经典套件:范德格拉夫发电机

运输系统可以成为发展的伟大统一者和推动者。在非洲和美洲，铁路打通了大陆的内陆。在英国，大西部铁路(Great Western Railway)将伦敦与西部乡村紧密地联系在一起，以至于议会不得不强加一套独立于太阳运动的统一计时系统。但公路和铁路也是边界和差异的隐喻:“你来自轨道的哪一边?”“当我们把自己整齐地归类为化学家、物理学家、工程师时，界限似乎很难跨越。其中有一个人是一位工程师，他深入研究了物质的结构，同时提出了令人费解的化学问题。

Robert Van de Graaff出生在美国阿拉巴马州，学习机械工程，在那里他对能源转换和发电产生了兴趣。他在法国巴黎的索邦大学(Sorbonne)呆了一年，听玛丽·居里(Marie Curie)关于放射性的讲座，然后作为罗德学者(Rhodes scholar)前往英国牛津大学(University of Oxford)攻读博士学位。在那里，他读到了卢瑟福关于“原子和电子的大量供应，其能量超过放射性产生的粒子”的请求。在1929年获得美国普林斯顿大学的国家研究奖学金后，范德格拉夫开始探索利用静电场将粒子加速到更大的能量的想法——正如他所说的那样，“以原子自身的方式”。

但是如何创建这样的字段呢?直流电互感器的电压在700kV就停滞不前了，所以范德格拉夫开始怀疑，静电学的主力，温斯赫斯特机器，可能没有线索。它的纺车将不同材料摩擦产生的摩擦电荷分离开来。Van de Graaff设想了一种装置，用一圈丝带作为电荷的传送带，一端注入，另一端沉积。他参观了一系列的男装商店，在那里他点燃丝绸条，以检查丝绸是否经过导电锡盐处理，这吓坏了店员。回到实验室后，他用一个金属罐作为储物器，将丝带制成腰带，用一个小型电动机旋转。秘密是通过罐子里面的点来收集电荷;然后电荷自发地移动到更稳定的外部。

范德格拉夫得到了金属粗糙边缘的电晕放电的奖励——几秒钟内他就达到了80kV。在后来的原型中，收集器变成了一个光滑的金属球体，安装在绝缘杆上，而传送带则是一个更坚固的东西，它可以向后折叠以传递更多的电荷。将两个这样的塔配对，他可以产生超过1兆伏的电位差。1935年，范德格拉夫在美国物理学会的晚宴上对他的发明进行了精彩的演示，赢得了一项专利。

但是范德格拉夫专利的有趣之处在于它的措辞。他没有提到装置上的电荷来源。虽然在传送带底部传递电荷的电刷连接到一个5千伏的电源，但专利只提到了传送带传输正电荷和负电荷——没有提到电子。这对任何受过经典静电学训练的人来说都是一个惊喜，在经典静电学中，所有的现象都被假设为由电子转移所控制。但这是真的吗?摩擦充能的机理仍然是一个悬而未决的问题。由美国奥斯汀德克萨斯大学的艾伦·巴德领导的电子主义者和由美国波士顿哈佛大学的乔治·怀特赛兹领导的复国主义者之间展开了较量。离子主义者认为，一种物质与另一种物质的接触会扰乱表面无处不在的水分层，质子和羟基会被分离，这个过程的焓比除去电子(功函数)低得多。这场争论使化学家们重新回到了静电世界的中心。

但对范德格拉夫来说，这只是关于潜力，他现在可以用他的机器来实现卢瑟福的梦想，在能量远高于任何β粒子的电子束上进行实验。他的余生都在教学和发展更为复杂的方法，以产生粒子物理学所需的高压。他突然去世，年仅65岁。

粒子物理学现在已经转移到能量领域，似乎超越了科学，拥抱了神秘。但那些早期的传送带，以及它们标志性的塔，迫使我们提出令人惊讶地困难的化学问题。你住在轨道的哪一边?电子?离子呢?

Andrea Sella在英国伦敦大学学院教化学