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約瑟夫·湯姆生

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約瑟夫·約翰·湯姆生(JosephJohnThomson)1856年12月18日生於英國曼徹斯特郊區,父親是蘇格蘭人,以賣書 為業.湯姆生14歲進曼徹斯特歐文學院學習工程.1876年入劍橋大學三一學院,畢業后,進入卡文迪許實驗室,在瑞利指導下進行電磁場理論的實驗研究工作.1884年,年僅28歲便當選為皇家學會會員.同年末,又繼瑞利之後擔任卡文迪許實驗室教授

1 約瑟夫·湯姆生 -生平簡介

約瑟夫·約翰·湯姆生(JosephJohnThomson,1856年12月18日—1940年8月30日),英國物理學家,電子的發現者。約瑟夫·約翰·湯姆生1856年湯姆生出生於英格蘭的曼徹斯特附近,蘇格蘭人家庭。他在曼徹斯特的歐文學院學習了工程學,搬到了劍橋大學三一學院。1884年他成為卡文迪許物理學教授,即卡文迪許實驗室主任。1890年他與露絲·佩杰特結婚,並養育了兩個孩

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子。他的學生之一是歐內斯特·盧瑟福,盧瑟福於1919年接替湯姆生就任卡文迪許物理學教授。受到詹姆斯·克拉克·麥克斯韋工作的影響和X射線的發現,他推導出陰極射線(參見陰極射線管)存在於帶負電的粒子,他稱之為「微粒」,這種微粒現在認識為電子。電子曾經被約翰斯東·斯通尼提出過,作為電化學中電荷的單位,但是湯姆生認識到電子也是亞原子粒子,這一點是第一次被發現。1897年他的發現為人所知,並在科學圈內引起了騷動,並最終於1906年被授予諾貝爾物理學獎。極富戲劇性的是,他的兒子喬治·佩杰特·湯姆生(G.P.Thomson)後來因證實電子是一種波而被授予諾貝爾物理學獎.通俗演義——電子的發現轉:  

花開兩朵,各表一枝。自從放電管問世以來,人們紛紛研究真空放電,無意中生出許多課題。那倫琴從管中陰極發出的射線發現了X射線,貝克勒爾又從對X射線的研究發現了鈾的天然放射性,居里夫婦又進一步從對鈾礦的研究發現了鐳。鐳可以自己發光發熱,這又給物理學提出了一個無法解釋的大難題。從陰極射線引出的一個鏈條,環環相扣,續續而生,未有窮盡。但是陰極射線本身到底是什麼呢?自然有人會考慮這個問題,這個人就是英國物理學家湯姆生(1856-1940)。  

湯姆生1856年12月18日生於英國的曼徹斯特。他父親本是一個擺攤賣書報的小販,後來靠著自己的奮鬥成了一名專印大學課本的著名的書商。他從自己的切身經歷中深知沒有知識的苦衷,但發誓要教子成材,請了家庭教師指導兒子的學業,並注意培養他的藝術素養。老湯姆生雖是一名書商,可是因職業關係平時來往的卻都是曼徹斯特大學的教授,屋裡也還有點書香氣。湯姆生有嚴父督教,又有這樣一個環境薰陶,學業大進,十四歲便考進了曼徹斯特大學,二十歲被保送到劍橋大學三一學院,二十七歲就被選為皇家物理學會的會員。1884年卡文迪許實驗室主任瑞利年老體表宣布辭職,大家都等著看誰來繼任這個全歐洲學術界最引人注目的職位,結果瑞利卻推薦了湯姆生,這年他才剛滿28

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歲。  

這時一場曠日持久的大爭論正在等待他的加入。六十年代英國物理學家克魯克斯發明了一種管子——克魯克斯管,在一個玻璃管里嵌上相對的兩塊金屬板,兩板各與一條電路相聯,一塊是陰極,一塊是陽極,管內空氣抽得越來越稀薄時,就會出現種種不同的顏色,這種光是由陰極發出的。它到底是什麼呢?以德國物理學家赫茲、林納德為首的一派認為陰極射線是類似於光的東西,是電磁波,以英國物理學家克魯克斯為首的一派認為這是一束帶負電的粒子流。赫茲說,既然是粒子流為什麼它能順利通過放在管內它們路徑上的各種屏障,而又不給屏上穿出洞呢?只有波才有這種特性;克魯克斯說,既然是光一類的波,為什麼我把一塊磁鐵靠近管子時,它就發生偏轉呢?只有帶電粒子才會受磁場的影響。這簡直就像當年牛頓和胡克、惠更斯爭論光的波粒性一樣,又是一場難斷的官司。雙方都是當時最知名的權威,這場辯論竟持續了20多年沒有結果。就在1896年,湯姆生正好40歲時;英國科學促進會最高委員會將湯姆生召來要他的實驗室來解決這樁懸案。  

