王金聚 徐海龍 何 勇

(浙江省溫州中學(xué),浙江溫州 325000)

物理學(xué)中三個(gè)著名的湯姆孫

王金聚 徐海龍 何 勇

(浙江省溫州中學(xué),浙江溫州 325000)

湯姆孫,英文名字為T(mén)homson,早期曾譯為湯姆森、湯姆遜、湯姆生等.現(xiàn)行高中物理教材涉及名為湯姆孫的科學(xué)家有3個(gè),他們都是英國(guó)人,其中最早的一位就是熱力學(xué)當(dāng)中大名鼎鼎的開(kāi)爾文.另外兩位是一對(duì)父子,父親發(fā)現(xiàn)了電子,兒子發(fā)現(xiàn)了電子通過(guò)金屬箔的衍射現(xiàn)象,父子二人都分別獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).下面分別對(duì)這3位科學(xué)家作一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹.

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

19世紀(jì)英國(guó)卓越的物理學(xué)家.1824年6月 26日生于愛(ài)爾蘭的貝爾法斯特.由于裝設(shè)大西洋海底電纜有功,英國(guó)政府于1866年封他為爵士,后又于1892年封他為男爵,稱為開(kāi)爾文男爵,以后他就改名為開(kāi)爾文.

開(kāi)爾文在科學(xué)上的貢獻(xiàn)主要有以下幾個(gè)方面:

1.1 在熱力學(xué)方面的成就

現(xiàn)在國(guó)際上通用的熱力學(xué)溫標(biāo),就是由開(kāi)爾文在1848年首先提出的,并且在1854年對(duì)其作了修改.為了紀(jì)念他在科學(xué)上的功績(jī),在1954年召開(kāi)的國(guó)際計(jì)量大會(huì)上,把熱力學(xué)溫標(biāo)(即絕對(duì)溫標(biāo))確定為現(xiàn)代科學(xué)上的標(biāo)準(zhǔn)溫標(biāo),亦稱開(kāi)爾文溫標(biāo),熱力學(xué)溫度以開(kāi)爾文為單位,是現(xiàn)在國(guó)際單位制中7個(gè)基本單位之一.

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

1.2 在電磁學(xué)方面的成就

開(kāi)爾文在電磁學(xué)理論研究方面成果卓著.他在靜電和靜磁學(xué)理論方面、交流電方面、靜電絕對(duì)測(cè)量和電磁測(cè)量方面、大氣電學(xué)方面等,都作出了重要的貢獻(xiàn).1848年他發(fā)明的電像法,是計(jì)算一定形狀導(dǎo)體電荷分布所產(chǎn)生的靜電場(chǎng)問(wèn)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(fā)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(kāi)拓性的貢獻(xiàn).

1.3 鋪設(shè)大西洋海底電纜

圖1 開(kāi)爾文

1856年,英國(guó)電報(bào)公司籌劃鋪設(shè)一條橫過(guò)大西洋的海底電纜,鑒于開(kāi)爾文對(duì)電纜中信號(hào)傳播規(guī)律的研究,委任他負(fù)責(zé)這項(xiàng)工作.歷經(jīng)兩年的多方研究與試驗(yàn),幾經(jīng)周折,終于在1858年鋪設(shè)了第一條大西洋海底電纜,這也是開(kāi)爾文相當(dāng)出名的一項(xiàng)工作.

1.4 對(duì)電工儀表的研究

為了成功地鋪設(shè)海底電纜,開(kāi)爾文用了很大的精力來(lái)研究電工儀器.例如,他發(fā)明的鏡式電流計(jì)可提高儀器測(cè)量的靈敏度,虹吸記錄器可自動(dòng)記錄電報(bào)信號(hào).開(kāi)爾文在電工儀器上的主要貢獻(xiàn)是建立電磁量的精確單位標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)各種精密測(cè)量的儀器,包括絕對(duì)靜電計(jì)、開(kāi)爾文電橋、圈轉(zhuǎn)電流計(jì)等.

