汤姆孙,卢瑟福与卡文迪什实验室

汤姆孙，卢瑟福与卡文迪什实验室
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e H/m H值的2000倍。

根据这种粒子的电荷e与氢离子的电荷e H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.
卢瑟福，E Ernest Rutherford (1871～1937)
伟大的物理学家。

1871年8月 30日生于新西兰南岛纳尔逊南郊，18岁获得新西兰大学坎特伯雷学院奖学金，在该校获得学士和硕士学位。

1894年他安装一台赫兹电磁振荡器,制成自己设计的电磁波接收器,在距离振荡器60英尺(约18米)远处能探测到振荡器发出的电磁波。

这时正当英国剑桥大学决定向国内外开放招收研究生，卢瑟福进入三一学院。

1895年获得剑桥大学第一批研究生奖学金，同年入卡文迪什实验室，成为J.J.汤姆孙的研究生。

他继续研究电磁波的发射和接收，没过几个月就将其仪器改善到能在半英里(约 0.8公里)远处接收到无线电波信号。

这项工作表现了他的实验才能，使他崭露头角。

1898年加拿大蒙特利尔的麦吉尔大学聘任他为麦克唐纳教授。

1907年他回英国担任曼彻斯特大学实验物理学教授。

1919年应邀到剑桥接替退休的J.J.汤姆孙,担任卡文迪什实验室主任。

1925年当选为英国皇家学会主席。

1931年受封为纳尔逊男爵，1937年10月19日因病在剑桥逝世。

学术成就卢瑟福对物理学的主要贡献是：
放射性卢瑟福对于放射性的研究,开拓了原子核物理学和原子物理学的新领域。

1896年他同J.J.汤
姆孙一道研究X射线在空气中产生电离的现象,随后又研究紫外光射在锌上产生离子的现象。

1898年A.H.贝可勒尔（见贝可勒尔家族）发现铀自动发射出穿透性很强的一种新的辐射，象X 射线那样能使空气电离。

这种现象引起他的重视，于是他的研究工作就转移到这一新领域，试图解决铀放射性之谜。

不久，在发现放射性辐射经过玻璃、石蜡、铝等物质时不发生折射（传播方向不改变）之后，卢瑟福用分层的铝片放在铀源上进行实验，发现了铀放射性辐射的成分不一，含有两种可被铝片吸收的辐射；一种是容易被吸收、即穿透力弱的，他称之为α辐射，一种是比较难于被吸收、即穿透力较强的，他称之为β辐射。

1900年，卢瑟福在蒙特利尔发现钍放出放射性气体。

他将这种气体称为钍射气，并发现钍射气还产生别的放射性淀积物，这时他与青年化学家F.索迪合作，至1902年共同发表了《放射性的原因和本质》这一划时代的论文，宣布放射性原子是不稳定的，通过放出α或β粒子而自发地变成另一种元素的原子。

这一放射性变化理论──重元素自发蜕变理论立即轰动了科学界。

卢瑟福应邀到世界各地讲学。

1904年他在英国皇家学会讲解他总结出的放射性产物链式蜕变理论，奠定了重元素放射系元素移位的基本原理（见放射系）。

他在访英期间，还提出根据放射性估算地球年龄的方法，论证了开尔文单就太阳重力收缩计算地球年龄的结论是错误的。

这期间他还编著了《放射性》一书，由剑桥大学于1904年出版，1906年再版改名为《放射性变化》。

在这本著作中，他介绍了开尔文1902年提出的原子模型，就是把原子看成是均匀带正电的球体，里面埋藏着带负电的电子，正常状态下处于静电平衡（这个模型曾由J.J.汤姆孙加以发展，后来通称汤姆孙原子模型）。

他还注意到1904年日本人长冈半太郎提出的围绕带正电的核心有电子环转动的原子模型。

这个土星式模型对他后来建立原子有核模型很有影响。

1905年他从α粒子的电荷质量比值的测量等实验结果，相信α粒子就是氦离子。

在曼彻斯特，卢瑟福在研究生T.罗伊兹协助下，利用O.鲍姆巴赫制成的α粒子能穿过而氦原子却不能穿过的薄壁玻璃管收集到的气体进行放电实验，从观察到的氦谱线而直接证明α粒子确实是氦离子 He2+(即氦核)。

1908年，由于在放射性研究方面的杰出贡献，卢瑟福获得诺贝尔化学奖。

当时人们认为这是属于元素性质的研究，而归入化学领域。

他所用的研究方法也是后来发展的放射化学和核化学的先导。

卢瑟福散射和原子结构卢瑟福到曼彻斯特后,已在那里工作的德国物理学家H.盖革在卢瑟福的建议
下，试图利用α粒子导致的气体放电来记录α粒子，从而发明了盖革计数管。

1909年，盖革和他的助手E.马斯登第一次观测到α粒子束透过金属薄膜后在各方向上散射分布的情况，其结果中居然出现少数意料不到的大角度散射；这使卢瑟福感到同汤姆孙所发展的开尔文原子模型矛盾很大。