好個湯姆生,由他來擔當此任真是再合適不過了,他在電磁學方面有極紮實的功底,又有一手高超的實驗技術。接受任務后他先將以往的研究成果仔細回顧一番,發現其實早在1834年法拉第總結電解定律時已經初步涉及到這個問題。實驗證明,所有化合價為一價的元素,電解出一克化學當量的物質,都需要96493庫侖的電量。而一克當量物質所含的粒子數正是阿弗加德羅常量,即6.0238×10^23個。這樣就可算出每個粒子上所帶的電量為4,802×10^-10絕對靜電量,它是電的最小單位。就是說電是由這麼一點點的小東西集結而成的,揭示了電的粒子性。阿弗加德羅常量是1870年才確定的,七十年代、八十年代,對這個問題的研究更加深入。1874年英國物理學家斯通尼明確提出用「電子」一詞來表示電的一個最小單位。但是為什麼還是爭論不休呢?因為到此為止也還只是一種理論計算,就像當初居里夫婦發現鐳的放射性,但並沒有測出鐳的原子量,化學家就直搖頭一樣。現在只推算出電子,而不知道他的重量、性質,物理學家們自然不服,於是湯姆生毅然決定要稱稱電子的重量。  

這可真是異想天開,你要捉一個原子來放在天平上都不可能,一個電子又如何稱法?這個主意只有湯姆生想得到,也只

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有他能做到。他既是一個理論物理學家,又是一個實驗物理學家,設計實驗是他的拿手好戲。他立即把學生們叫到一起,準備好一個陰極射線管,射線從陰極一端發出后,穿過兩個很窄的縫,成一細束,打在管子的底部,而底部已準備好精確的刻度,以便觀察射線的偏轉。在射線經過的路上,上下各準備兩塊金屬電極板,形成一個電場。當金屬板不通電時射線沿直線打在管底一個點上,通電后射線受電場的影響發生偏轉,並且根據偏轉的方向可知它是帶負電的粒子束。這時再加一個磁場,使它沿相反方向偏轉,又校正到原來的位置。這真是一個極妙的實驗,一絲陰極射線隨著電場和磁場的強弱變化忽上忽下,就像有兩隻無形的手來回爭著將它拉過來拉過去。湯姆生最後讓它固定在正中的位置上,對他的學生說:「現在我們可以來稱電子的重量了。這時磁場力和電場力的大小正好相等,方向相反。根據這個條件我們先來求出陰極射線微粒的飛行速度。知道了速度就可進一步測其他物理量。比如,我現在撤掉電場,粒子只受磁場力作曲線運動,我們就可求得它的電荷與質量之比。有了這許多數據我們就可以去推算質量。只是那法拉第等人當初是通過電解定律來推算每個粒子上所帶的電量,為了證明這個數據我們最好另換一種方法。」  

這時在座的一位學生應聲答道:「我這裡有一種辦法可以一試。」

1940年8月30日湯姆生在劍橋逝世.

2 約瑟夫·湯姆生 -成就

約瑟夫•約翰•湯姆生(1856-1940)由於在氣體導電方面的理論和實驗研究,榮獲1906年諾貝爾物理學獎。

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湯姆生出生於英國曼徹斯特郊區。他14歲進曼徹斯特歐文學院學習工程,1876年入劍橋大學三一學院。後來進入卡文迪許實驗室,師從1904年度的諾貝爾物理獎得主瑞利進行電磁場理論的實驗研究工作。1884年,年僅28歲便當選為皇家學會會員。

當時,關於陰極射線的研究,有兩派學說,一派是克魯克斯、佩蘭等人的微粒說,認為陰極射線是帶負電的「分子流」;另一派是哥德斯坦、赫茲等人的波動說,認為陰極射線是一種電磁波.湯姆生用旋轉鏡法測量了陰極射線的速度,否定了陰極射線是電磁波.他又通過陰極射線在電場和磁場中的偏轉,得出了陰極射線是帶負電的粒子流的結論.他進一步測定了這種粒子的比荷,與當時已知的電解中生成的氫離子的荷質比相比較,他假定陰極射線的電荷與氫離子的電荷相等而符號相反,從而得出陰極射線粒子的質量約為氫原子的千分之一.他還給放電管中充入各種氣體進行試驗,發現其荷質比跟管中氣體的種類無關.他又用鉛和鐵分別作電極,其結果也不改變.由此他得出結論,這種粒子必定是所有物質的共同組成成分.湯姆生把這種粒子叫做「電子」.1897年湯姆生的發現,使人類認識了第一個基本粒子,這在物理學史上是有劃時代意義的.1906年,湯姆生由於在氣體導電方面的理論和實驗研究而榮獲諾貝爾物理學獎.