次外,開(kāi)爾文在流體力學(xué)特別是其中的渦旋理論方面也作出了許多貢獻(xiàn).

1907年12月17日,開(kāi)爾文在蘇格蘭的內(nèi)瑟霍爾逝世.可以說(shuō),開(kāi)爾文的一生是非常成功的.去世時(shí),得到了幾乎整個(gè)英國(guó)和全世界科學(xué)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(guó)物理學(xué)家,電子的發(fā)現(xiàn)者.1856年12月8日生于曼徹斯特郊區(qū)齊山姆的一個(gè)書(shū)商家庭.14歲進(jìn)入歐文學(xué)院學(xué)習(xí). 1876年成為劍橋大學(xué)三一學(xué)院的數(shù)學(xué)研究生,此后便在劍橋度過(guò)一生.1884年被選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員,隨后轉(zhuǎn)入卡文迪許實(shí)驗(yàn)室工作.1905年接替瑞利擔(dān)任皇家學(xué)院自然哲學(xué)教授.1911～1913年任英國(guó)皇家學(xué)會(huì)副會(huì)長(zhǎng). 1915～1920年任會(huì)長(zhǎng).1918年起擔(dān)任三一學(xué)院院長(zhǎng),1919年他辭去卡文迪許實(shí)驗(yàn)室教授的職位,推薦他的學(xué)生盧瑟福繼任,而自己則繼續(xù)留在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究工作長(zhǎng)達(dá)21年,1940年8月30日在劍橋逝世.

J.J.湯姆孫在科學(xué)上的貢獻(xiàn)主要有以下兩個(gè)方面:

2.1 發(fā)現(xiàn)電子

19世紀(jì)末,低壓氣體放電現(xiàn)象引起了許多物理學(xué)者的興趣.大多數(shù)英國(guó)物理學(xué)者,包括湯姆孫本人在內(nèi),都認(rèn)為陰極射線是帶電粒子流,它們可以被磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn);而多數(shù)德國(guó)物理學(xué)者則把它看作是一種以太波.后來(lái),湯姆孫發(fā)現(xiàn)陰極射線的速度小于光速2個(gè)數(shù)量級(jí),認(rèn)為它不可能是以太波.

值也相同.這就更進(jìn)一步證明了他上述的論斷是無(wú)可置疑的了.

電子是人們所認(rèn)識(shí)的第一種基本粒子.電子的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著人類對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)進(jìn)入了一個(gè)新的層次,它打破了人們千百年來(lái)一直認(rèn)為原子是組成物質(zhì)的最小單元的傳統(tǒng)觀念,揭示出原子還有內(nèi)部結(jié)構(gòu).從此,向原子內(nèi)部探索和“分裂原子”就成了20世紀(jì)初期物理領(lǐng)域中最振奮人心的口號(hào).

2.2 發(fā)明了研究極隧射線的質(zhì)譜方法

湯姆孫的另一個(gè)重要貢獻(xiàn)是發(fā)明了研究極隧射線時(shí)發(fā)展起來(lái)的質(zhì)譜方法.當(dāng)時(shí)已經(jīng)研究清楚穿過(guò)陽(yáng)極細(xì)孔的極遂射線是帶正電的粒子流;它在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用下偏轉(zhuǎn),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(jìn)實(shí)驗(yàn)技術(shù)和徑跡的分辨技術(shù),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(qū)分開(kāi)來(lái),第一次用物理方法分離了穩(wěn)定元素的同位素.他的這一方法經(jīng)過(guò)同在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室工作的F.W.阿斯頓的改進(jìn)和完善,發(fā)展成為我們今天所用的質(zhì)譜議.

