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居里兄弟發現了壓電現象

麥克風、石英錶和噴墨印表機都使用到一種在各式晶體、陶瓷、或甚至骨頭中所發現的奇特現象,也就是現在已知的壓電效應(piezoelectric effect)。它是法國物理學家皮耶.居里(Pierre Curie)和哥哥雅克(Jacques)所發現的,他們發現在這些物質上加壓可產生電(「Piezo」來自希臘文「piezein」,意思是「擠壓」)。

皮耶 1859 年出生於巴黎,父親尤金.居里(Eugene Curie)是醫生,對兒子皮耶早期的教育很堅定地採非傳統方式,為兒子物色私人家教,相信這對兒子的性情與敏銳出眾的才華是最好的方法。皮耶很早就對數學感興趣,16 歲進入索邦學院接受大學教育,18 歲就成功拿到等同於碩士的學位,但被迫延後攻讀博士。在這段期間,他當實驗室講師,賺取微薄的生活費。

皮耶在 20 歲時開始和雅克一起做化學實驗,專門研究晶體的結構。他們尤其熱衷於熱電效應,它說明晶體物質溫度的改變會產生電位。此效應由於林奈(Carl Linnaeus)和伊皮那斯(Franz Aepinus)的研究,自 18 世紀中期以來即為大家所熟知,之後科學家也推測機械應力的性質和電位之間可能有關係。但實驗証明的結果卻一直難以捉摸。

居里兄弟認為因溫差而產生的電位和導致壓電現象的機械應變之間應有直接的關連性,他們預期在某些晶體不對稱的物質會產生壓電效應。當他們備妥全未加工的物質─錫箔、膠、電線、磁鐵、和一把簡單的弓鋸─後即測試各種的晶體,包括石英、黃玉、蔗糖、若歇耳鹽和電氣石。結果他們發現當這些物質被壓縮時,機械應變即會導致電位的產生,而其中產生最強壓電效應的是石英和若歇耳鹽。居里兄弟立即善用他們的發現,發明了石英壓電靜電計。

壓電研究的故事尚有插曲,隔年,數學家李普曼(Gabriel Lippman)推論說,應該有反向的壓電效應,即對一晶體加以電場應會讓它變形。居里兄弟立即測試李普曼的理論,實驗證明數學家李普曼完全正確,壓電現象的確也可反向。

在最初的研究熱潮消退後,壓電研究在往後約 30 年間隱身於幕後,其中一部份原因是它的理論在數學上很複雜。然而,它仍有一些實質的進展,1910 年,佛依格特(Woldemar Voigt)出版了有關壓電現象的權威性著作《結晶物理學教本》(Lehrbuch der Kristallphysik),是一本說明 20 多類具有壓電性質的天然晶體的巨大書籍。尤其重要的是,它嚴格定義 18 種固態晶體可能的宏觀壓電係數。

這奠定了此類物質實際應用的後續發展,例如 1917 年開始的聲納研究,當時朗之萬(Paul Langevin)利用薄的石英晶體發展出用於潛水艇上的超音波感測器。現今有許多汽車配備有超音波感應器,幫助駕駛測定後保險桿和路上任何障礙物間的距離。

之後,皮耶開始研究磁性,發現了溫度對順磁性的有趣效應,即現在大家所知的居里定律。另一個發現是居里點:鐵磁物質失去鐵磁性的臨界溫度。他甚至曾在 19 世紀結束時思考過超自然的唯心論,還和知名的女巫師帕拉迪諾(Eusapia Palladino)去參加降神會,和他們接觸,當做科學實驗,詳細紀錄觀察,希望這種研究有助於了解磁性。他 1894 年寫信給未婚妻瑪麗亞.斯克羅多夫斯卡說:「我必須承認我對那些心靈的現象極度感興趣,我認為那些問題和物理有關。」

隔年,皮耶和瑪麗亞結婚,由於瑪麗亞鼓勵他將磁性的研究當做博士論文,他最後也完成了博士學位。1895 年他在巴黎被任命為物理和化學教授。(雅克在蒙特佩利爾大學【University of Montpellier】當礦物學教授。)他新婚的妻子取代哥哥成了他的科學研究夥伴,兩人發現了鐳(後來,又發現了釙),於 1903 年和貝克勒(Henri Becquerel)同獲諾貝爾物理獎。皮耶和雅克之前那些年所發明的石英壓電靜電計對於他們往後的研究是很重要的儀器。

皮耶晚年出現了一些過份暴露於鐳的早期病症,事實上,他的衣物經常有著太強的放射性,因此他需要延遲好幾個小時才做實驗,以免干擾到儀器。為紀念他和瑪麗亞,放射性強度單位以「居里」命名。然而,他並沒因鐳放射性的可怕疾病而亡故,而是有一次當他正橫過人多的道路,一輛貨車在多芬內廣場(Place Dauphine)撞倒了他,在此意想不到的事故中身亡。

瑪麗亞總認為皮耶在他的科學同事中沒得到應有的尊重與支持,他不參與學術政治,喜歡專注於研究工作。他曾申請礦物學教授遭到拒絕,1903 年,他被提名為法國學院院士也遭否決,就在那一年他獲得諾貝爾獎。他早期壓電現象的研究在他傑出的生涯中也許並非他最重要的發現,但正如他 1894 年在一封給瑪麗亞的信中所說:「(在科學方面)我們可以追求各種成就…每一個發現,不論多微小,都是永恆的進展。」
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