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量子力学的 预备知识(二)

January 9, 2016 • Commentary from Professor Zhang, 最近文章汇总

以前的专栏谈到: 高电压绝缘中的许多概念其实都是属于量子力学的范畴。古人 说过: 读书应该具备两个眼, 一个是肉眼, 一个是心眼, 肉眼不看不真, 心眼不看不 深, 两眼皆有, 韵味自来。但是看高电压绝缘的书籍, 很难具有心眼, 我这几篇专栏 的目的就是想介绍一些相关的知识, 使某些概念慢慢活起来, 丰满起来, 心眼只有 在这些基础上才能建立起来。 这篇专栏我们来谈谈J.J.汤姆森。 在英国, 姓汤姆森的著名科学家有很多人, 如热力学温标 (绝对温标) 的发明人, 被称 为热力学之父的开尔文勋爵, 在授勋之前的名字就叫W.汤姆森, J.J.汤姆森 (Joseph John Thomson) 的儿子G.P.汤姆森 (George Paget Thomson) 也是一位诺贝 尔物理学奖获得者, 所以在写J.J.汤姆森的名字时, 必须加J.J., 以示区别。J.J.汤姆 森在科学史上, 以发现电子而闻名于世。 卡文迪什实验室是英国剑桥大学的系级物理实验室, 该实验室在近现代科学发展 中占有相当重要的地位。它是电磁理论、气体放电理论、原子物理、核物理、分子生 物学和射电天文学的发祥地, 是对新型半导体材料、超导体和凝聚态理论等做出 重要发展的场所, 在这里, 发现过电子、中子、正电子、脉冲星、DNA双螺旋结构、 非晶体半导体和有机聚合物半导体材料等, 它还发明过云室、质谱仪、X射线摄谱 仪和射电望远镜等, 所以人们常说英国是 “物理之邦”, 这话一点都不假。 1871年3月8日J.C.麦克斯韦当选为第一任卡文迪什教授, 1884年27岁的J.J.汤姆森 担任第三任卡文迪什教授。在实验室的主要研究方向上, 当时主要局限在阴极射线 方面, 上任之初他决心把主要研究方向转到气体放电方向, 后来的发展表明, 这个研 究方向的选择具有重要的战略意义。10年后, 由于在理论和实践上开拓了气体放电 研究的新领域, J.J.汤姆森被国际科学界视为气体放电研究的权威。 J.J.汤姆森担任卡文迪什教授之前, 正是现代科学产生和蓬勃发展的关键时期。 这次科学革命是从以实验揭开原子有内部结构和提出物质的微观理论开始的, 继 而出现了量子理论。在这场革命中, J.J.汤姆森及其领导的卡文迪什实验室起了极 其重要的先锋作用。 1895年12月28日在渥尔兹堡大学, 德国的实验物理学家W.C.伦琴发现了性质奇异 的X射线, 这本来是一个很具体的科学发现, 但是却被科学界普遍认为这是现代科 学的起点, 主要原因有以下两个方面: 1.X射线的奇异穿透性引起社会各界的戏剧性反应和轰动: 它能穿透人体并可拍摄 出人的手骨这个事实, 使医学界和科学界为之惊异万分, 消息发布的几天内, 几乎全 世界的报纸和刊物纷纷以头条新闻予以报导, 引起世界各国上上下下的震惊, 在科 学史上从来没有一个科学发现会引起如此迅速和如此广泛的影响, 据统计, 一年之 内刊物上发表的相关文章的数目接近1000篇, 这个记录是空前的。在科学上产生 变革的标志之一就是引起人们观念上的深刻震动和变化, X射线的发现确实具有 这种明显的标志性。 2.X射线的发现很快开辟了研究原子内部物质组成的新领域: 尽管发现X射线的本 身与原子结构的研究没有直接的联系, 可是为了早日揭示X射线的组成, 各国的物理 学家几乎都停下手头的工作投入实验, 研究它的组成和性质。在法国, H.贝克勒为 寻找类似X射线的新射线, 于1896年意外地发现了铀的放射性辐射, 两年之后导致 居里夫妇发现了放射性更强的元素镭和钋。在卡文迪什实验室, J.J.汤姆森在获悉伦琴发现X射线后,立即着手进行重复实验。在E.卢瑟福帮助 下研究X射线对气体放电性能的影响,并于1898年发现了放 射性辐射中的α和β射线, 同时还预示了γ射线的存在。
电子是J.J.汤姆森在1897年从阴极射线中发现的, 阴极射线 是德国物理学家J.普吕克在1859年进行低气压的气体放电的 实验研究中,看到从真空管的阴极向阳极射出磷光现象时发 现的,而阴极射线这个名称则是另一个德国物理学家E.哥尔 德斯坦在1876年起的。后来,英国的著名化学家W.克鲁克斯 在1875年---1879年制成的克鲁克斯阴极射线管中,发现阴 极射线不但能使置于其通道上的障碍物投下阴影,而且能 使通道上的小叶轮旋转, 从而表现出它具有一定的 “光压”, 这说明射线是由一种物质组成的。不久,W.克鲁克斯又发 现射线在磁场中通过时,其径迹不再是直线的,而是发生了 偏转。通过这些实验,W.克鲁克斯认为阴极射线是一种带电 的粒子。由于他的观点和英国自牛顿以来占统治地位的光微 粒说符合,因而得到英国科学家们的支持,形成了以W.克鲁 克斯为代表的阴极射线粒子说学派。 J.J.汤姆森在E.卢瑟福帮助下做了一系列实验, 这些实验包 括测算阴极射线粒子的电荷大小、电场使阴极射线径迹产 生的偏转度、阴极射线通过气体的导电性和在不同气体中 受磁场作用产生的偏转大小等。1897年4月29日, J.J.汤姆
森在伦敦的皇家研究院发表演讲,首次宣布发现电子的消 息(即阴极射线粒子就是电子)。1906年10月,J.J.汤姆森因 为他在气体放电方面研究的功绩, 其中包括发现电子, 而被 瑞典皇家科学院授予诺贝尔物理学奖, 1908年又被英国国 王授予爵士, 因而成为英国和世界公认的著名物理学家。 19世纪末出现了3个重大发现,这就是X射线、放射性和电 子,但是后两个发现都是由X射线的发现引发出来,所以X射 线的发现显得更加重要,因而获得第一届诺贝尔物理学奖。 但是,这三大发明中对现代科学和技术的发展产生了最广泛 和深刻影响的,应该是电子的发现,其原因是:只有电子才与 微观物质组成有最直接的和最基本的关系, 它既是人类发 现的第一个小于原子的粒子,又是人类发现的第一个基本 粒子,因而首先冲破传统的原子不可分的框架。1911年3月 E.卢瑟福又提出原子由原子核和核外电子组成的原子有核 模型,从根本上改变了传统的原子不可分的旧物质观,而且 揭开了微观物质组成研究的全新领域。
张德赛 武汉大学电气工程学院 desaizhang@whu.edu.cn got-techquestion_inmr 量子力学 量子力学的 预备知识(二) got techquestion

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