湯姆孫在擔(dān)任卡文迪許實(shí)驗(yàn)室教授期間,創(chuàng)建了完整的研究生培養(yǎng)制度和良好的學(xué)術(shù)氣氛.1895～1914年間受過(guò)他教益的各國(guó)學(xué)者,后來(lái)都取得重要的研究成果.其中有7人獲得了諾貝爾獎(jiǎng),27人取得英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員的資格.

湯姆孫是一位理論與實(shí)驗(yàn)并重的物理學(xué)家.他注重自己設(shè)計(jì)和制作儀器,并有理論分析的才華.他的這一特長(zhǎng),加上他對(duì)新問(wèn)題的敏感、廣泛的興趣、豐富的想象力與創(chuàng)造力,以及待人親切和藹、通情達(dá)理等優(yōu)秀品質(zhì),使他成為卓越的領(lǐng)導(dǎo)人.由于關(guān)于氣體導(dǎo)電的實(shí)驗(yàn)和理論研究成果,J. J.湯姆遜獲得了1906年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).

3 G.P.湯姆孫(Thomson,Sir George Paget,1892～1975)英國(guó)物理學(xué)家.

G.P.湯姆孫是J.J.湯姆孫的獨(dú)生子.1892年5月3日生于劍橋;他在劍橋受教育,于1913年畢業(yè),然后在他父親的指導(dǎo)下開(kāi)始研究工作.第一次世界大戰(zhàn)期間,他應(yīng)召在皇家空軍服役,從事空氣動(dòng)力學(xué)方面的軍事研究項(xiàng)目.1919年退役后到卡文迪許實(shí)驗(yàn)室工作.1922年被任命為阿伯丁大學(xué)的自然哲學(xué)教授.1930～1952年,任倫敦大學(xué)帝國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院物理教授,1952～1962年任劍橋大學(xué)基督圣體學(xué)院院長(zhǎng).

1927年,美國(guó)物理學(xué)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(biāo),發(fā)現(xiàn)電子束不僅受到反射,而且發(fā)生了衍射.就這樣,電子的波動(dòng)性被證實(shí)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(dú)立完成了電子的衍射實(shí)驗(yàn).

他是在德布羅意著作的啟發(fā)下自覺(jué)進(jìn)行的.他在阿伯丁大學(xué)的時(shí)候,曾從一本《哲學(xué)雜志》上看到過(guò)德布羅意于1924年寫(xiě)的“光量子試論”一文.后來(lái)他參加了1926年的牛津會(huì)議,進(jìn)一步了解了德布羅意的理論,于是便開(kāi)始考慮做電子的衍射實(shí)驗(yàn).和戴維孫、革末不同,他決定用一種簡(jiǎn)單、明確和直接的方法,即利用金屬薄層做透射實(shí)驗(yàn).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(huán),如圖4所示.根據(jù)這些圓環(huán)的半徑可以計(jì)算出電子波的波長(zhǎng).后來(lái)他們又研究了電子通過(guò)金、鋁和鉑等金屬簿片時(shí)產(chǎn)生的衍射,證實(shí)了電子的波動(dòng)性,從而也就令人信服地證明了德布羅意波長(zhǎng)公式的正確性.

由于G.P.湯姆孫和戴維孫對(duì)電子衍射的實(shí)驗(yàn)研究,證明了德布羅意的物質(zhì)波理論,他們二人共同獲得了1937年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).

在第二次世界大戰(zhàn)期間,湯姆孫是英國(guó)原子能委員會(huì)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(zhì)波理論的奠基者——L.V.德布羅意.物理,1982 (12).

2 譚樹(shù)杰.百年諾貝爾獎(jiǎng).上海:上海科學(xué)技術(shù)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(xué)史研究(一) (第2版).上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,1984.

4 教育部基礎(chǔ)教育課程編輯部.中學(xué)新課標(biāo)資源庫(kù)物理卷.2004. 93-97

5 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū).物理選修3-3.北京:人民教育出版社,2007.

2010-05-06)