物理学中三个著名的汤姆孙

王金聚 徐海龙 何 勇

(浙江省温州中学,浙江温州 325000)

物理学中三个著名的汤姆孙

王金聚 徐海龙 何 勇

(浙江省温州中学,浙江温州 325000)

汤姆孙,英文名字为Thomson,早期曾译为汤姆森、汤姆逊、汤姆生等.现行高中物理教材涉及名为汤姆孙的科学家有3个,他们都是英国人,其中最早的一位就是热力学当中大名鼎鼎的开尔文.另外两位是一对父子,父亲发现了电子,儿子发现了电子通过金属箔的衍射现象,父子二人都分别获得了诺贝尔物理学奖.下面分别对这3位科学家作一个简单的介绍.

1 开尔文(Lord Kelvin 1824～1907)原名 W.汤姆孙(Wi11iam Thomson)

19世纪英国卓越的物理学家.1824年6月 26日生于爱尔兰的贝尔法斯特.由于装设大西洋海底电缆有功,英国政府于1866年封他为爵士,后又于1892年封他为男爵,称为开尔文男爵,以后他就改名为开尔文.

开尔文在科学上的贡献主要有以下几个方面:

1.1 在热力学方面的成就

现在国际上通用的热力学温标,就是由开尔文在1848年首先提出的,并且在1854年对其作了修改.为了纪念他在科学上的功绩,在1954年召开的国际计量大会上,把热力学温标(即绝对温标)确定为现代科学上的标准温标,亦称开尔文温标,热力学温度以开尔文为单位,是现在国际单位制中7个基本单位之一.

开尔文和克劳修斯都是热力学第二定律的主要奠基人.1851年,开尔文接连发表了多篇论文,给出了他关于第二定律的说法:“不可能从单一热源吸收热量,使之完全变成功而不产生其他影响”,这就是现行教材中热力学第二定律的开尔文表述.开尔文从热力学第二定律断言,能量耗散是普遍的趋势.

1.2 在电磁学方面的成就

开尔文在电磁学理论研究方面成果卓著.他在静电和静磁学理论方面、交流电方面、静电绝对测量和电磁测量方面、大气电学方面等,都作出了重要的贡献.1848年他发明的电像法,是计算一定形状导体电荷分布所产生的静电场问题的有效方法.他深入研究了莱顿瓶的放电振荡特性,于1853年发表了《莱顿瓶的振荡放电》的论文,推算了振荡的频率,为电磁振荡的理论研究作出了开拓性的贡献.

1.3 铺设大西洋海底电缆

图1 开尔文

1856年,英国电报公司筹划铺设一条横过大西洋的海底电缆,鉴于开尔文对电缆中信号传播规律的研究,委任他负责这项工作.历经两年的多方研究与试验,几经周折,终于在1858年铺设了第一条大西洋海底电缆,这也是开尔文相当出名的一项工作.

1.4 对电工仪表的研究

为了成功地铺设海底电缆,开尔文用了很大的精力来研究电工仪器.例如,他发明的镜式电流计可提高仪器测量的灵敏度,虹吸记录器可自动记录电报信号.开尔文在电工仪器上的主要贡献是建立电磁量的精确单位标准和设计各种精密测量的仪器,包括绝对静电计、开尔文电桥、圈转电流计等.

次外,开尔文在流体力学特别是其中的涡旋理论方面也作出了许多贡献.

1907年12月17日,开尔文在苏格兰的内瑟霍尔逝世.可以说,开尔文的一生是非常成功的.去世时,得到了几乎整个英国和全世界科学家的哀悼.他的遗体被安葬在威斯敏斯特教堂牛顿墓的旁边.

2 约瑟夫·约翰·汤姆孙(Joseph John Thomson,1856～1940)

图2 J.J.汤姆孙

英国物理学家,电子的发现者.1856年12月8日生于曼彻斯特郊区齐山姆的一个书商家庭.14岁进入欧文学院学习. 1876年成为剑桥大学三一学院的数学研究生,此后便在剑桥度过一生.1884年被选为英国皇家学会会员,随后转入卡文迪许实验室工作.1905年接替瑞利担任皇家学院自然哲学教授.1911～1913年任英国皇家学会副会长. 1915～1920年任会长.1918年起担任三一学院院长,1919年他辞去卡文迪许实验室教授的职位,推荐他的学生卢瑟福继任,而自己则继续留在实验室进行研究工作长达21年,1940年8月30日在剑桥逝世.

J.J.汤姆孙在科学上的贡献主要有以下两个方面:

2.1 发现电子

19世纪末,低压气体放电现象引起了许多物理学者的兴趣.大多数英国物理学者,包括汤姆孙本人在内,都认为阴极射线是带电粒子流,它们可以被磁场偏转;而多数德国物理学者则把它看作是一种以太波.后来,汤姆孙发现阴极射线的速度小于光速2个数量级,认为它不可能是以太波.

