汤姆逊及其对科学的贡献
约翰·约瑟夫·汤姆逊（Jhon Joseph Thornson，1856—1940）是英国著名物理学家、电子的发现者，汤姆逊不仅是一位杰出的科学家，而且是一位卓越的科学研究组织者和领导者，还是一位伟大的教师和科学教育家。他一生取得了举世瞩目的科学成就，同时也培养了一批优秀科学人才，为科学的发展作出了重大贡献。本文就汤姆逊一生的科学活动及其对科学发展所作的贡献予以介绍。 1、汤姆逊的科学生涯
汤姆逊1856年12月18日出生于英国曼彻斯特郊区的契特海姆山村，他的父亲是一位图书商。汤姆逊14岁时，就进入曼彻斯特的欧文斯学院即现在曼彻斯特大学学习。当时的欧文斯学院不但拥有一批优秀的科学人才，而且与同时代的其他大学相比，开设了一些实验掺理学方面的课程。这就使汤姆逊在此不仅接触到了物理学，而且做了一些物理实验。汤姆逊的父亲希望他的儿子成为一名工程师，让汤姆逊在欧文斯学院学习工程。汤姆逊在学习期间，其父不幸去世。之后，家庭没有能力负担他的经济费用，依靠奖学金的支持，汤姆逊在欧文斯学院继续工程学学位学习。 1876年，汤姆逊获得剑桥大学三一学院的奖学金，进入三一学院学习数学。1880年，汤姆逊分获数学优等生学位考试第二名。取得数学学土学位后，由于进行实验研究，使他有机会到卡文迪什实验室去。1881年，三一学院给予汤姆逊研究员职位，1883年晋升为该校讲师。1884年，汤姆逊当选为伦敦皇家学会会员。同年，瑞利勋爵辞去卡文迪什实验物理学教授兼指导，经过选举委员会投票表决，汤姆逊当选为第三任卡文迪什教授兼指导。他的这一职务直到1919年由他的学生卢瑟福继承。在此期间，他领导卡文迪什实验室不仅在科学研究上取得举世瞩目的成就，而且为科学的发展培养了一大批优秀人才，把卡文迪什实验室建成了世界科学研究中心。
1905年，汤姆逊被任命为英国皇家研究所的自然哲学教授，1906年获得诺贝尔物理学奖，1908年被封为爵士。1909年，汤姆逊任英国科学促进协会主席，1916年至1920年间任英国皇家学会主席。1918年初，剑桥大学三一学院院长巴特勒（M．Butler）去世，由英国当时的首相乔治（L．Geofge）提名，经国王任命，汤姆逊为新的三一学院院长，他于1918年3月5日就职。当时的剑桥大学面临一系列问题，这就使得身兼多职的汤姆逊工作十分繁重，这一切使年已62岁的汤姆逊感到力不从心。因此，汤姆逊分别在1919年和 1920年辞去了卡文迪什实验室和皇家研究所的职务，但他仍担任三一学院院长，直到1940
年去世、在去世前的几个月，他还继续处理三一学院的日常事务。
汤姆逊一生的科学研究涉及多个方面，早年，他就对原子结构发生兴趣，这可以从他的论文“论涡旋运动”看到，这篇论文获得1884年的亚当斯奖。同时，汤姆逊还研究了麦克斯韦的理论，他在1892年发表的著作——“关于电和磁的最近研究笔记”，概括了麦克斯韦的著名著作。以后取得的成果，常被人们称为“麦克斯韦第三卷”。对气体放电现象的实验研究是汤姆逊一生科学研究的最重要方面之一，这一研究导致了电子的发现。电子的存在被证实之后，汤姆逊又研究原子的结构。此外，汤姆逊还研究过阳极射线（positive ways），他的研究成果为建立质谱学的原理发挥了重大作用。捕鱼网具
2、汤姆逊对物理学发展的贡献
2、1研究电磁理论提出电磁质量求医不如求己4
对于真空和静止介质的情况，麦克斯韦的电磁方程没有出现问题。但是，将麦克斯韦方程推广到运动物体和运动介质时就会出现一些麻烦。因而，19世纪后期，对运动物体和运动介质中的电磁理论研究是摆在物理学家面前的一个课题。
麦克斯韦电动力学是汤姆逊早期进行科学研究的方面之一，他研究运动带电体的电磁理论问题。1881年，他发表题为“带电体的运动产生的电磁效应”的论文，公布了首批研究成果。文中用麦克斯韦理论分析了电微粒的运动，提出电微粒的质量除有力学质量m0外，还有电磁质量m0，计算带电体在磁场中受到磁场的力，试图用运动电荷的电场和磁场之IN的感应来解释惯性的由来、尽管未能成功地解决这些问题，但他的研究具有十分重要的意义。尤其是电磁质量的提出，意味着带电体的质量随速度可以变化。这个学说后来被洛伦兹、彭加勒（H．Poincare，1854～1912）等人所发展，指出了电子的总质量为m＝m0＋me。洛伦兹还指出，电子的质量将随它的运动速度的增加而增加。这些研究对于相对论的产生有积极影响。
