物理學中三個著名的湯姆孫

王金聚 徐海龍 何 勇

(浙江省溫州中學,浙江溫州 325000)

物理學中三個著名的湯姆孫

王金聚 徐海龍 何 勇

(浙江省溫州中學,浙江溫州 325000)

湯姆孫,英文名字為Thomson,早期曾譯為湯姆森、湯姆遜、湯姆生等.現行高中物理教材涉及名為湯姆孫的科學家有3個,他們都是英國人,其中最早的一位就是熱力學當中大名鼎鼎的開爾文.另外兩位是一對父子,父親發現了電子,兒子發現了電子通過金屬箔的衍射現象,父子二人都分別獲得了諾貝爾物理學獎.下面分別對這3位科學家作一個簡單的介紹.

1 開爾文(Lord Kelvin 1824～1907)原名 W.湯姆孫(Wi11iam Thomson)

19世紀英國卓越的物理學家.1824年6月 26日生于愛爾蘭的貝爾法斯特.由于裝設大西洋海底電纜有功,英國政府于1866年封他為爵士,后又于1892年封他為男爵,稱為開爾文男爵,以后他就改名為開爾文.

開爾文在科學上的貢獻主要有以下幾個方面:

1.1 在熱力學方面的成就

現在國際上通用的熱力學溫標,就是由開爾文在1848年首先提出的,并且在1854年對其作了修改.為了紀念他在科學上的功績,在1954年召開的國際計量大會上,把熱力學溫標(即絕對溫標)確定為現代科學上的標準溫標,亦稱開爾文溫標,熱力學溫度以開爾文為單位,是現在國際單位制中7個基本單位之一.

開爾文和克勞修斯都是熱力學第二定律的主要奠基人.1851年,開爾文接連發表了多篇論文,給出了他關于第二定律的說法:“不可能從單一熱源吸收熱量,使之完全變成功而不產生其他影響”,這就是現行教材中熱力學第二定律的開爾文表述.開爾文從熱力學第二定律斷言,能量耗散是普遍的趨勢.

1.2 在電磁學方面的成就

開爾文在電磁學理論研究方面成果卓著.他在靜電和靜磁學理論方面、交流電方面、靜電絕對測量和電磁測量方面、大氣電學方面等,都作出了重要的貢獻.1848年他發明的電像法,是計算一定形狀導體電荷分布所產生的靜電場問題的有效方法.他深入研究了萊頓瓶的放電振蕩特性,于1853年發表了《萊頓瓶的振蕩放電》的論文,推算了振蕩的頻率,為電磁振蕩的理論研究作出了開拓性的貢獻.

1.3 鋪設大西洋海底電纜

圖1 開爾文

1856年,英國電報公司籌劃鋪設一條橫過大西洋的海底電纜,鑒于開爾文對電纜中信號傳播規律的研究,委任他負責這項工作.歷經兩年的多方研究與試驗,幾經周折,終于在1858年鋪設了第一條大西洋海底電纜,這也是開爾文相當出名的一項工作.

1.4 對電工儀表的研究

為了成功地鋪設海底電纜,開爾文用了很大的精力來研究電工儀器.例如,他發明的鏡式電流計可提高儀器測量的靈敏度,虹吸記錄器可自動記錄電報信號.開爾文在電工儀器上的主要貢獻是建立電磁量的精確單位標準和設計各種精密測量的儀器,包括絕對靜電計、開爾文電橋、圈轉電流計等.

次外,開爾文在流體力學特別是其中的渦旋理論方面也作出了許多貢獻.

1907年12月17日,開爾文在蘇格蘭的內瑟霍爾逝世.可以說,開爾文的一生是非常成功的.去世時,得到了幾乎整個英國和全世界科學家的哀悼.他的遺體被安葬在威斯敏斯特教堂牛頓墓的旁邊.

2 約瑟夫·約翰·湯姆孫(Joseph John Thomson,1856～1940)

圖2 J.J.湯姆孫

英國物理學家,電子的發現者.1856年12月8日生于曼徹斯特郊區齊山姆的一個書商家庭.14歲進入歐文學院學習. 1876年成為劍橋大學三一學院的數學研究生,此后便在劍橋度過一生.1884年被選為英國皇家學會會員,隨后轉入卡文迪許實驗室工作.1905年接替瑞利擔任皇家學院自然哲學教授.1911～1913年任英國皇家學會副會長. 1915～1920年任會長.1918年起擔任三一學院院長,1919年他辭去卡文迪許實驗室教授的職位,推薦他的學生盧瑟福繼任,而自己則繼續留在實驗室進行研究工作長達21年,1940年8月30日在劍橋逝世.

J.J.湯姆孫在科學上的貢獻主要有以下兩個方面:

2.1 發現電子

19世紀末,低壓氣體放電現象引起了許多物理學者的興趣.大多數英國物理學者,包括湯姆孫本人在內,都認為陰極射線是帶電粒子流,它們可以被磁場偏轉;而多數德國物理學者則把它看作是一種以太波.后來,湯姆孫發現陰極射線的速度小于光速2個數量級,認為它不可能是以太波.

