约瑟夫·约翰·汤姆逊(英国物理学家)
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更新时间:2023-05-22
约瑟夫·约翰·汤姆逊
英国物理学家
诺贝尔物理学奖获得者
基本信息
出生日期 | 1856年12月8日 |
出生地 | 英国曼彻斯特 |
去世日期 | 1940年8月30日 |
籍贯 | 英国曼彻斯特 |
国籍 | 英国 |
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人物生平
约瑟夫·约翰·汤姆逊
1880年他参加了剑桥大学的学位考试,以第二名的优异成绩取得学位,随后被选为三一学院学员,两年后又被任命为大学讲师。他在数物理学方面具有很高修养。发表了《论涡旋环的运动》和《论动力学在物理学和化学中的应用》论文。
1884年,28岁的汤姆逊在瑞利的推荐下,担任了卡文迪许实验室物理学教授。
约瑟夫·约翰·汤姆逊
1940年8月30日,汤姆逊逝世于剑桥。终年84岁。
1876年,德国的戈尔兹坦提出,玻璃壁上的辉光是由阴极产生的某种射线所引起的,他把这种射线命名为阴极射线。阴极射线是由什么组成的?十九世纪末时,有的科学家说它是电磁波;有的科学家说它是由带电的原子所组成;有的则说是由带阴电的微粒组成,众说纷纭,一时得不出公认的结论。英法的科学家和德国的科学家们对于阴极射线本质的争论,竟延续了二十多年。
约瑟夫·约翰·汤姆逊
约瑟夫·约翰·汤姆逊
最后到1897年,汤姆逊的出色实验结果面前,真相才得以大白。汤姆逊的实验过程是这样的,他将一块涂有硫化锌的小玻璃片,放在阴极射线所经过的路途上,看到硫化锌会发闪光。这说明硫化锌能显示出阴极射线的“径迹”。他发现在一般情况下,阴极射线是直线行进的,但当在射击线管的外面加上电场,或用一块蹄形磁铁跨放在射线管的外面,结果发现阴极射线一都发生了偏折。根据其偏折的方向,不难判断出带电的性质。汤姆逊在1897年得出结论:这些“射线”不是以太波,而是带负电的物质粒子。但他反问自己:“这些粒子是什么呢?它们是原子还是分子,还是处在更细的平衡状态中的物质?”这需要作更精细的实验。当时还不知道比原子更小的东西,因此汤姆逊假定这是一种被电离的原子,即带负电的“离子”。他要测量出这种“离子”的质量来,为此,他设计了一系列既简单又巧妙的实验:首先,单独的电场或磁场都能使带电体偏转,而磁场对粒子施加的力是与粒子的速度有关的。汤姆逊对粒子同时施加一个电场和磁场,并调节到电场和磁场所造成的粒子的偏转互相抵消,让粒子仍作直线运动。这样,从电场和磁场的强度比值就能算出粒子运动速度。而速度一旦找到后,单靠磁偏转或者电偏转就可以测出粒子的电荷与质量的比值。汤姆逊用这种方法来测定“微粒”电荷与质量之比值。他发现这个比值和气体的性质无关,并且该值比起电解质中氢离子的比值(这是当时已知的最大量)还要大得多。这说明这种粒子的质量比氢原子的质量要小得多。前者大约是后者的二千分之一。
后来,美国的物理学家罗伯特·密立根在1913年到1917年的油滴实验中,精确地测出了新的结果,前者是后者的1836分之一。汤姆逊测得的结果肯定地证实了阴极射线是由电子组成的,人类首次用实验证实了一种“基本粒子”----电子的存在。“电子”这一名称是由物理学家斯通尼在1891年采用的,原意是定出的一个电的基本单位的名称,后来这一词被应用来表示汤姆逊发现的“微粒”。自从发现电子以后,汤姆逊就成为国际上知名的物理学者。在这之前,一般都认为原子是“不能分割的”的东西,汤姆逊的实验指出,原子是由许多部分组成的,这个实验标志着科学的一个新时代。人们称他是“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。
1905年,他被任命为英国皇家学院的教授;1906年荣获诺贝尔物理学奖;1916年任皇家学会主席。他并没有因此而停步不前,仍一如既往,兢兢业业,继续攀登科学的高峰。汤姆逊既是一位理论物理学家,又是一位实验物理学家,他一生所做过的实验,是无法计算的。正是通过反复的实验,他测定了电子的荷质比,发现了电子;又在实验中,创造了把质量不同的原子分离开来的方法,为后人发现同位素,提供了有效的方法。汤姆逊在担任卡文迪许实验物理教授及实验室主任的34年间,着手更新实验室,引进新的教授法,创立了一个极为成功的研究学派。
曼彻斯特大学
重大贡献
约瑟夫·约翰·汤姆逊以其对电子和同位素的实验著称。他是第三任卡文迪许实验室主任。一幅他正在研究阴极射线管的肖像挂在实验室的麦克斯韦讲演厅里。看上去,他不善于具体操作,但对仪器工作原理的理解却是非常敏捷的。
