汤姆孙父子与物理学

王永利

（乾县第一中学 陕西 咸阳 713300）

19世纪后期至20世纪中叶，世界科学事业的发展正值黄金时期，涌现出了许许多多的物理学巨匠.J·J·汤姆孙和G·P·汤姆孙就是其中颇具影响两位.

1 J·J·汤姆孙（Joseph John Thomson）

图1 J·J·汤姆孙

J·J·汤姆孙（1856～1940，图1），英国物理学家.1856年12月18日出生在英国曼彻斯特.14岁进入了曼彻斯特大学学习.21岁进入剑桥大学三一学院深造.28岁开始担任卡文迪什实验室主任及教授.41岁在研究稀薄气体放电的实验中，证明电子的存在，测定了电子的比荷.49岁被任命为英国皇家学院教授.50岁时因在气体导电研究方面的成就获诺贝尔物理学奖.60岁任皇家学会主席.1940年8月30日逝世于剑桥.

J·J·汤姆孙一生研究成果丰硕，发表了《论涡旋环的运动》、《论动力学在物理学和化学中的应用》和《电与磁的现代研究》等许多至今仍然很著名的论文.在担任卡文迪什实验室主任及教授的34年间，他不断更新实验室并引进新的教授法，使卡文迪什实验室涌现出电子云雾室、放射性同位素等许多新的发明和发现.同时培养了卢瑟福、威耳逊等诺贝尔奖获得者和一大批杰出的科学家.

2 G·P·汤姆孙（George Paget Thomson）

图2 G·P·汤姆孙

G·P·汤姆孙（1892～1975，图2），英国物理学家.1892年5月3日出生于剑桥.先在柏西中学学习，后进入了剑桥大学三一学院学习数学和物理.22岁从三一学院毕业，任剑桥大学科珀斯克里斯蒂学院研究员兼讲师.23岁加入皇家空军，并从事航空方面的研究.27岁开始在卡文迪什实验室工作.30岁担任阿伯丁大学物理学教授.35岁在卡文迪什实验室用电子在晶体中的衍射实验证实了电子的波动性，并获得诺贝尔物理学奖.38岁任伦敦大学帝国科技学院物理学救授，一直到60岁.60岁后担任剑桥大学科珀斯克里斯蒂学院院长，直到70岁.1975年9月10日在剑桥逝世.

G·P·汤姆孙的研究领域涉及飞机稳定性和空气动力学、电子波动性、中子反应、裂变等.发表过如《应用空气动力学》、《原子》和《自由电子的波动力学》等许多著名论著.他最出色的工作是完成了电子在晶体中的衍射实验.

1924年，德布罗意提出任何一个运动的物体都有一种波与之相伴随（人们称之为德布罗意波），并写出了波长与物体动量之间的关系.而这项被爱因斯坦高度称赞的开创性理论一直无法得到证实.后来，在德布罗意物质波假说的基础上，薛定谔建立了波动力学，海森伯创立了矩阵力学，这些微观体系的基本理论是那么的美妙，却都因为德布罗意波无法证实而缺乏实验支持.1927年G·P·汤姆孙研究电子在晶体中的衍射，他采用了所谓“德拜 －谢乐”的实验方法，让一束高速单向的X射线和电子入射束分别在包含有很大量杂乱取向的微小晶体的样品（白锡）表面散射.他预言这两种情况下衍射波都将沿着以入射方向为轴的圆锥面射出，如果用照相法将被散射的射线记录在垂直于入射方向的底片上，就可以得到一系列同心圆.实验的结果是两种情况的确都得到了衍射圆环，且衍射圆环花样十分相似，只要一看照片就会立刻使我们相信电子和X射线是以相同的方式衍射的.G·P·汤姆孙用这个实验证实了粒子的波动性，表明德布罗意波理论是正确的，同时也为波动力学和矩阵力学提供了实验支持，其意义十分深远.

3 科学界的美谈

J·J·汤姆孙是G·P·汤姆孙的父亲，也是他的老师.两人在工作中相互支持，相互帮助，关系密切，成为科学界的美谈.

G·P·汤姆孙从小就受到父亲科学研究的影响，他在卡文迪什实验室工作期间也一直接受父亲的指导和帮助.在物理学的发展史上，粒子和波曾经是互不相容的.J·J·汤姆孙一生致力于证实电子是粒子，而G·P·汤姆孙经过努力最后却证明一个相反的结论——电子是波.科学发展最终证明这两者是有机统一的.汤姆孙父子的工作为粒子性和波动性的统一提供了有力的证据，功不可没.他们两人还共同编著了《通过气体的电传导》，为物理学留下宝贵财富.1964年，已经72岁的G·P·汤姆孙为了纪念父亲，发表了《J·J·汤姆孙》一书，介绍其父的一生，为后人保留了重要的历史资料.