物理学中的汤姆孙

【内容提要】最近，我发现好多人把几个汤姆孙混在一起，分不清他们的成就。在物理学中，有三个伟大的汤姆孙，现特把他们的资料收集整理，以方便查阅，对比，以致更好的了解我们的伟人。

一、W•汤姆孙（William Thomson）即开尔文勋爵：英国著名物理学家、发明家。他是本世纪的最伟大的人物之一，是一个伟大的数学物理学家兼电学家。他被看作英帝国的第一位物理学家，同时受到世界其他国家的赞赏。

1824年6月26日开尔文生于爱尔兰的贝尔法斯特。他从小聪慧好学，10岁时就进格拉斯哥大学预科学习。17岁时，曾立志：“科学领路到哪里，就在哪里攀登不息”。1845年毕业于剑桥大学，在大学学习期间曾获兰格勒奖金第二名，史密斯奖金第一名。毕业后他赴巴黎跟随物理学家和化学家V.勒尼奥从事实验工作一年，1846年受聘为格拉斯哥大学自然哲学（物理学当时的别名）教授，任职达53年之久。由于装设第一条大西洋海底电缆有功，英政府于1866年封他为爵士，并于1892年晋升为开尔文勋爵，开尔文这个名字就是从此开始的。1890～1895年任伦敦皇家学会会长。1877年被选为法国科学院院士。1904年任格拉斯哥大学校长，直到1907年12月17日在苏格兰的内瑟霍尔逝世为止。

主要成就：

1、电磁学：开尔文在电磁学理论和工程应用上研究成果卓著。1848年他发明了电像法，这是计算一定形状导体电荷分布所产生的静电场问题的有效方法，电像法是开尔文发明的解决静电学问题的有效方法 。他深人研究了莱顿瓶的放电振荡特性，于1853年发表了《莱顿瓶的振荡放电》的论文，推算了振荡的频率，为电磁振荡理论研究作出了开拓性的贡献。他曾用数学方法对电磁场的性质作了有益的探讨，试图用数学公式把电力和磁力统一起来。1846年便成功地完成了电力、磁力和电流的“力的活动影像法”，这已经是电磁场理论的雏形了（如果再前进一步，就会深人到电磁波问题）。他曾在日记中写道：“假使我能把物体对于电磁和电流有关的状态重新作一番更特殊的考察，我肯定会超出我现在所知道的范围，不过那当然是以后的事了。”他的伟大之处，在于能把自己的全部研究成果，毫无保留地介绍给了麦克斯韦，并鼓励麦克斯韦建立电磁现象的统一理论，为麦克斯韦最后完成电磁场理论奠定了基础。

2、热力学：开尔文是热力学的主要奠基人之一，在热力学的发展中做出了一系列的重大贡献。他根据盖-吕萨克、卡诺和克拉珀龙的理论于1848年提出并于1854年修改的绝对热力学温标，是现代科学上的标准温标。开尔文指出：“这个温标的特点是它完全不依赖于任何特殊物质的物理性质。”他是热力学第二定律的两个主要奠基人之一（另一个是克劳修斯），1851年他提出热力学第二定律：“不可能从单一热源吸热使之完全变为有用功而不产生其他影响。”这是公认的热力学第二定律的标准说法。并且指出，如果此定律不成立，就必须承认可以有一种永动机，它借助于使海水或土壤冷却而无限制地得到机械功，即所谓的第二种永动机。他从热力学第二定律断言，能量耗散是普遍的趋势。1852年他与焦耳合作进一步研究气体的内能，对焦耳气体自由膨胀实验作了改进，进行气体膨胀的多孔塞实验，发现了焦耳－汤姆孙效应，即气体经多孔塞绝热膨胀后所引起的温度的变化现象。这一发现成为获得低温的主要方法之一，广泛地应用到低温技术中。1856年他从理论研究上预言了一种新的温差电效应，即当电流在温度不均匀的导体中流过时，导体除产生不可逆的焦耳热之外，还要吸收或放出一定的热量（称为汤姆孙热）。这一现象后叫汤姆孙效应。

3、电学的工程应用：1875年预言了城市将采用电力照明，1879年又提出了远距离输电的可能性。他的这些设想以后都得以实现。1881年他对电动机进行了改造，大大提高了电动机的实用价值。在电工仪器方面，他的主要贡献是建立电磁量的精确单位标准和设计各种精密的测量仪器。他发明了镜式电流计（大大提高了测量灵敏度）、双臂电桥、虹吸记录器（可自动记录电报信号）等等，大大促进了电测量仪器的发展。根据他的建议，1861年英国科学协会设立了一个电学标准委员会，为近代电学量的单位标准奠定了基础。在工程技术中，1855年他研究了电缆中信号传播情况，解决了长距离海底电缆通讯的一系列理论和技术问题。经过三次失败，历经两年的多方研究与试验，终于在1858年协助装设了第一条大西洋海底电缆，这是开尔文相当出名的一项工作。他善于把教学、科研、工业应用结合在一起，在教学上注意培养学生的实际工作能力。在格拉斯哥大学他组建了英国第一个为学生用的课外实验室。

