不知道你有沒有看過影集中

主角對著模糊的電視

左拍拍右打打

電視畫面就神奇的出現了這樣的劇情呢？

仔細觀察你會發現

這些影集中使用的

都是有著大大機身的映像管電視機

那為什麼拍打電視

就可以解決畫面模糊的問題呢？

想解開這個謎團

就要從原子結構的發展歷史開始說起

在19世紀初

英國科學家道耳吞提出了原子論

他認為世界上所有物質

都是由微小的粒子所組成

這個粒子稱為「原子」

而原子也不能再分割為其他更小的粒子

這個理論被當時的科學界認同

並一直沿用

直到19世紀末

科學家在研究陰極射線時

發現了全新粒子

道耳吞的原子說

才做出修正

陰極射線

是在充有低壓氣體的密封玻璃管裡面

置入兩片金屬板

分別將高壓直流電流的正負兩極

連接在金屬板上

此時

負極會發出射線向正極前進

由於射線是由負極

也就是陰極射出

也就被稱為陰極射線

英國物理學家湯姆森

在做陰極射線實驗時發現

陰極射線會被外加的磁場與電場干擾

判斷出

陰極射線應該是一種帶有負電的物質

湯姆森透過實驗數據

計算出陰極射線組成物質的質量

他發現

陰極射線

與週期表上的任何原子都不同

質量只有最小原子氫的兩千分之一

湯姆森推論出

組成陰極射線的物質

應該是一種比原子更小的粒子

打破了道耳吞原子無法被分割的理論

現在

讓我們來看看湯姆森的實驗是怎麼做的

湯姆森在正極處設置一個小孔

只讓直線前進的粒子通過

接著在後方外加電場與磁場

陰極射線受到電場的作用會向下偏折

而受到磁場作用會向上偏折

接著逐步調整磁場的量值

當陰極射線

受到的電力與磁力達到平衡的時候

陰極射線就會以直線前進

假設此粒子的質量為m

電量為e

以水平速度v0入射到電場為E

磁場為B的區域時

粒子受到的向下的電力FE

數值為電量乘以電場

以及向上的磁力FB

數值為電量乘上速度與磁場大小

當電力與磁力達到平衡時

我們可以得到速度v0為E除以B

接著我們把磁場移除

假設金屬板的長度為d

我們可以先算出

粒子在鉛直方向的加速度

如畫面所示

由於粒子在水平方向受力為0

會維持速度v0

可計算出其通過電場的時間t1

而粒子入射時的垂直速度為0

利用等加速度公式

可以算出

粒子通過平行金屬板後的速度v1

以及鉛直方向的偏移y1

粒子通過金屬板後不受力

水平與鉛直方向速度依舊為v0與v1

故其偏移距離y

如畫面所示

將兩段區域的偏移量相加

可以得到

粒子受到電場作用的偏移總距離

最後將前面得到的速度公式代入

就能得到這個粒子的荷質比

其中的磁場B、電場E、距離D

以及金屬板的長度d都是已知條件

只要測量偏移距離y

就可以得到陰極射線粒子的荷質比

我們來思考一下這個問題

湯姆森發現

就算他將陰極射線管中

填充入不同的氣體

或是使用不同材質的金屬電極

陰極射線發射出來的粒子都是一樣的

因此湯姆森推論出

這個帶有負電荷的粒子

應該存在於所有的原子中

而原子並非不可分割

而是可以拆解成更微小單位的

但大多數的原子都是不帶電的

如果原子中存在有負電粒子

那原子應該會帶有負電

所以原子中應該會有其他的正電物質

與負電相消

最後湯姆森提出了

葡萄乾布丁原子模型

湯姆森認為原子是一個球體

帶正電的物質均勻分布在原子內

而帶負電的微粒

則平均分布在原子中

就像帶有葡萄乾內饀的布丁一樣

這樣一來原子的正負電會相消

保持電中性

而這個帶負電的粒子

被學術界取名為大家所熟知的「電子」

現在

讓我們來回答前面的問題

映像管電視機就是陰極射線的應用

它是透過電子槍射出電子束

讓屏幕內側的發光塗料產生圖像

而映像管螢幕會發生問題的主要原因

是濕氣、接觸不良等因素

讓畫面無法聚焦

拍打電視解決問題的原理可能有兩個

一個是拍打電視機後

或許能解決電極接觸不良的問題

另一個則是電視開機後升溫

在拍打電視的期間驅散了濕氣

螢幕也就清晰了

其實跟拍打電視的動作無關

我們來總結一下這支影片的學習內容

湯姆森在陰極射線管中

加入電場與磁場

成功計算出陰極射線的粒子質量

陰極射線的組成粒子帶有負電

且質量只有氫原子的兩千分之一

湯姆森提出葡萄乾布丁模型

認為原子是一個球體

帶正電的物質均勻分布在原子內

而帶負電的微粒則平均分布在原子中

在湯姆森之前

其實也有科學家對陰極射線管

做過施加電場的實驗

但當時

並沒有發現陰極射線偏移的現象

想想看

哪些因素會導致陰極射線偏移的實驗失敗呢？

歡迎留言分享你的想法

我們下次見

bye bye