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2017年12月13日 星期三

丁酉(鸡)年十月廿六

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汤姆孙,J.J.  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岁进欧文学院学习。不久父亲病逝,靠徽薄的奖学金维持学业。1874年,他年方18岁,便在物理学家B.史迪华指导下完成了第一篇科学论文《绝缘体之间接触电的实验研究》。1876年考试合格,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。1880年取得数学荣誉学位考试的第2名,次年便成为三一学院研究员。由于对完全不可压缩流体中两个闭合旋涡相互作用的研究成果,1883年他获得亚当斯奖金,因而当年升任讲师。1884年春被选为英国皇家学会会员,随后转入卡文迪什实验室工作。1884的12月他完成精确测定电量的静电单位与电磁单位两数值之比(结果为2.997×1010cm/s)等实验研究,即被剑桥大学评选委员会评选为卡文迪什实验室教授,接替瑞利的主任职位;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年他辞去卡文迪什实验室教授的职位,推荐他的学生E.卢瑟福继任,而自己留在实验室继续进行研究工作,长达21年,1940年8月30日在剑桥逝世。
  19世纪80年代,一般认为经典物理学在电学、磁学和热力学方面的发展已相当完善,以致不少的物理学家觉得物理学像是将要开采完的矿藏,面临枯竭危机。只有极少数学者继续致力于新问题的探索,汤姆孙便是其中重要的一员。在进入卡文迪什实验室之后,他取得了重大科研成果,开辟了近代物理学的新领域。
  汤姆孙最重要的贡献是发现了电子。当时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,它们可被磁场偏转;而多数德国物理学者则认为既然阴极射线能在玻管壁上产生荧光,则必与紫外线相类似,因而把它看作是一种以太波。19世纪90年代初,德国人P.勒纳由实验得知阴极射线可通过金属薄片,因此认为它不可能是粒子流。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。1896年他邀请勒纳到英国进行学术交流,彻底了解清楚勒纳的思想和实验结果。终于使他产生一个新的想法,阴极射线可能是质量和线度小于原子的粒子射线。
  为了证实这个想法和弄清楚这些粒子的物理性质,J.J.汤姆孙做了一个决定性的实验,他测定阴极射线受一定强度磁场作用弯折后所显示的曲率半径;另外,采用静电偏转力与磁场偏转力相抵消的方法确定粒子的速度,由此得到粒子的荷质比e/m约为氢离子的eH/mH值的2000倍。根据这种粒子的电荷 e与氢离子的电荷eH值相同,其质量m微小程度是显而易见的,而且对于固体物质它有一定的穿透力,可见这种粒子的线度也是极小的。汤姆孙还进一步发现,不论阴极射线管内的剩余气体是哪一种气体,电极是什么材料制成的,e/m值都相同。这就令人深信,这种带负电粒子是组成一切原子的基本成员之一。当时汤姆孙把他发现的这种粒子称为“微粒”,于1897的4月30日正式宣布。后来人们把这种微粒命名为电子。
  以后两年内,他又发现用其他方法,如受紫外线照射而发射出的光电子和碳丝受热而发射出来的热电子的e/m 值也相同。这就更进一步证明了上述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,它打破了千百年来认为原子是组成物质的最小单元这一观念,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。
  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。他的方法经过同时在卡文迪什实验室工作的F.W.阿斯顿的改进和完善,发展成为今天的质谱议。
  汤姆孙在担任卡文迪什实验室教授期间,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资格。他是一位卓越的教师,不但给研究生讲专业课,还给大学生讲基础物理课。他认为讲课对于一个研究人员极为有益,可促使自己重新考查基本概念。他讲课时既热情,又严格,思维敏捷并富有启发性。他常以改进大学和中学的物理教学而自娱,并和他的密友J.H.坡印廷合写了几部出色的教科书。
  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。他对科学研究的激情,至死不懈。
  参考书目
 Lord Rayleigh,The life of Sir J.J.Thomson,Cam-bridge Univ. Press, Cambridge,Eng.,1943.
 G.P.Thomson,J.J.Thomson and the Cavendish La-boRatory in His Day,Nelson,Edinburgh,1964.

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更新时间 : 2009-01-27

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