二、　J•J•汤姆孙 (Jospeh John Thomson,1857～1940)：英国物理学家,电子的发现者。1856年12月18日生于曼彻斯特郊区齐山姆的一个出版商家庭。14时进欧文学院学习。他原想成为工程师，在一位物理教师影响下决心转攻物理学。1876年成为剑桥大学三一学院的数学研究生。1880年，他通过了一项艰难而荣誉的考试，继1854年麦克斯韦以后第二位取得数学优等荣誉学位。次年，成为三一学院研究员。1884年春被选为英国皇家学会会员，随后转入卡文迪许实验室工作。1884年2月他完成精确测定电量绝对单位与电磁单位比值等实验研究，即被评选为卡文迪什实验室教授，接替瑞利的主任职位，这时他年仅27岁。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年他辞去长达34年的卡文迪许实验室教授职位，推荐他的学生卢瑟福继任，而自己留在实验室继续进行研究工作又长达21年。1940年8月30日在剑桥逝世。

主要成就：

1、J•J•汤姆孙最重要的贡献是发现了电子。他用一个巧妙的实验成功地证实了阴极射线在电场和磁场中发生偏转──这是判定阴极射线确实是带电粒子的决定性证据。继而，他采用静电偏转力和磁场偏转力相抵消等方法确定阴极射线粒子的速度，测量出这些粒子的荷质比，并进一步测出它们的质量约为氢原子质量的1／1837。由此推断，阴极射线粒子比原子要小得多，可见这种粒子是组成一切原子的基本材料。汤姆孙于1807年4月30日宣布了他的发现。后来人们命名这种粒子为电子。电子是人类所认识的第一种基本粒子。此后，他又提出了“电子浸浮于均匀正电球”的原子结构模型（汤姆孙模型）。该模型虽然在后来被卢瑟福的核原子模型所替代，但它是建立原子结构模型的开端。1906年，由于汤姆孙对电子研究的重要贡献而被授予诺贝尔物理奖。

2、J•J•汤姆孙的另一个重要贡献是在研究极隧射线（穿过阳极细孔的带正电的粒子流）时发展了质谱方法。他的方法经过同事F.阿斯顿（F.W.Aston，1877～1945）的改进和完善，发展为今天的质谱仪。在极隧射线的研究中，他根据实验现象最先指出，普通元素也可能有同位素。1913年首次用物理方法成功地分离出了稳定元素的同位素，从而确立了这一事实。他也是经典金属电子论的创始人之一。

三、G•P•汤姆孙（Sir George Paget Thomson，1892—1975）：是J•J•汤姆孙的独生子，1892年5月3日出生于剑桥，在剑桥读中学，后入剑桥大学。作为三一学院的学生，他先学数学，后学物理，在父亲的指导下刚作了一年科学研究，就爆发了1914年——1918年的世界战争。他加入了女王步兵团，是一名中尉军官，在法国服役了很短一段时间。后来到法恩巴劳（Farnborough）从事飞机稳定性和空气动力学问题的研究，在整个大战期间，他在不同的机构里研究同一方面的问题。这期间他曾随英国军事使团在美国呆了八个月。战后，他在剑桥神学院作了三年研究员和讲师，然后继续研究物理学。1919年，27岁的G•P•汤姆孙出版了专著《应用空气动力学》。1928年跟他父亲合写过名著：《气体放电》。G•P•汤姆孙1975年9月10日在剑桥逝世。
     主要成就：

1924年德布罗意第一篇关于物质波的论文在《哲学杂志》上发表时，他就对之深为欣赏，并于1925年也向《哲学杂志》投稿，讨论德布罗意的理论。1926年8月英国科学促进会对这个问题的讨论，使他也想到正射线有可能产生衍射效应。有一天，他到卡文迪什实验室，看到氦对电子的散射，当时误以为这就是电子衍射。G•P•汤姆孙回到阿伯登，就安排一位研究生雷德用赛璐珞薄膜做这个课题。他们做这项工作很容易，因为他们的正射线散射实验已经做了好几年，只要将感应圈的极性反接，雷德立即得到了边缘模糊的晕圈照片。于是，G•P•汤姆孙和雷德的短讯发表于《自然》杂志1927年6月18日刊上，仅次于戴维森两个月。为了说明观察到的现象正是电子衍射，而不是由于高速电子碰撞产生的X射线衍射，G•P•汤姆孙用磁场将电子束偏向一方，发现整个图像平移，保留原来的花样。由此肯定是带电粒子的射线，而不是X射线。接着，G•P•汤姆孙和他的同事对高速电子衍射进行了一系列的实验（实验装置原理如图37－2），靶子材料改用铝、金、铂等金属材料。因为当时他们还没有掌握真空溅射和镀膜技术，要制备厚度只有10^-6cm的薄膜是非常困难的。G•P•汤姆孙在他的正式论文中宣布：他得到的电子衍射图形与X射线“粉末法”所得图形非常相似。这些图形的大小与德布罗意波动力学理论预计的结果在5％的范围内相符。