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节日特辑 | 聊聊物理学大师汤姆逊与他的诺奖训练营

发布时间:2016-9-10 17:07    来自: 中国核网

      编者按 

著名教育学家陶行知先生名言"学高为师,身正为范;学为人师,行为世范"指出人才的发掘和成长,名师的指点和引导极为重要。作为一位老师,没有什么比桃李满天下更令人欣慰的啦,而说到桃李满天下,物理学大师—约瑟夫·约翰·汤姆逊当之无愧。 

约瑟夫·约翰·汤姆逊,英国物理学家,电子的发现者。世界著名的卡文迪许第三任实验室主任。1856年12月18日生于英国曼彻斯特,1884年,28岁的汤姆逊在瑞利的推荐下,担任了卡文迪许实验室物理学教授。1897年汤姆生在研究稀薄气体放电的实验中,证明了电子的存在,测定了电子的荷质比,轰动了整个物理学界。人们称他是“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。1940年8月30日,汤姆逊逝世于剑桥。终年84岁。

从照片来看,这像一位严谨的理论学家,根本不像是一个会动手做实验的人。然而汤姆逊不仅是一位理论物理学家,而且是一位实验物理学家,他一生所做过的实验,是无法计算的。正是在反复的实验中,他测定了电子的荷质比,发现了电子;又在实验中,创造了把质量不同的原子分离开来的方法,为后人发现同位素,提供了有效的方法。汤姆逊对自已的学生要求非常严格,他要求学生在开始做研究之前,必须学好所需要的实验技术。同时,他认为大学应是培养会思考、有独立工作能力的人才的场所,不是用“现成的机器”投影造成出“死的成品”的工厂。因此,他坚持不让学生使用现成的仪器,他要求学生不仅是实验的观察者,更是做实验的创造者。汤姆逊在担任卡文迪许实验物理教授及实验室主任的34年间,着手更新实验室,引进新的教授法,创立了一个极为成功的研究学派。

下面为大家梳理下他的学生或者助手中的诺贝尔奖得主。

1.布拉格父子

劳伦斯·布拉格(1890-1971)曾经担任过汤姆逊的助手,而父亲威廉·布拉格(1862-1942)曾经担任过汤姆逊的导师的助手。威廉·劳伦斯·布拉格 和他的父亲威廉·亨利·布拉格通过对X射线谱的研究,提出晶体衍射理论,建立了布拉格公式,并改进了X射线分光计。父子二人共同获得1915年的诺贝尔物理学奖。劳伦斯·布拉格年仅25岁时就荣获了诺贝尔奖,是历史上最年轻的诺贝尔物理学奖获奖者。 

布拉格父子

2.欧文·理查森 

欧文·理查森(Sir Owen Richardson ,1879-1959),1900年拿到学位后到卡文迪许实验室工作,研究热物体的电子发射现象。因在热离子学发射领域做出重大贡献,特别是发现了理查森定律(Richardson's Law) 而于1928年荣获诺贝尔物理学奖。

3.乔治·汤姆逊 

乔治·汤姆逊(George Paget Thomson 1892-1975),约翰·汤姆逊的儿子,在父亲的言传身教下,在实验中发现电子在晶体中的干涉现象,与戴维逊分享了1937年度的诺贝尔物理学奖金。

4.爱德华·V.·阿普尔顿 

爱德华·V.·阿普尔顿(Edward V. Appleton, 1892-1965),阿普尔顿是电离层研究的先驱。1924年,他利用变换频率的电磁波接收到来自电离层的回波,首次直接证实了电离层的存在。并发现了电离层的E层和F层。他的另一项开创性的工作是建立磁离子理论,并得出了电离层对无线电波的复折射指数公式。这一公式后被称为阿普尔顿-哈特里公式。这个公式正确地预言了电磁波在具有外磁场的电离气体中传播时的行为,这些研究对短波通信和雷达技术等实际应用都起了十分重要的作用。1947年,由于他在高层大气方面的研究,特别是电离层F层的发现,而获得诺贝尔物理学奖。

5.马克斯·玻恩 

马克斯·玻恩(Max Born 1882-1970),马克斯·玻恩曾前往剑桥大学跟随汤姆逊学习过一段时间,是德国犹太裔理论物理学家,量子力学奠基人之一。因对量子力学的基础性研究尤其是对波函数的统计学诠释,获得1954年的诺贝尔物理学奖。玻恩也是我们是中国核武器研究的开创者之一,在核武器的研制和试验中作出突出贡献的程开甲老先生的老师。

6.阿斯顿 

阿斯顿(Francis William Aston 1877-1945),阿斯顿是英国物理学家,1910年阿斯顿受邀到汤姆逊的实验室工作。他长期从事同位素和质谱的研究。他首次制成了聚焦性能较高的质谱仪,并用此来对许多元素的同位素及其丰度进行测量,从而肯定了同位素的普遍存在。同时根据对同位素的研究,他还提出了元素质量的整数法则。因此他荣获了1922年的诺贝尔化学奖。