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在當時陰極射線的研究微粒說與波動說爭論的背景下,湯姆生用旋轉鏡法測量了陰極射線的速度,否定了電磁波學說。他又通過陰極射線在電場和磁場中的偏轉,得出了陰極射線是帶負電的粒子流的結論。進一步測定了這種粒子的比荷,與氫離子的荷質比相比較,證明陰極射線粒子的質量約為氫原子的千分之一。他還給放電管中充入各種氣體進行試驗,發現其荷質比跟管中氣體的種類無關。他又用鉛和鐵分別作電極,其結果也不改變。由此他得出結論,這種粒子必定是所有物質的共同組成成分。湯姆生把這種粒子叫做"電子"。湯姆生1897年的這一發現,使人類認識了第一個基本粒子,在物理學史上具有劃時代意義,他也被稱為"最先打開通向基本粒子物理學大門的偉人"。於1904年提出了一種原子模型。認為原子是一個平均分佈著正電荷的粒子,其中鑲嵌著許多電子,中和了正電荷,從而形成了中性原子。

湯姆生在擔任卡文迪許實驗物理教授及實驗室主任的34年間,培養了眾多的人才,其中,有九位學生獲得了諾貝爾獎金。他認為大學應是培養會思考、有獨立工作能力的人才的場所,不是用"現成的機器"投影造成出"死的成品"的工廠。

他擁有《電與磁的現代研究》《電與磁數學基本理論》等眾多著述。在他成名之後,好多國家邀他去講學,但他從不輕易應允。如美國著名的普林斯頓大學曾幾度請他去講學,最後他才答應去講六個小時。這足以說明他治學十分嚴謹,不講則已,講則要有新的創見、要有意義。

3 約瑟夫·湯姆生 -成長故事

在約瑟夫•湯姆生的成長過程當中,父親產生了十分重大的作用。父親從自己的切身經歷當中深刻體會到與學校無

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緣的痛苦以及知識對於人生的重要性,所以下定決心要在兒子身上彌補自己的終生遺憾。

約瑟夫•湯姆生父親小的時候,非常渴望學習,可是偏偏天不遂人願,由於家境貧寒,他沒有條件上學。從小就靠走街串巷地買報紙為自己謀生糊口,後來長大一些,就開始在街上擺了個書攤,經過多年的艱苦奮鬥,才逐漸改變窘迫的狀況,成為一位有名的書商。

為了彌補自己的遺憾,更為了兒子能有好的前途和未來。老湯姆生從兒子小時候開始,就於生活中的點點滴滴之中,讓他明白學習知識的重要性,教育兒子學會利用一切機會和條件來學習知識,還努力培養小湯姆生學習的興趣和習慣。可是,畢竟老湯姆生自己所受到的教育不多,文化水平也不高,在具體指導兒子學習知識這方面的能力是有限的,就不惜重金為兒子聘請了一位家庭教師來指導他的學習,自己則在一邊加以嚴格督促,還不斷地提出新的要求,防止兒子已取得進步就驕傲起來。如果小湯姆生感覺學習累了,他就陪著兒子彈鋼琴,讓兒子得到鬆弛和調節以後,再鼓勵兒子繼續堅持學習。就是在父親這樣認真的幫助和監督下,湯姆生從小就受到嚴格的學習訓練,不僅掌握了牢固的基礎知識,還養成了認真刻苦、孜孜以求的學習態度和強烈的求知慾望,他從來不把學習當作是一件辛苦的負擔,而是鍛煉大腦的過程,從中能夠得到無限的樂趣,這一切都為湯姆生後來取得累累碩果奠定了堅實的基礎。

在父親的堅定支持下,小湯姆生在良好的基礎知識學習當中得到了良好的科學素養,再加上先天的資質聰穎,他很早的時候就表現出傑出的才能。十四的時候就考入了著名的曼徹斯特大學,二十歲的時候就被免試保送到英才輩出的劍橋大學三一學院深造。

約瑟夫•湯姆生對科學研究非常入迷,一心一意地撲在研究工作上。這種著迷程度甚至把愛情都置之度外。英俊瀟洒、才華橫溢的他不乏眾多的美麗少女向他求愛,但他都置之不理。甚至在自己心愛的露斯寫信向他求婚的時候,他仍然提出當自己獲得亞當斯物理獎以後再結婚的要求,所以直到他三十四歲的時候才結婚。這足以看出,小時候父親的家教賦予了他對科學研究的多麼強烈的執著精神!

4 約瑟夫·湯姆生 -參考資料

http://www.1088.com.cn/gzhx/shiyanqu/chem1ziliao/1tms.doc

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