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2、2汤姆逊对发现电子的贡献
汤姆逊在任卡文迪什教授的第二年，就把实验室的研究重点转到气体放电研究方面，尽管在1895年之前，他的研究取得不少成果，但更大的进展却是在伦琴发现X射线后做出的。这其中电子的发现，是汤姆逊科学研究取得的最辉煌成就。19世纪80年代，克鲁克斯（Crooks）和戈德斯坦（Goldstein）关于阴极射线的研究成果引起了大批科学家对阴极射线的关注。 19世纪后半叶，物质的原子论已经建立，物质的带电性也容易得到证明、但是人们还不了解电和原子之间的真正关系。汤姆逊研究气体放电及阴极射线，目的就是要认识这种关系，关于阴极射线的性质，汤姆逊和多数英国物理学家持相同的观点，认为阴极射线是由带负电粒子组成的，而且带负电粒子可能以很大的速度运动。对阴极射线带有负电荷，佩兰（J．Perrin）在1895年所做的实验已经证明了这一点。可是，支持阴极射线是波动说的人们却对佩兰的实验提出非议。他们认为佩兰实验所用放电管的阳极同时又是外筒，因而不能说明验电器带电的原因，也不能说明验电器带电与阴极射线之间存在的关系、对此，汤姆逊于1897年以另一种方式重复了佩兰的实验。他把佩兰实验中的阳极与外筒分开，并把外筒接地，对阴汲射线的径迹用磷光来示踪。汤姆逊的实验用无可辨驳的事实说明。负电荷兰、是与阴吸射线走同一路线，负电性同阴极射线是立不可分的这就证明了阴极射线确实带有负电荷，不给民对者留下任何反驳的余地。
证明阴极射线是带负电粒子的另一个重要实验是；汤姆逊显示了阴极射线被静电场偏转。早在1883年，赫兹就做过显示静电场对阴极射线作用的实验，他让阴极射线从放置在放电管内连接蓄电池的两块平行金属板间通过，没育发现射线的运动方向改变。赫兹由此得出错误的结论；静电场不能使阴极射线发生偏转，这也成了反对阴极射线是带负电粒子
的主要论据之一。汤姆逊用实验证明，在高真空下，把两块铝
板与蓄电池组的两极相连，射线从铝板之间通过时便发生了偏转。汤姆逊还对赫兹实验作出正确的解释。他认为在赫兹的实验中，射线没有发生偏转是由于射线使稀薄气体具有导电性所致。同时，汤姆逊的实验还显示了阴极射线的运动速度远远小于光速，这就极大地削弱了阴极射线是电磁辐射的基础，使人们更加
容易地接受阴极射线是带负电粒子的观点。新疆基础教育资源公共服务平台
汤姆逊综合一系列阴极射绕实验研究后得出结论：阴极射线是带负电的物质粒子．那么，这些粒子到底是什么呢？汤姆逊从买验研究和逻辑推理两方面寻答案他用向种方法测定这种带负电粒子的质荷比。在实验中发现射线所通过气体的性质不会影响射线的路线，m／e值不仅与射线所通过气体的性质无关。而且分别用铝和铭做阴极测得的m/e值都是10－7输电线路覆冰数量级（用电磁单位制），这比当时已知的氢离子质荷比 M/E的值小三个数量级。汤姆逊认为，这可能是由于组成射线的带电粒子m很小，或e很大，或二者兼有。结合当时多数化学家关于化学元素结构的观点，以及美国物理学家迈厄（A．M．Mayer，1836～1897）
用飘浮磁体模拟原子力的实验，汤姆逊对阴极射线性质进行推论：假设阴极射线粒子所带电荷等于氢粒子所带电荷，则由m/e的值可推出m很小，由m很小又可推出组成阴极射线粒子的体积很小；由它的体积很小，可说明它有很好的穿透性，这就能够解释阴极射线穿过金属险的现象；由射线粒子的体积很小以及它与环境明显无关，可谁知组成阴极射线粒子分布的广泛性。由于组成阴极射线的粒子在各种元素中普遍存
在，所以它是原子的组成部分。这些都是汤姆逊1897年所做的工作，通过这些工作汤姆逊发现了电子，两年后，汤姆逊又用威耳逊云室成功地测定了电子所带电荷，测得数值与当时已知的氢离子值符合得很好，这说明电子所带电量等于氢离子所带电量，而它的质量却比氢原子小得多。
