湯姆孫父子與物理學

王永利

（乾縣第一中學 陜西 咸陽 713300）

19世紀后期至20世紀中葉，世界科學事業(yè)的發(fā)展正值黃金時期，涌現(xiàn)出了許許多多的物理學巨匠.J·J·湯姆孫和G·P·湯姆孫就是其中頗具影響兩位.

1 J·J·湯姆孫（Joseph John Thomson）

圖1 J·J·湯姆孫

J·J·湯姆孫（1856～1940，圖1），英國物理學家.1856年12月18日出生在英國曼徹斯特.14歲進入了曼徹斯特大學學習.21歲進入劍橋大學三一學院深造.28歲開始擔任卡文迪什實驗室主任及教授.41歲在研究稀薄氣體放電的實驗中，證明電子的存在，測定了電子的比荷.49歲被任命為英國皇家學院教授.50歲時因在氣體導電研究方面的成就獲諾貝爾物理學獎.60歲任皇家學會主席.1940年8月30日逝世于劍橋.

J·J·湯姆孫一生研究成果豐碩，發(fā)表了《論渦旋環(huán)的運動》、《論動力學在物理學和化學中的應用》和《電與磁的現(xiàn)代研究》等許多至今仍然很著名的論文.在擔任卡文迪什實驗室主任及教授的34年間，他不斷更新實驗室并引進新的教授法，使卡文迪什實驗室涌現(xiàn)出電子云霧室、放射性同位素等許多新的發(fā)明和發(fā)現(xiàn).同時培養(yǎng)了盧瑟福、威耳遜等諾貝爾獎獲得者和一大批杰出的科學家.

2 G·P·湯姆孫（George Paget Thomson）

圖2 G·P·湯姆孫

G·P·湯姆孫（1892～1975，圖2），英國物理學家.1892年5月3日出生于劍橋.先在柏西中學學習，后進入了劍橋大學三一學院學習數(shù)學和物理.22歲從三一學院畢業(yè)，任劍橋大學科珀斯克里斯蒂學院研究員兼講師.23歲加入皇家空軍，并從事航空方面的研究.27歲開始在卡文迪什實驗室工作.30歲擔任阿伯丁大學物理學教授.35歲在卡文迪什實驗室用電子在晶體中的衍射實驗證實了電子的波動性，并獲得諾貝爾物理學獎.38歲任倫敦大學帝國科技學院物理學救授，一直到60歲.60歲后擔任劍橋大學科珀斯克里斯蒂學院院長，直到70歲.1975年9月10日在劍橋逝世.

G·P·湯姆孫的研究領域涉及飛機穩(wěn)定性和空氣動力學、電子波動性、中子反應、裂變等.發(fā)表過如《應用空氣動力學》、《原子》和《自由電子的波動力學》等許多著名論著.他最出色的工作是完成了電子在晶體中的衍射實驗.

1924年，德布羅意提出任何一個運動的物體都有一種波與之相伴隨（人們稱之為德布羅意波），并寫出了波長與物體動量之間的關系.而這項被愛因斯坦高度稱贊的開創(chuàng)性理論一直無法得到證實.后來，在德布羅意物質波假說的基礎上，薛定諤建立了波動力學，海森伯創(chuàng)立了矩陣力學，這些微觀體系的基本理論是那么的美妙，卻都因為德布羅意波無法證實而缺乏實驗支持.1927年G·P·湯姆孫研究電子在晶體中的衍射，他采用了所謂“德拜 －謝樂”的實驗方法，讓一束高速單向的X射線和電子入射束分別在包含有很大量雜亂取向的微小晶體的樣品（白錫）表面散射.他預言這兩種情況下衍射波都將沿著以入射方向為軸的圓錐面射出，如果用照相法將被散射的射線記錄在垂直于入射方向的底片上，就可以得到一系列同心圓.實驗的結果是兩種情況的確都得到了衍射圓環(huán)，且衍射圓環(huán)花樣十分相似，只要一看照片就會立刻使我們相信電子和X射線是以相同的方式衍射的.G·P·湯姆孫用這個實驗證實了粒子的波動性，表明德布羅意波理論是正確的，同時也為波動力學和矩陣力學提供了實驗支持，其意義十分深遠.

3 科學界的美談

J·J·湯姆孫是G·P·湯姆孫的父親，也是他的老師.兩人在工作中相互支持，相互幫助，關系密切，成為科學界的美談.

G·P·湯姆孫從小就受到父親科學研究的影響，他在卡文迪什實驗室工作期間也一直接受父親的指導和幫助.在物理學的發(fā)展史上，粒子和波曾經(jīng)是互不相容的.J·J·湯姆孫一生致力于證實電子是粒子，而G·P·湯姆孫經(jīng)過努力最后卻證明一個相反的結論——電子是波.科學發(fā)展最終證明這兩者是有機統(tǒng)一的.湯姆孫父子的工作為粒子性和波動性的統(tǒng)一提供了有力的證據(jù)，功不可沒.他們兩人還共同編著了《通過氣體的電傳導》，為物理學留下寶貴財富.1964年，已經(jīng)72歲的G·P·湯姆孫為了紀念父親，發(fā)表了《J·J·湯姆孫》一書，介紹其父的一生，為后人保留了重要的歷史資料.