值也相同.這就更進一步證明了他上述的論斷是無可置疑的了.

電子是人們所認識的第一種基本粒子.電子的發現標志著人類對物質結構的認識進入了一個新的層次,它打破了人們千百年來一直認為原子是組成物質的最小單元的傳統觀念,揭示出原子還有內部結構.從此,向原子內部探索和“分裂原子”就成了20世紀初期物理領域中最振奮人心的口號.

2.2 發明了研究極隧射線的質譜方法

湯姆孫的另一個重要貢獻是發明了研究極隧射線時發展起來的質譜方法.當時已經研究清楚穿過陽極細孔的極遂射線是帶正電的粒子流;它在電場和磁場的作用下偏轉,可用照相底版記錄其徑跡.湯姆孫努力提高放電管的真空度,改進實驗技術和徑跡的分辨技術,于1913年將氖放電管中原子量分別為20和22的兩種不同的氖離子區分開來,第一次用物理方法分離了穩定元素的同位素.他的這一方法經過同在卡文迪許實驗室工作的F.W.阿斯頓的改進和完善,發展成為我們今天所用的質譜議.

湯姆孫在擔任卡文迪許實驗室教授期間,創建了完整的研究生培養制度和良好的學術氣氛.1895～1914年間受過他教益的各國學者,后來都取得重要的研究成果.其中有7人獲得了諾貝爾獎,27人取得英國皇家學會會員的資格.

湯姆孫是一位理論與實驗并重的物理學家.他注重自己設計和制作儀器,并有理論分析的才華.他的這一特長,加上他對新問題的敏感、廣泛的興趣、豐富的想象力與創造力,以及待人親切和藹、通情達理等優秀品質,使他成為卓越的領導人.由于關于氣體導電的實驗和理論研究成果,J. J.湯姆遜獲得了1906年的諾貝爾物理學獎.

3 G.P.湯姆孫(Thomson,Sir George Paget,1892～1975)英國物理學家.

G.P.湯姆孫是J.J.湯姆孫的獨生子.1892年5月3日生于劍橋;他在劍橋受教育,于1913年畢業,然后在他父親的指導下開始研究工作.第一次世界大戰期間,他應召在皇家空軍服役,從事空氣動力學方面的軍事研究項目.1919年退役后到卡文迪許實驗室工作.1922年被任命為阿伯丁大學的自然哲學教授.1930～1952年,任倫敦大學帝國科學技術學院物理教授,1952～1962年任劍橋大學基督圣體學院院長.

1927年,美國物理學家戴維孫研究真空管中電子射向金屬鎳靶的反射情況.他使用一塊單晶鎳作靶標,發現電子束不僅受到反射,而且發生了衍射.就這樣,電子的波動性被證實了.

圖3 G.P.湯姆孫

圖4 電子衍射圖樣

就在同一年,G.P.湯姆孫也獨立完成了電子的衍射實驗.

他是在德布羅意著作的啟發下自覺進行的.他在阿伯丁大學的時候,曾從一本《哲學雜志》上看到過德布羅意于1924年寫的“光量子試論”一文.后來他參加了1926年的牛津會議,進一步了解了德布羅意的理論,于是便開始考慮做電子的衍射實驗.和戴維孫、革末不同,他決定用一種簡單、明確和直接的方法,即利用金屬薄層做透射實驗.這樣他便能使用比較容易處理的、能量在3.9～16.5 keV之間的高能量電子.他所用的第一批薄膜是厚約3× 10-6cm的賽璐珞.他和F.里德很快就觀察到了衍射環,如圖4所示.根據這些圓環的半徑可以計算出電子波的波長.后來他們又研究了電子通過金、鋁和鉑等金屬簿片時產生的衍射,證實了電子的波動性,從而也就令人信服地證明了德布羅意波長公式的正確性.

由于G.P.湯姆孫和戴維孫對電子衍射的實驗研究,證明了德布羅意的物質波理論,他們二人共同獲得了1937年度的諾貝爾物理學獎.

在第二次世界大戰期間,湯姆孫是英國原子能委員會主席.他于1945年被封為爵士.1975年9月10日卒于劍橋,享年83歲.

1 閻康年.物質波理論的奠基者——L.V.德布羅意.物理,1982 (12).

2 譚樹杰.百年諾貝爾獎.上海:上海科學技術出版社,2001.36-91

3 王福山.祝賀德布羅意、狄拉克誕辰.近代物理學史研究(一) (第2版).上海:復旦大學出版社,1984.

4 教育部基礎教育課程編輯部.中學新課標資源庫物理卷.2004. 93-97

5 普通高中課程標準實驗教科書.物理選修3-3.北京:人民教育出版社,2007.

2010-05-06)