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查尔斯·威耳逊

查尔斯·汤姆逊·里斯·威尔逊

查尔斯·威耳逊(Charles Thomson Rees Wilson,1869年2月14日~1959年11月15日),英国原子物理学和核子物理学先驱,生于苏格兰中洛锡安郡格伦斯科。先后就学于曼彻斯特和剑桥,1925年到1934年任剑桥自然哲学教授。他以研究大气电学而闻名,主要成就是发明云室,用以观察α粒子与电子的轨迹,从而进一步研究原子、粒子的相互作用。1927年他与康普顿一起分享诺贝尔物理学奖。卒于皮布尔斯郡卡洛普斯。

 

生平简介

 

英国物理学家汤姆生教授,在卡文迪许研究所从事物理教学和研究时,培养了几百个世界闻名的科学家,除了他本人和他的儿子外,还有8位学生赢得了科学界的最高荣誉——诺贝尔奖金。查尔斯·T ·R ·威尔逊就是8 个人中的一个。

查尔斯·T ·R ·威尔逊1869年2 月14 日生于苏格兰南部锡格伦科斯附近。他的父亲是一位农民,由于在牧羊业方面进行的新实验而在苏格兰享有名声。威尔逊是弟兄八人中最小的一个。

威尔逊从小就顽皮好动,坐不稳、立不安,仿佛永远也没有安静的时刻。 因此,他的父母很不喜欢他,认为他做什么也没有恒心,将来一定是一个没有出息、游手好闲的废物。这时,恰巧有一位有学问的牧师路过他家,当他了解了威尔逊的表现后,便劝他的父母不必过于焦虑,他说: “那些特别聪明的孩子,在小的时候,由于他的志向未定而往往显得出奇的顽皮。他一旦有了自己的兴趣和爱好以后,就不会这样顽皮淘气下去了。”这一番劝告可救了威尔逊,他的父母决心给他以求学深造的机会。

威尔逊最初曾就读于曼彻斯特的格林海斯学校,但是直到他 15岁进入曼彻斯特的欧文斯学院时,才真正发觉自己对物理有着浓厚的兴趣,他下定决心做一名物理学家。1888年他获得剑桥大学所颁发的奖学金后,就成为这所大学的一名物理系的研究生。研究生毕业接受学位以后,他的哥哥威廉便去世了。从此,家庭生活的重担落到了他一个人身上。他一方面需要供养母亲,另一方面又要为自己筹措学费,因此,他就到约克郡的布雷德福中学任教。然后,又到剑桥大学从事实验工作,以此维持家庭生活和自己的学习费用。1901年,他以优异的成绩被锡德克·苏塞克斯学院选中为研究人员,并被任命为大学的讲师和实验教师。到这时,他的经济状况才有所好转。

威尔逊一生的贡献很多,但是最主要的是发明了雾室。此事说来话长,那是由他的老师汤姆生的一番谈话引起的。有一天汤姆生向威尔逊提起,说他需要一种特别的仪器,这种仪器要能够显示出各个电子经由空气时所走路线的痕迹。威尔逊把老师的话牢牢记在心里,决心把这一设想变成现实。从此,他一心扑在制造这种仪器的工作上。

为了设计出这种仪器,他经常爬到苏格兰最高峰那维斯峰顶上的天文台去观察和研究云雾现象,据此于 1900年发表了一篇观察、研究结果的论文,说明空气中常有一些离子产生。这引起了科学界的重视。此后,他更全力研究空气的放电现象 (特别是在雨雪中的放射性),计算空气中所放电的电量。

经过长期的锻炼,威尔逊炼出了一双特别灵巧的手。他善于做各种实验。据说,当时的剑桥大学,没有一个人能做出比他更出色的实验。所有这些都为他后来发明雾室创造了有利条件。

雾室到底是怎么一回事呢?它有哪些作用?雾室里一个具有窗口的盒子,在它的下面有一个可动的活塞。把饱和水蒸汽的空气从一边的窗口引进盒子,当活塞向下移动时,盒子里的空气马上就扩散冷却下来,使部分蒸汽凝结而形成轻巧的云雾。就像天上云里的水气碰上灰尘粒子或带电荷的空气分子时,容易冷凝成液体一样,雾室的水蒸汽也有这种现象发生。利用这个原理,人们只要把一束从外面电子源射出来的电子流引进盒子里的另一个窗口,这些电子进入雾室后,就会将空气分子游离成离子。当湿气的小雾滴围绕在离子的四周时,它们即因电子的行进轨道而伸展成一条狭长的条纹,用肉眼可以看见。如将这薄薄的一层雾所形成的条纹拍摄下来,则电子行经空气的线路就会在照片上显示出来。

威耳逊在1927年索尔维会议.

