卡爾·布勞恩

圖片來源：卡爾·布勞恩

卡爾·費迪南德·布勞恩（Karl Ferdinand Braun，1850年6月6日－1918年4月20日），德國物理學家，1909年諾貝爾物理學獎獲得者^[1]，陰極射線管的發明者。

人物簡介

1850年6月6日，布勞恩出生在富爾達，父親是個公務員。

1868年開始在德國馬爾堡大學學習數學和自然科學。

1869年轉去柏林大學研究天線。

1872年獲得物理學博士學位。博士導師：奧古斯特·孔脫。博士學生：列昂尼德·伊薩科維奇·曼德爾施塔姆

1873年，他通過國家中學教師考試，在萊比錫的一家中學教數學和自然科學，在那裡他同時進行對振盪電流的科學研究。

1874年，他發現某些金屬硫化物具有使電流單方向通過的特性，並利用半導體的這個特性製成了無線通信技術中不可或缺的檢波器，開創了人類研究半導體的先例。布勞恩先後在馬爾堡大學（1876年）、斯特拉斯堡大學（1880年）和卡爾斯魯厄大學（1883年）任物理學副教授和教授。

1887年又應蒂賓根大學的邀請負責建立物理學研究所。

1895年他回到斯特拉斯堡大學任物理研究所主任和教授，把主要精力用於進行電學研究。

1909年，因為對無線電報的改進，布勞恩同發明無線電報的馬可尼分享了諾貝爾物理學獎。馬可尼的發明曾多次借用到布勞恩的專利。

第一次世界大戰爆發後，英國控制的馬克尼無線電公司企圖關閉紐約的無線電發射站，切斷美國和德國的通信，並對位於長島的塞維爾無線電發射站的專利權提出起訴。當時美國尚未加入戰爭，64歲的布勞恩抱病衝破英國的封鎖前往美國，幫助維護德國設在紐約的無線電站，並在紐約出庭為他曾做過的實驗作證。其間，美國介入第一次世界大戰，布勞恩成為了「敵對國公民」[4]，美國不允許他回到斯特拉斯堡，只能生活在布魯克林，直到1918年第一次世界大戰結束前，布勞恩逝世於家中。

主要成就

發明陰極射線管

發明陰極射線管CRT（布勞恩管，CRT顯示器的核心部件）　陰極射線管示意圖：

1. 極板網柵；2. 陽極；3. 偏轉線圈；4. 加熱器；5. 陰極；6. 電子束；7. 聚集線圈；8. 熒光屏

布勞恩製造了第一個陰極射線管（縮寫CRT，俗稱顯像管）示波器。現在CRT被廣泛應用在電視機和計算機的顯示器上，在德語國家，CRT仍被稱為「布勞恩管」（德語：Braunsche Röhre）。

19世紀後半葉，電學發展到了鼎盛時期。1858年，德國物理學家尤利烏斯·普呂克觀察到一種陰極熒光現象，1876年，德國物理學家哥爾茨坦確認這一種陰極射線。在追蹤陰極射線的過程中，1895年，德國物理學家倫琴意外地發現了X光。1897年，英國物理學家湯姆孫，對陰極射線進行了精確的實驗研究，並將其命名為「電子」。就是在這個背景下，19世紀90年代，當布勞恩得知人們正在研究陰極射線時，立即投身於這一新領域。

第一個陰極射線管誕生在1897年的德國卡爾斯魯厄。布勞恩在抽成真空的管子一端裝上電極（右圖中5），從陰極發射出來的電子在穿過通電電極時，因為受到靜電力影響聚成一束狹窄的射線，即電子束，稱為陰極射線（右圖中6)，管子側壁分別擺放一對水平的和一對垂直的金屬平行板電極（右圖中3），水平的電極使得電子束上下垂直偏轉運動，垂直的電極使得電子束左右水平偏轉運動。管子的另一端均勻地塗上一層硫化鋅或其他礦物質細粉，做成熒光屏（右圖中8），電子束打在上面可以產生黃綠色的明亮光斑。隨着側壁上擺放的平行板電極電壓的變化，電子束的偏轉也隨之變化，從而在熒光屏上形成不同的亮點，稱為「掃描」。熒光屏上光斑的變化，呈現了控制電子束偏轉的平行板電極電壓的變化，也就是所研究電波的波動圖象，這是示波器的雛形和基礎，它使得對電波的直觀觀察成為可能。

布勞恩最初設計的陰極射線管還不十分完美，它只有一個冷陰極，管子也不是完全真空，而且要求十萬伏特的高壓來加速電子束，才能在熒光屏上夠辨認出受偏轉影響後的運動軌跡，此外，電磁偏轉也只有一個方向。但是工業界很快對布勞恩的這個發明產生了興趣，這使得陰極射線管得到了很好的繼續發展。1889年，布勞恩的助手澤納克（Zenneck）為陰極射線管增加了另一個方向的電磁偏轉，此後又相繼發明了熱陰極和高真空。這使得陰極射線管不僅可以用在示波器上，1930年起成為了顯示器的重要部件，為後來電視、雷達和電子顯微鏡的發明奠定了重要基礎，如今仍被廣泛應用於計算機、電視機和示波器等的顯像器上。

改進無線電通訊

在發明陰極射線管的同時，布勞恩還開始了他在無線電報方面的研究。

無線電接收機

當時的電報技術存在一個致命的問題，就是缺少可靠的電報接收機。布勞恩是物理學家出身，有着嚴謹的實驗作風，他所做的實驗條件都是可重複再現的。他改用晶體探測器，使接收機的敏感度提高了很多。直到發明了電子管，布勞恩的晶體探測器才被淘汰了，即便如此，晶體探測器仍在簡易接收機中使用了很長一段時間。最初的超高頻雷達設備也使用了晶體探測器。

無線電發射機

在發射機方面，布勞恩同樣貢獻很大，馬可尼主要是憑藉經驗和試探發明了發報機，而布勞恩在馬可尼發明的基礎上，對發報機進行了物理學背景研究，並對馬可尼的發報機做了根本性的改造。比如，他發現了產生高功率低阻尼電波的方法，原本馬可尼發報機的振盪線路和天線是合在一起的，這種線路產生的功率很低，布勞恩把兩者分開，發明了磁耦合天線，初級線圈由電容器和火花隙構成，耦合上一個感性的天線，電容電路的振盪在輻射天線中產生了極大的電流，這使得整個系統的發射功率大大增加，增大了通信距離，而且無線電接收機和發射機不需要直接與天線相連，減少了受到雷擊的危險。如今，磁耦合天線仍應用在收音機、電視機、電台和雷達上。

1899年時候的發射機可以傳輸20千米，完成了橫跨英吉利海峽之間的無線電通訊，真正實現了「遠距離電報通信」，是人類第一次用電磁波傳送信息，電文是：「你的來電收妥無誤，而且很清楚」。這個傳輸距離每個月都在被打破，1901年馬可尼又用布勞恩的發射機成功地從英國科爾努埃爾發出電報，跨越大西洋上空到達加拿大紐芬蘭，建立了從英國到北美的通信線路。

布勞恩還發明了定向天線。定向性也是電報技術的一個難點，發射機需要定向發射，接收機也需要定向接收，布勞恩是最先實現定向發報的人之一，他發明的定向天線只在一個指定的方向上發射電波，從而減少了能量的無謂消耗。他還把發射機的頻帶調得很窄，從而減小了不同發射機之間的干擾。