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第2章 电子及其与人体的关系

1.什么是电子?

我们都知道,我们所生活的世界是一个物质的世界,地球上的一切都由物质构成的。高山、树木、水流、湖泊包括人日常的生活用品等都是由物质构成的。然而物质并不是构成物体的最小的单位,它也有它自己的构成单位。科学家发现,物质是由原子构成的,而原子又是由电子、中子和质子三者共同组成。在这里,我们主要介绍的是电子。

电子是一种基本粒子,属于亚原子粒子中的轻子类。轻子被认为是构成物质的基本粒子之一。电子的直径是质子的1/1000倍,重量为质子的1/1836,是目前无法再分解的物质。电子的质量极小,带有负电,在原子中围绕由中子和质子组成的原子核旋转。电子围绕原子的核做高速运动。电子通常排列在各个能量层上。当原子互相结合成为分子时,在最外层的电子便会由一原子移至另一原子或成为彼此共享的电子。当电子脱离原子核束缚在其他原子中自由移动时,它所产生的净流动现象称为电流。

物质的电子可以失去也可以得到,物质具有得电子的性质叫做氧化性,该物质为氧化剂;物质具有失电子的性质叫做还原性,该物质为还原剂。物质氧化性或还原性的强弱由得失电子的难易程度所决定,但与得失电子数目多少无关。

电荷的最终携带者是组成原子的微小电子。在运动的原子中,每个绕原子核运动的电子都带有一个单位的负电荷,而原子核里面的质子带有一个单位的正电荷。正常情况下,在物质中电子和质子的数目是相等的,它们携带的电荷相平衡,物质呈中型。物质在经过摩擦后,要么会失去电子,留下更多的正电荷(质子比电子多)。要么增加电子,获得更多的负电荷(电子比质子多)。这个过程称为摩擦生电。

2.电子发现第一人

无论第一个发现电子的人是谁,他都将同第一个发现微生物、第一个发现病毒的人一样的了不起。约瑟夫·约翰·汤姆逊,英国物理学家,电子的发现者。汤姆逊是世界著名的卡文迪许第三任实验室主任,1856年12月18日生于英国曼彻斯特,父亲是一个专印大学课本的商人,由于职业的关系,他父亲结识了曼彻斯特大学的一些教授。汤姆逊从小就受到学者的影响,学习很认真,14岁便进入了曼彻斯特大学。在大学学习期间,他受到了司徒华教授的精心指导,加上他自已的刻苦钻研,学业提高很快。1876年,即21岁时,他被保送进了剑桥大学三一学院深造,1880年他参加了剑桥大学的学位考试,以第二名的优异成绩取得学位,随后被选为三一学院学员,两年后又被任命为大学讲师。他在物理学方面具有很高的修养和造诣,发表了《论涡旋环的运动》和《论动力学在物理学和化学中的应用》论文。1884年,28岁的汤姆逊在瑞利的推荐下,担任了卡文迪许实验室物理学教授。1897年汤姆逊在研究稀薄气体放电的实验中,证明了电子的存在,测定了电子的荷质比,轰动了整个物理学界。

汤姆逊测得的结果肯定了电子的存在,这是人类首次用实验的方法证实了一种“基本粒子”——电子的存在。“电子”这一名称是由物理学家斯通尼在1891年采用的,原意是定出的一个电的基本单位的名称,后来这一词被应用来表示汤姆逊发现的“微粒”。自从发现电子以后,汤姆逊就成为国际上知名的物理学家。在这之前,一般都认为原子是“不能分割的”的东西,而汤姆逊的实验表明,原子是由许多部分组成的,这个实验标志着科学的一个新时代。人们称他是“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。

1940年8月30日,汤姆逊病逝于剑桥。他的骨灰被安葬在西敏寺的中央,与牛顿、达尔文、开尔文等伟大科学家的骨灰安放在一起。

3.人是带电体

人的生活离不开衣食住行,生存离不开食物和水,但是你可能还不知道,人体正常工作、大脑对四肢的控制是通过电来实现的,这新鲜吧?

人体是由许许多多细胞构成的。细胞是我们机体的最基本的单位,因为只有机体各个细胞均执行它们的功能,才使得人体的生命现象延续不断。同样地,我们若从电学角度考虑,细胞也是一个生物电的基本单位,它们还是一台台的“微型发电机”呢。原来,一个活细胞,不论是处在兴奋状态,还是安静状态,它们都不断地发生电荷的变化,科学家们将这种现象称为“生物电现象”。

有一种叫“心电描记器”的仪器,它是用来检查人的心脏是否有疾病的一种仪器。这种仪器可以从人体的特定部位记录下心肌电位改变所产生的波形图像,这就是人们常说的心电图。医生们只要对心电图进行分析便可以判断受检人的心跳是否规则,是否有心脏肥大、心肌梗塞等疾病。

同样地,人类的大脑也如心脏一样能产生电流,因此医生们只要在病人头皮上安放电极描记器,并通过脑生物电活动的改变所记录下来的脑电图,便知道病人脑内是否有病。当然,由于比起心电来,脑电比较微弱,因此科学家要将脑电放大100万倍才可反映出脑组织的变化,如脑内是否长肿瘤、受检查者是否可能发生癫痫(俗称羊癫疯)等。科学家们相信,随着电生理科学以及电子学的发展,脑电图记录将更加精细,甚至有一天这类仪器还可正确地测知人们的思维活动。

人体任何一个细微的活动都与生物电有关。外界的刺激、心脏跳动、肌肉收缩、眼睛开闭、大脑思维等,都伴随着生物电的产生和变化。人体某一部位受到刺激后,感觉器官就会产生兴奋。兴奋沿着传入神经传到大脑,大脑便根据兴奋传来的信息做出反应,发出指令。然后传出神经将大脑的指令传给相关的效应器官,它会根据指令完成相应的动作。这一过程传递的信息——兴奋,就是生物电。也就是说,感官和大脑之间的“刺激反应”主要是通过生物电的传导来实现的。心脏跳动时会产生1~2毫伏的电压,眼睛开闭产生5~6毫伏的电压,读书或思考问题时大脑产生0.2~1毫伏的电压。正常人的心脏、肌肉、视网膜、大脑等的生物电变化都是很有规律的。因此,将患者的心电图、肌电图、视网膜电图、脑电图等与健康人作比较,就可以发现疾病的症结所在。

电在生物体内普遍存在。生物学家认为,组成生物体的每个细胞都是一台微型发电机。细胞膜内外带有相反的电荷,膜外带正电荷,膜内带负电荷,膜内外的钾、钠离子的不均匀分布是产生细胞生物电的基础。但是,生物电的电压很低、电流很弱,要用精密仪器才能测量到,因此生物电直到1786年才由意大利生物学家伽伐尼首先发现。

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