值也相同.这就更进一步证明了他上述的论断是无可置疑的了.

电子是人们所认识的第一种基本粒子.电子的发现标志着人类对物质结构的认识进入了一个新的层次,它打破了人们千百年来一直认为原子是组成物质的最小单元的传统观念,揭示出原子还有内部结构.从此,向原子内部探索和“分裂原子”就成了20世纪初期物理领域中最振奋人心的口号.

2.2 发明了研究极隧射线的质谱方法

汤姆孙的另一个重要贡献是发明了研究极隧射线时发展起来的质谱方法.当时已经研究清楚穿过阳极细孔的极遂射线是带正电的粒子流;它在电场和磁场的作用下偏转,可用照相底版记录其径迹.汤姆孙努力提高放电管的真空度,改进实验技术和径迹的分辨技术,于1913年将氖放电管中原子量分别为20和22的两种不同的氖离子区分开来,第一次用物理方法分离了稳定元素的同位素.他的这一方法经过同在卡文迪许实验室工作的F.W.阿斯顿的改进和完善,发展成为我们今天所用的质谱议.

汤姆孙在担任卡文迪许实验室教授期间,创建了完整的研究生培养制度和良好的学术气氛.1895～1914年间受过他教益的各国学者,后来都取得重要的研究成果.其中有7人获得了诺贝尔奖,27人取得英国皇家学会会员的资格.

汤姆孙是一位理论与实验并重的物理学家.他注重自己设计和制作仪器,并有理论分析的才华.他的这一特长,加上他对新问题的敏感、广泛的兴趣、丰富的想象力与创造力,以及待人亲切和蔼、通情达理等优秀品质,使他成为卓越的领导人.由于关于气体导电的实验和理论研究成果,J. J.汤姆逊获得了1906年的诺贝尔物理学奖.

3 G.P.汤姆孙(Thomson,Sir George Paget,1892～1975)英国物理学家.

G.P.汤姆孙是J.J.汤姆孙的独生子.1892年5月3日生于剑桥;他在剑桥受教育,于1913年毕业,然后在他父亲的指导下开始研究工作.第一次世界大战期间,他应召在皇家空军服役,从事空气动力学方面的军事研究项目.1919年退役后到卡文迪许实验室工作.1922年被任命为阿伯丁大学的自然哲学教授.1930～1952年,任伦敦大学帝国科学技术学院物理教授,1952～1962年任剑桥大学基督圣体学院院长.

1927年,美国物理学家戴维孙研究真空管中电子射向金属镍靶的反射情况.他使用一块单晶镍作靶标,发现电子束不仅受到反射,而且发生了衍射.就这样,电子的波动性被证实了.

图3 G.P.汤姆孙

图4 电子衍射图样

就在同一年,G.P.汤姆孙也独立完成了电子的衍射实验.

他是在德布罗意著作的启发下自觉进行的.他在阿伯丁大学的时候,曾从一本《哲学杂志》上看到过德布罗意于1924年写的“光量子试论”一文.后来他参加了1926年的牛津会议,进一步了解了德布罗意的理论,于是便开始考虑做电子的衍射实验.和戴维孙、革末不同,他决定用一种简单、明确和直接的方法,即利用金属薄层做透射实验.这样他便能使用比较容易处理的、能量在3.9～16.5 keV之间的高能量电子.他所用的第一批薄膜是厚约3× 10-6cm的赛璐珞.他和F.里德很快就观察到了衍射环,如图4所示.根据这些圆环的半径可以计算出电子波的波长.后来他们又研究了电子通过金、铝和铂等金属簿片时产生的衍射,证实了电子的波动性,从而也就令人信服地证明了德布罗意波长公式的正确性.

由于G.P.汤姆孙和戴维孙对电子衍射的实验研究,证明了德布罗意的物质波理论,他们二人共同获得了1937年度的诺贝尔物理学奖.

在第二次世界大战期间,汤姆孙是英国原子能委员会主席.他于1945年被封为爵士.1975年9月10日卒于剑桥,享年83岁.

1 阎康年.物质波理论的奠基者——L.V.德布罗意.物理,1982 (12).

2 谭树杰.百年诺贝尔奖.上海:上海科学技术出版社,2001.36-91

3 王福山.祝贺德布罗意、狄拉克诞辰.近代物理学史研究(一) (第2版).上海:复旦大学出版社,1984.

4 教育部基础教育课程编辑部.中学新课标资源库物理卷.2004. 93-97

5 普通高中课程标准实验教科书.物理选修3-3.北京:人民教育出版社,2007.

2010-05-06)