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量子力学的 预备知识3
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量子力学的预备知识(三)

February 18, 2016 • Columns, Commentary from Professor Zhang, 最近文章汇总

在《高电压绝缘》的教科书中, 在讲到气体击穿的流注理论时, 介绍了在电离 室中进行的放电发展的实验研究, 根据我多年的教学经验, 绝大多数学生不会 去阅读它, 因为这段文字并没有交代一些背景知识, 而且叙述的方法也过于枯 燥和平淡, 学生完全没有想读懂它的欲望。因此这篇专栏就先来谈谈电离室。 电离室的发明人是C.T.R.威尔逊(Charles Thomson Rees Wilson), 他在J.J.汤 姆森领导下工作。C.T.R.威尔逊于1869年生于苏格兰的一个牧民家庭, 1892年 进入卡文迪什实验室做演示员, 工作不久便离开了。1894年夏天, 他到苏格兰最 高的本·尼威斯山顶的气象观测站工作了几个星期。在这期间, 他观察到太阳光 在山顶四周的云中产生的彩云及其变化的奇异现象, 便决心在实验室中研究云 的形成, 因而又回到了卡文迪什实验室。他用人工的办法将湿空气绝热膨胀, 这 个时候空气会因为温度下降而生成云雾。他还发现水滴的形成需要以尘埃颗粒 做核心, 而经过X射线照射后, 离子化的气体产生的带电原子或离子也会成为水 滴的核心, 放射性辐射和紫外线也有同样效果, 但是当用电场将离子的电荷去 掉后, 就不再形成云雾, 因而他提出了离子凝结理论。他以极大的耐心和毅力, 克服种种困难, 自己动手, 经过近20年的时间, 根据带电粒子作为小水滴的核 心来描绘放电径迹的原理, 在1911年发明了云室(cloud chamber,电离室也 称为云室), 为原子物理、核物理和粒子物理研究提供了观察和发现粒子的重 要手段, 为此他获得了1927年的诺贝尔物理学奖。 电离室内充以需要研究的气体, 气体中含有饱和的水蒸气, 当电离室内的气体 发生放电时, 室内气体快速膨胀, 于是温度下降, 蒸汽转入过饱和状态。结果, 蒸汽就能在气体放电形成的离子周围凝结, 随离子的运动而形成轨迹(track), 使得放电途径成为可见。 下面谈谈J.J.汤姆森的独生子G.P. 汤姆森。他于1892年5月3日生于英国剑桥, 自 幼在剑桥大学的环境熏陶下长大。上一篇专栏曾经提到, J.J.汤姆森由于发现了 电子而在1906年被授予诺贝尔物理学奖, 有趣的是, 他的儿子在31年后(1937 年)由于发现了 “电子也是波” 也被授予了诺贝尔物理学奖。J.J.汤姆森1908年 封爵, G.P. 汤姆森在35年后也获得了同样的荣誉。 J.J 汤姆森还有很多很有成就却没有获得诺贝尔奖的学生, 其中之一就是J.S.E.汤 森(John.Sealy.Edward.Townsend)。J.S.E.汤森在《高电压绝缘》的教科书 中, 是一个大名鼎鼎的人, 他第一个提出气体放电理论, 在国内外的任何高电压 绝缘的书籍中, 都必须提到他。 J.S.E.汤森是爱尔兰人, 为J.J 汤姆森在1895年招收的四个硕士研究生之一, 主 要研究X射线致气体放电, 特别是在低气压时的气体放电, 后来被称为 “汤森气 体放电理论”, 于1941年封爵。 最后谈谈上篇专栏提到的帮助J.J 汤姆森进行气体放电实验的E.卢瑟福, 他是 1895年卡文迪什实验室招收的第一批硕士研究生, 祖籍苏格兰人。1895年是卡 文迪什实验室历史上最重要的年份之一, J.J 汤姆森通过发现电子和提出物质 的电子结构理论, 揭开了微观世界组成的新领域, 也打开了现代物理的大门。 但是由于历史的局限性和知识上的种种原因, J.J 汤姆森对现代物理学的展开 没有起到领导作用。有一位大物理学家说过:“J.J 汤姆森是新老物理学之间的 一个奇妙的链环。有人说他打开了通向新物理学的大门, 但是他本人却从来没 有进去过。” 而实际上, 真正带头进入现代物理大门, 并且领导了开拓原子内新 天地的探索者的, 却是他的学生E.卢瑟福。A.爱因斯坦也曾经说过 “我认为, 卢 瑟福是一切时代最伟大的实验物理学家, 并且与法拉第是同一级别的。” E.卢
瑟福出任了第四任卡文迪什教授,与前三任不同(他们 均是理论物理学家),他是按照正规的实验科学培养起 来的,而且在剑桥毕业后花了20年的时间从事实验物理 的教学和研究,他是第一次以实验物理学家的身份主持 该实验室的科学家。 正如上篇专栏中所提到的:在1900年前后, 许多科学家 已经知道原子不是一个简单的、不可分割的粒子, 它至 少含有一个亚原子粒子-----这就是J.J 汤姆森识别出来 的电子。接下来的工作就是继续寻找其他的亚粒子, 并且 试图思考原子的内部结构, E.卢瑟福也在此行列之中。他 认识到既然原子中包含电子, 那么其中一定也会包含正电 荷。为了检测原子的结构并检验这个假设, E.卢瑟福采用 了现在已经成为传统物理学技术的一种方法:用一种微小 的东西去撞击另一个微小的东西, 看看会发生什么情况。 他把当时刚刚发现不久的α射线射向诸如金或铝之类的 薄箔, α射线是从某些物质发出的带正电的质量非常大的 “α粒子” 的高能粒子流。这个想法是要观察金属薄箔使 快速运动的α粒子从它们原来的方向偏离了多少, 并且由 此推断在金属薄箔的原子内部的物质应该如何分布。E.卢 瑟福亲自着手寻找这个问题的答案。从1906年到1908年 的三年时间, 他反复试验, 用α粒子撞击金属薄箔, 结果 是绝大多数入射的粒子都能顺利通过, 没有发生偏转, 这 说明了金属薄箔的原子内部具有十分疏松、空敞的结构。
但是事情并不尽然:E.卢瑟福发现,有少量α粒子被反弹 回来。用他的话说:“那是我一生中遇到的最难以置信的 事情。其难以置信的程度,就像是你向一张薄纸发射一颗 15英寸(38厘米)的炮弹,而炮弹却被弹回来并打中你一 样。” E.卢瑟福由此断定:这些粒子所击中的是仅占原子 体积极小部分的某种致密的核心。看来, 原子体积的绝大 部分必定为电子所占有。当α粒子撞击金属薄箔时, 它们 通常是只碰到电子, 因而它们掠过这些泡沫般的轻粒子, 并没有发生偏转。但是如果有个α粒子碰巧击中了一个原 子的致密的核心, 就会发生偏转, 这种情况发生的次数极 少, 说明了原子的核心必定极小。所以, E.卢瑟福认为原子 的基本模型是这样的:带正电荷的原子核所占的地方很 小, 但却几乎包含着全部原子的质量, 而它周围的电子几 乎占据着原子的全部体积, 实际上却不包含多少质量。E. 卢瑟福由于最先发现了原子核和提出原子有核结构而成 为原子物理的奠基人, 并于1908年获得诺贝尔化学奖。他 也被视为J.J 汤姆森的最得意的门生, J.J 汤姆森也举荐 他为自己的接班人。
张德赛 武汉大学电气工程学院

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