7. 卢瑟福 

卢瑟福(Ernest  Rutherford,1871-1937),卢瑟福是汤姆逊的学生,这个相信大家最为熟悉。卢瑟福首先提出放射性半衰期的概念,证实放射性涉及从一个元素到另一个元素的嬗变。,并且证实前者就是氦离子。因为“对元素蜕变以及放射化学的研究”,他荣获1908年诺贝尔化学奖。1909年,卢瑟福(Lord Emest Rutherford)和其合作者盖革(H.Geiger)与马斯顿(E.Marsden)所进行的α粒子散射实验,最终提出了原子的核式模型。卢瑟福α粒子散射实验是现代核物理学的基石,被称为原子核物理之父。

也许是师承大师,卢瑟福也是一位成功的导师,在他的指导或者影响下也产生了多位诺奖得主。

l 索迪 

索迪(Frederick Soddy 1877一1956),索迪,英国人,物理学家、化学家。索迪于1910年提出了同位素假说,1913年发现了放射性元素的位移规律,为放射化学、核物理学这两门新学科的建立奠定了重要基础。索迪荣获了1921年的诺贝尔化学奖。

l 尔斯·亨利克·戴维·玻尔 

尔斯·亨利克·戴维·玻尔(Niels Henrik David Bohr,1885—1962),丹麦物理学家,玻尔通过引入量子化条件,提出了玻尔模型来解释氢原子光谱;提出互补原理和哥本哈根诠释来解释量子力学,他还是哥本哈根学派的创始人,对二十世纪物理学的发展有深远的影响。1922年获得诺贝尔物理学奖。

l 查尔斯·汤姆逊·里斯·威尔逊 

查尔斯·汤姆逊·里斯·威尔逊(Charles Thomson Rees Wilson 1869—1959),威尔逊当时是剑桥大学的学生,经常同卡文迪许实验室的研究生卢瑟福进行交流。1896年他发明了云室(cloud chamber),1912年,威尔逊为云室增设了拍摄带电粒子径迹的照相设备,使它成为研究射线的重要仪器。用这个云室拍摄了α粒子的图象。在历史上,云室对粒子物理起过重大作用,曾用它发现了e+、μ-等粒子,也是最早的核辐射探测器。1927年,威尔逊因发明云室而与康普顿同获诺贝尔物理学奖。

l 查德威克 

中子学之父—查德威克(James Chadwick,1891~1974),1932年跟卢瑟福合作期间发现了中子,解决了长期困扰科学界的关于原子核质量与电荷的问题。1939~1943年参加“英国及美国曼哈顿工程地原子弹研究”。1935年获诺贝尔物理学奖。

l 海韦西 

海韦西(George Charles de Hevesy,1885-1966),匈牙利籍、瑞典籍放射化学家,被称为“核医学之父”,其在同位素示踪和放射化学上面的研究工作而获得并获得了1943年的诺贝尔化学奖。

l 布莱克特 

布莱克特(Patrick  M. S.  Blackett,1897-1974), 布莱克特主要研究宇宙辐射并发展能自动照相记录的云室技术。他首次拍摄到核嬗变(1925)并独立于C.D.安德森于1932年用他拍摄的正负电子成对产生过程的宇宙线径迹照片有力地证实了正电子的存在。于1948年度的诺贝尔物理学奖。

l 鲍威尔 

鲍威尔(Cecil Frank Powell,1903—1969), 因发展了用以研究核过程的照相乳胶记录法(核乳胶)并用此方法发现了π介子,获得了1950年度诺贝尔物理学奖。

l 科克拉夫特和瓦耳顿 

科克拉夫特(John  D. Cockcroft,1897-1967)和瓦耳顿(Ernest  T. S.  Walton,1903-1995),科克拉夫特是英国著名物理学家,瓦耳顿,爱尔兰著名的物理学家,因两人在原子核嬗变和人工加速原子核粒子上杰出的工作而获得1951年的诺贝尔物理学奖。

l 卡皮茨 

卡皮茨(Pyotr L. Kapitsa,1894-1984),俄罗斯物理学家,1921年前往英国剑桥大学,在欧内斯特·卢瑟福领导的卡文迪许实验室工作。1934年回国。1938年他和约翰·艾伦等人发现了液态氦在低温下的超流体,1978年因在低温物理学领域的贡献而与其他两位物理学家一同获得当年的诺贝尔物理学奖。

科学史证明杰出的科学家不仅是将知识传递给学生,更重要的是研究问题的思维方法以及身为人师的高尚品质、非凡气质,这种科学魅力自然会对学生产生深刻地影响。

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