同的电荷而根根竖立，在家里，有时手臂靠近电视机的屏幕，也会看到汗毛被屏幕吸引得立起来。