他又考虑到，既然α粒子那样容易地穿透金属薄膜，而且有时又被薄膜弹回，就有可能用α粒子来探察原子内部结构。

由盖革－马斯登α散射实验的结果使他想到薄膜中的原子必然能赋予射来的α粒子以很大的力量把它弹回去。

这一观念导致他根据力学原理提出了α粒子为带电的核所散射，其轨道是双曲线，而导出卢瑟福散射公式。

这个公式随即由盖革和马斯登用改进了的α粒子散射实验所证实。

据此，卢瑟福认识到原子核半径小于10-12米。

更重要的是形成了他的原子模型，他认为原子有带正电的核，原子重量集中在核上，核的周围是带负电的电子，必然绕核沿稳定轨道转动，在动
力学上保持平衡；但这样的平衡与经典电动力学要求带电粒子在电场中作加速运动时有电磁辐射损失相违背，使他不得不说原子的稳定性问题还有待探索(见原子结构)。

人工核反应第一次世界大战期间，他的研究生多转入战时工业中工作，他自己也部分地承担与战事有
关的研究，寻求探测追踪潜水艇的方法。

但仍继续核实验研究，开始了著名于世的用α粒子轰击干燥空气，使氮核衰变,放出质子的实验。

1919年这一工作终于完成,标志着人类第一次实现了改变化学元素的人工核反应──用天然α粒子从氮原子核中打出质子。

1921～1924年，卢瑟福和J.查德威克已经证实，从原子序数为5的硼到原子序数为19的钾,除了碳和氧之外，所有的元素都有类似的核反应，即捕获1个α粒子放出1个质子而转化为下一号元素。

在此期间卢瑟福预言了重氢和中子的存在。

他同查德威克和C.D.艾利斯合作，于1930年出版了巨著《从放射性物质发出的辐射》，这部著作是早期核物理学的总结。

从上述的卢瑟福的三方面成就来看：
①他关于放射性的研究确立了放射性是发自原子内部的变化。

放射性能使一种原子改变成另一种原子，而这是一般物理和化学变化所达不到的；这一发现打破了元素不会改变的传统观念，使人们对物质结构的研究进入了原子内部这一新的层次，为开辟一个新的学科领域──原子核物理学，做了开创性的工作。

②他通过α粒子为物质所散射的研究，无可辩驳地论证了原子的核模型，因而一举把原子结构的研究引上了正确的轨道，于是他被誉为原子物理学之父。

由于电子轨道也就是原子结构的稳定性和经典电动力学的矛盾，才导致N.玻尔提出背离经典物理学的革命性的量子假设，成为量子力学的先驱。

③人工核反应的实现是卢瑟福的另一项重大贡献。

自从元素的放射性衰变被确证以后，人们一直试图用各种手段，如用电弧放电，来实现元素的人工衰变，而只有卢瑟福找到了实现这种衰变的正确途径。

这种用粒子或γ射线轰击原子核来引起核反应的方法，很快就成为人们研究原子核和应用核技术的重要手段。

在卢瑟福的晚年，他已能在实验室中用人工加速的粒子来引起核反应。

结语客观地讲，卢瑟福所取得的伟大成就是时代的产物，是和20世纪初期社会经济的发展和科学技术
的条件分不开的。

但是就他本人而言，他在科学事业上取得突出的成就可归诸两个因素：首先是他的惊人的洞察力和坚持不懈的工作精神。

正如在他领导下工作过的N.玻尔所说：“他的一生的一切方面都有同他所声称的、大自然所具有的、同样的简单性特征，这个自然界的简单性他能够发现而别的人就不能发现，别的人以前就不能看出来。

”这里所谓简单性也就是规律性。

卢瑟福的洞察力就表现在能从复杂的现象中抓住他所要研究的规律性，并且以坚持不懈的努力来找出和论证这种规律性。

例如关于物质的放射性这一复杂的现象，卢瑟福在研究过程中很早就紧紧抓住了对射线本质的鉴定和产物性质的分析这两个关键问题，最终确立了放射性衰变的简单而意义重大的规律。

20世纪初期物理学的一个重大发展趋势是逐步进入微观领域。

这一进展对实验技术方面提出的重要课题是怎样有效地获得关于物质微观结构的信息。

卢瑟福简单地然而十分成功地解决了这一问题，那就是用微观粒子（当时主要用α粒子）作为探针和应用可以观察个别的微观事件的探测器（当时主要用盖革计数器和威尔孙云室）。

这些显然是他观测微观事件的必要条件。

他所获得的辉煌成就是与他所采用的正确技术途径分不开的。

卢瑟福善于识别、选择和培养人才，并且能团结一批卓越的物理、化学和技术专家在他周围工作，这是他取得成就的第二个重要的因素，也是他对科学发展的又一项重大的贡献。

无论是早期与他合作的索迪，在曼彻斯特的盖革和N.玻尔，还是后来在卡文迪什实验室围绕他工作的一批实验核物理学家,大都成为著名的学者,其中有的是诺贝尔奖获得者，有的在实验技术上作出重大贡献。