J.J.汤姆逊听过一些麦克斯韦的讲课,而且正是在作为卡文迪许教授的麦克斯韦的继任者瑞利勋爵的指导下,汤姆逊完成了几篇理论性论文,1884年,瑞利按照他原来的许诺(只担任五年)辞去了卡文迪许教授职务。汤姆逊申请这个职位,他述说:“没有认真考虑过这项工作和所要负的责任”就申请了。他只有28岁,没有想到会当选,但出乎他的意料,他当选了。这些选举人要么非常走运要么是非常有远见的。汤姆逊说:“我觉得自己像一个钓鱼的人,用一只轻巧的钓鱼具,在一个意想不到的地方抛出了一线钓丝,钓到了一条鱼,这条鱼太重而使这个钓鱼的人不能把它吊到岸上来。我觉得接替一位像瑞利勋爵这样享有盛名的人是困难的。”值得注意的是,他不提麦克斯韦,虽然在另外的地方汤姆逊谈到了关于第一任卡文迪许教授的委任(1871年2月):
剑桥大学
在1897年,汤姆逊证实了阴极射线的微粒性,测量了粒子的速度和荷质比。汤姆逊在他的实验中使用的二个管子,射线从管中左边的阴极A发出,通过阳极B的一条缝进入第二个管子,可以用一磁铁使射线偏转而进入一种法拉第笼。收集到的电荷是负的。因此证明了阴极射线是带负电的粒子。类似的实验已被J佩兰在法国做过。在一个第二种类型的管子中,C所产生的阴极射线穿过接地的缝A和B,形成了一束狭窄的射线直射到管子的另一端。射线击中管子的电灯泡状端面的地方会有一小块磷光亮斑显现出来。
剑桥大学
Ne=Q
然后,通过测量产生的热的办法来测量由粒子所传输的能量W,这个值必须等于质量为m、速度为v的这些粒子的动能
1/2Nmυ²=W
用磁学办法使粒子发生偏转,他知道:
mv/e=Bp
这里p是轨道的曲率半径,B是磁场。因为能量,电量,磁场和曲率半径是可测量的,他能推论出
e/m=2W/(Q²B²p²)
具有值2.3×10(静电单位电量/克),远大于电解法中离子的荷质比e/m。
在他1897年的文章中,汤姆逊叙述了另一个令人注意的观察结果:构成阴极射线的微粒都是一样的,与管内阴极或对阴极或气体的成分无关。这里有一个所有物质的普适成分。
稍后,在1899年,他使用他过去的学生C.T.R.威尔逊发展起来的技术和思想,分别测量了电子的电荷和质量。威尔逊已经注意到在适宜的环境下,电荷起着过饱和蒸汽的凝结核的作用。因为水会在它们上面冷凝,这有助于雾的形成。在这样一种由于电荷的存在而形成的雾里,人们可以根据小雾滴下落的速度而计量它们的体积,从沉淀的水的总量或根据最初的过饱和汽算出它们的数目。根据这个数据可以得到雾中所有的小滴子数。根据由雾所传输的总电荷(这是直接可测的)可以发现平均每一个小滴上的电荷与电子电荷相同。在卡文迪许实验室做的这项工作,得到的电子电荷大约为3×10绝对静电单位。根据测量到的e/m值可以求得电子质量。
卡文迪许实验室
伦琴,由于他宣布了“一种新的射线”和表演了他的射线所能做的事情而使世界感到震惊。
电子概述
电子
电子所带电荷为e=1.6×10的-19次方库仑,质量为9.10×10kg(0.51MeV/c2)。通常被表示为e。电子的反粒子是正电子,它带有与电子相同的质量,自旋和等量的正电荷。物质的基本构成单位——原子是由电子、中子和质子三者共同组成。相对于中子和质子组成的原子核,电子的质量极小。质子的质量大约是电子的1840倍。当电子脱离原子核束缚在其它原子中自由移动时,其产生的净流动现象称为电流。静电是指当物体带有的电子多于或少于原子核的电量,导致正负电量不平衡的情况。当电子过剩时,称为物体带负电;而电子不足时,称为物体带正电。当正负电量平衡时,则称物体是电中性的。静电在我们日常生活中有很多应用方法,其中例子有喷墨打印机。
电子是在1897年由剑桥大学的卡文迪许实验室的约瑟夫·汤姆逊在研究阴极射线时发现的。在都只能在核外摸索摸索,它被归于叫做轻子的低质量物质粒子族,被设成具有负值的单位电荷。电子块头小重量轻(比μ介子还轻205倍),被归在亚原子粒子中的轻子类。轻子是物质被划分的作为基本粒子的一类。电子带有1/2自旋,满足费米子的条件(按照费米—狄拉克统计)。电子在原子内做饶核运动,能量越大距核运动的轨迹越远,有电子运动的空间叫电子层。第一层最多可有2个电子,第二层最多可以有8个,第n层最多可容纳2n个电子,最外层最多容纳8个电子,最后一层的电子数量决定物质的化学性质是否活泼,1、2电子为金属元素,3、4、5、6、7为非金属元素,8为稀有气体元素。物质的电子可以失去也可以得到,物质具有得电子的性质叫做氧化性,该物质为氧化剂;物质具有失电子的性质叫做还原性,该物质为还原剂。物质氧化性或还原性的强弱由得失电子难易决定,与得失电子多少无关。
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查尔斯·爱德华·威尔逊(CharlesedwardWilson,1886—1972)。美国企业家。1899 年进入通用电气公司,历任该公司要职,1940年后两度担任董事长。太平洋战争爆发后,应总统罗斯福之召于1942 年出任战时生产局副局长,一度任代局长。主持战时工业动员和生产事务,将美国大企业的管理经验和合理化生产方法推广到战时工业生产,并参与制定物资管制计划和部件预订计划等。1944 年8 月因与局内的纳尔逊派发生争吵而辞职,被反对派指责为保护大企业利益。朝鲜战争期间,曾出任国防动员局局长。
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