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“科二代”的“正名”之路 科学档案

  1892年5月3日,汤姆森在英国剑桥出生,作为“最先打开通向基本粒子物理学大门的科学家”汤姆森的独子,汤姆森一出生就被打上了“科二代”的标签。 但他没有在父亲的“光环”中止步不前,而是下定决心开辟出一条属于自己的研究之路。

  从父亲对自己的教育中受到启发,汤姆森很看重独子汤姆森的教育问题,注重培养儿子严谨踏实的治学态度,激发他的求知欲。 扎实的基础知识加上聪颖的资质,年仅14岁汤姆森就考上了曼彻斯特大学,20岁的时候被保送到剑桥大学三一学院深造,并取得了数学和物理的第一名,30岁的他被任命到阿伯丁大学担任自然哲学教授。 由于他有关电子衍射的实验研究,证明了法国物理学家德布罗意在1924年提出的物质波理论,1937年他与同样证明了电子波动性的美国物理学家戴维森分享了该年度的诺贝尔物理学奖。

“科二代”汤姆森终于证明了自己。

  有意思的是,作为父亲的汤姆森是因为证明电子是粒子而捧回了诺贝尔奖,而儿子汤姆森获奖的原因却是因为证明了电子也是波。

  那么汤姆森是怎么验证电子也是波的呢?这就要从法国物理学家德布罗意说起了。

1924年,德布罗意在他的博士论文中详细地解释了他所创建的电子波理论,认为任何物质同时具有波动和粒子的性质。 面对这样一篇观点惊人的论文,许多学者都对此表示怀疑。 德布罗意的老师朗之万将这篇论文寄给爱因斯坦请求意见,爱因斯坦在看过后,表示对德布罗意的支持,说“他已经掀起了面纱的一角”。

随后,薛定谔从这篇论文中获取灵感,在两年后发表了著名的薛定谔方程,开启了量子力学的新纪元。 但如果电子波理论得不到实际的验证,这一切都只能算假说。   在1926年召开的英国科学促进会上,汤姆森听到了物理学家波恩的演说,波恩表示戴维森和康斯曼从金属表面反射的实验也许可以证明德布罗意的理论。 汤姆森立即安排研究生雷德从事这一课题,他们认为如果电子具有波动性,那电子束在通过障碍物时应该会和光一样发生衍射。

于是他们用高能电子束打向铝、金、赛璐珞等靶材,电子束在穿透薄膜后均形成了一系列同心圆环绕着一个没有偏转的电子束形成的图案,犹如水波一般。

随即,汤姆森在1927年6月18日的《自然》杂志上发布短讯,宣布了自己的成果。

  虽然实验结果比戴维森晚了两个月发表,但两者从不同方面验证了德布罗意关于电子具有波动性的理论,二人也因此获得了诺贝尔物理学奖。 就像给汤姆森和戴维森的诺贝尔颁奖词所说,“他们的研究拓宽了物理和化学研究的边界”。

  参考资料:  刘战存、卢文韬《汤姆孙对电子衍射的实验研究》        《知识分子》是由饶毅、鲁白、谢宇三位学者创办的移动新媒体平台,致力于关注科学、人文、思想。

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