2、3汤姆逊对原子结构现代理论的贡献
19世纪人们就提出过一些原子模型，但它们基本上是力学的和流体力学的模型，例如开尔文曾提出原子是地球以大中的某种涡流的假说。当人们观察到，即使是最简单的氢原子也会发出复杂的光谱线系以及证明电子是独立存在的事实，使人们很快认识到电子必定是所有物质原子的组成部分，光谱是来源于电子的振动，原子模型必须考虑原子的电结构。
实验上的重大发现，问理论提出了研究课题。为了适应新的实验事实，物理学家必须提出新的原子模型，1901年，佩兰首先提出了原子的行星模型，他认为原子是由带正电的粒子和围绕正电粒子的许多电子组成，电子的电荷中和了正电粒子的电荷。佩兰假定，原子内部的电湘力将使原子处于力学的稳定平衡。电子的旋转周期和原子发射光谱的频率或波长相对应。同年，开尔文也提出了一种原子模型，他认为物质原子是由带正电的均匀球体组成的，整个物质原子里面负电是按分立电子的形式分布的。
汤姆逊对原子模型的早期观点是，“原子肯定是一种被电力集合在一起的电结构，并大致地表明了周期表中展示元素的物理和化学性质的变化的可能解释。这对指导人们研究原子结构具有一定指导意义，1897年发现电子后，人们立即开始了建立各种原子结构模型的尝试，其中在1910年之前影响最大的模型，是汤姆逊1904年提出的他认为原子是一个密度均匀的带正电荷的球体，若干带负电荷的电子在球体中中和了正电荷。电子绕圆形轨道在球体中旋转。汤姆逊的模型尽管未能得出人们对原子的正确认识，但它对人们认识原子却起了一定促进作用。“正如卢瑟福所说，汤姆逊的原子模型在探索原子结构思路的启示方面，仍起过有价值的作用”。卢瑟福正是在批判了汤姆逊的原子模型以后，深深感到说明大角散射需要一个新的原子模型，并在此基础上产生了卢瑟福关于原子的概念。
达标投产2、4汤姆逊对极隧射线的研究
汤姆逊最后一个重要的实验工作是他对极隧射线即阳极发出的射线的研究，这一工作持续了许多年。他用类似于测量阴极质荷比的方法，测量极健射线的质有比，并确认出极健射线是由一些元素的正离子组成。在研究过程中，汤姆逊发现了用带正电的射线分离不同种类的原子和分子的方法，他不断改进实验技术和粒子径迹的分析方法，提高仪器的灵敏度。到1913年，他的仪器已经能够分辨出原子量分别为20和22的氖元素的两种原子。汤姆逊的方法由他的助手阿斯顿（Aston）等人加以发展，发现了许多同位素，同时发明了质谱仪，质谱仪的发明对原子核物理学的发展起了重要的作用，阿斯顿由于这一工作也荣获了诺贝尔奖。
3、组织科学研究培养科学人才
汤姆逊不仅在科学研究方面作出重要贡献，而且在组织科学研究、培养科学人才方面取得显著成绩和经验。他是一位师德高尚的优秀教师，他的学识、组织能力和高尚品德赢得了人们的普遍尊敬。汤姆逊在1884年至1919年任卡文迪什实验室主任期间，在科学研究及教育的组织形式、研究方法和民主学风等方面，采取了一系列重大措施，不断丰富、发展
和完善卡文迪什实验室的优良传统和学风。汤姆逊采取的措施之一，是从世界范围内选拔优秀大学毕业生和研究生，到卡文达什实验室工作和学习，研究生的学制为两年，通过这一途径，吸引了许多国家的优秀青年到卡文迪什实验室学习，他们中的不少人取得了重大成就，如卢瑟福。郎之万、阿斯顿。都成长为世界著名的科学家。尤其是卢瑟福，接替他的老师汤姆逊成为第四任卡文迪什教授，将卡文迪什的优良传统和学风更加发扬光大。经过汤姆逊和卢瑟福的不懈努力，他们将卡文迪计实验室办成了世界原子核物理的研究中心。
汤姆逊采取的措施之二，是在卡文迪什实验室提倡民主的学风。他创立了许多灵活多样的学术活动形式，如每天下午的茶时漫谈会、两周一次的卡文迪什物理学会和每年圣诞节前举行的晚宴等。通过这些形式，师生之间互相交流学术思想，进行学术报告，通报实验室取得的工作进展等。这些形式对培养大批优秀科学人才发挥了巨大作用，成为卡文迪什实验室的优良传统，后继者对此传统不断坚持和发扬。
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