正是他的知人善任和精心培养，在J.J.汤姆孙和他两代人的领导下使卡文迪什实验室人才云集，成为物理学研究的重要中心。

当然,作为一个科学家,卢瑟福也会有失误。

人们经常提到的是他关于核能利用的错误论断。

他曾断言:“就释放能量来说，用原子核来做实验可以说纯属浪费。

”当然就当时已知的核反应来说，这种论断也是有事实根据的。

然而在他死后两年，就在芝加哥建成了第一个裂变反应堆。

这是新能源──核能的首次开发，标志着人类进入了一个新的时代──原子能时代。

和科学史上曾经有过的多次先例一样，这一事例又一次表明了：看来似乎无用的基础研究，给生产力发展所带来的影响往往超过了甚至是当时最伟大的科学家的想像。

总之，人们会永远为了进入原子能时代而更加怀念卢瑟福这位伟大的科学家。

卡文迪什实验室Cavendish laboratory
即英国剑桥大学的物理学系。

筹建于1871年，是世界上最有声望的物理学研究和教育的中心之一;对近100年来物理学的发展起过非常出色的作用，前后培养出诺贝尔奖金获得者共达26人。

（见彩图）主持这个实验室的历届教授是:J.C.麦克斯韦(1871～1879)、瑞利(1879～1884)、J.J.汤姆孙(1885～1919)、E.卢瑟福(1919～1937)、W.L.布喇格(1938～1953)、N.F.莫脱(1953～1971)、A.B.皮帕德(1971～1978)、A.H.考克(1979～1984)、S.爱德华(1984～)。

卡文迪什实验室的创建，标志着物理学开始了在实验室中进行系统性实验的时代。

它的优良传统是力求在新的领域中作出新的发现。

在它100多年的历史中,重要的成就有:汤姆孙发现电子、卢瑟福发现元素的转变、E.V.阿普顿发现电离层、J.查德威克发现中子、W.H.布喇格等发现一些重要的生物分子的结构、M.赖尔等对射电源的普查、A.休伊什等发现脉冲星。

这个实验室另一个优良传统是，实验中所用的关键性实验装置都是由实验人员自己设计和制造。

因此，许多非常有价值的物理实验用的仪器和设备，都出自这里，例如，J.J.汤姆孙的阴极射线管、F.W.阿斯顿的质谱仪、C.T.R.威耳孙的云室和P.M.S.布莱克特的自动云室、J.D.考克饶夫和E.T.S.瓦耳顿的高压倍加器、考克饶夫的雷达、赖尔的综合孔径射电望远镜。

以实验为根据的理论探索,在这里同样受到重视,瑞利对声学理论的奠基性工作、F.H.C.克瑞克和J.D.沃森提出脱氧核糖核酸 (DNA)分子双螺旋结构导致的遗传学理论的进展、N.F.莫脱等关于固体物理学理论的系统研究等都是极有影响的理论成就。

这个实验室是“天才的苗圃”，注重人才的培养。

30年代之前，英国、美国的著名物理学家大多出于这个实验室。

其他各国来这里深造或工作过的物理学家，比比皆是；其中有中国物理学家霍秉权、张文裕、李国鼎、周长宁等，中华人民共和国成立后来这里工作、进修或学习的中国学者已近10名。

卡文迪什实验室的研究作风强调独立性。

对于学生也要求自行选择课题，自行装置仪器和安排实验。

有些成果是由学生阶段的人做出的。

B.D.约瑟夫森发展超导节的理论、J.贝尔最先注意到脉冲星的信号，当时他们都是研究生。

卡文迪什实验室首先注意到，随着物理实验规模的变大，研究组织应向集团性发展。

1938年，W.L.布喇格将整个实验室按课题分组，形成一些有确定研究方面的工作集团。

这种科学研究的组织管理形式，为以后的许多物理研究机构所仿效。

1967年后，实验室迁到剑桥西区。

新址由四个相连的建筑物构成：卢瑟福楼供高能物理和天体物理研究用，莫脱楼供固体物理研究用，布喇格楼中包括大学生物理实验室、图书馆和附属工厂，另一个建筑是计算机房。

现在实验室有研究人员100多人，研究生约150人；每年经费约300余万英镑。

卡文迪什实验室既是从事科研的有名实验室，也是进行物理学教学的好课堂。

在实验室旧址的顶层阁楼上是训练物理学系学生的实验室，不少有名的物理学家在这里接受物理学的基本训练。

主持这项工作的G.F.C.西勒,自1902年起在这里讲授物理,直到1946年80岁的时候。