不只是电子,其他只要是能够游离气体的任何一种运动粒子,都可以在雾室里留下一道痕迹。利用这个原理,人们能够使那些小得无法直接摄影的粒子都可以看见了。不只是这些线路,而且那些高速粒子发生碰撞使路径突然改变的情形,也可通过摄影得知。这种雾室是研究a粒子的一种非常有用的工具。后来发现的正电子和介子,也是通过拍摄它行经雾室的线路而得知其线索的。

经过多年的悉心研究威尔逊终于从水蒸气凝结在离子上的现象中,发现了一种跟踪离子轨迹的方法即雾室,从而把幻想变成了现实。1911他亲自看到了带电粒子的轨迹。康普顿效应的理论发表后不久,威尔逊又进行了一系列的云迹观察,从实验上证实了这个理论,从而为爱因斯坦的光子学说提供了实验依据。1927年他和美国的阿瑟·荷里·康普顿共同荣获了诺贝尔物理学奖金。

威尔逊还对空气电导率进行过深入的研究。1900年,他在使用绝缘良好的验电器进行实验时,发现无论是在日光下或在黑暗中,也无论是对正电荷或负电荷进行试验时,发现总有残留漏电的现象。这是什么原因?威尔逊阐述说: “目前进行的实验,只是为了试验无尘空气中离子的产生,是否由于大气外某种辐射源的辐射所致?这种射线也许类似伦琴射线或阴极射线,但它具有非常巨大的穿透本领。”这一创造性的假设,终于在1915年为维克托·赫斯所验证。赫斯把一个验电器安装在气球上,从而发现了空气的电导率在起初下降之后便随高度而增加,赫斯据此提出了存在 “宇宙辐射”的假设。

 

贡献荣誉

 

威尔逊的一生除了荣获诺贝尔奖金外,还获得过许多其他荣誉,譬如,1900年,他被选为英国皇家学会的会员;1911年被授予休斯勋章;1922年被授予皇室勋章;1935年被授予柯普莱勋章。1937年,又由女王指定为勋爵,并在阿伯丁、格拉斯哥、曼彻斯特、利物浦、伦敦和剑桥享有荣誉学位。

威尔逊虽然贡献颇多,然而为人非常和蔼可亲,平易近人,从不以学者权威自居。他特别喜欢接近青年,尤其是那些事业心不强的学生。他同他们聊天,参加他们的活动,利用一切可以利用的机会来启发他们思考,鼓励他们上进。所以在他那漫长的教书生涯里,一直得到学生们的衷心爱戴。

查尔斯·汤姆逊·里斯·威尔逊

 

威尔逊与他的云室

 

查尔斯·汤姆逊·里斯·威尔逊(Charles Thomson Rees Wilson,1869——1959年),1869年2月14日生于英国苏格兰爱丁堡附近的格伦科西,父亲在苏格兰因试验牧羊农场而很有名.威尔逊1892年毕业于剑桥大学西得尼·萨赛克斯学院,后在剑桥大学一面做实验研究,一面当医学系的实验演示员.当时卢瑟福等一些青年科学家都是剑桥大学卡文迪许实验室的研究生,威尔逊经常和他们一起参加茶余饭后的讨论.1894年,威尔逊在英国第一高峰苏格兰的本内维斯峰的天文台度过了几个星期的时间.在那里,他看到了阳光返照云彩的奇景,使他想在实验室中再现它们,这就使他走上了发明云室(又称云雾室)的道路.

1895年,他设计了一套设备,使水蒸气冷凝来形成云雾.当时人们认为,要使水蒸气凝结,每颗雾珠必须有一个尘埃为核心.威尔逊仔细除去仪器中的尘埃后发现,无需尘埃,而用X射线照射云室时,云雾立即出现,这证明凝聚现象是以离子为中心出现的.?经过四年研究,他总结出,当无尘空气的体积膨胀比为1.25时,负离子开始成为凝聚核心;当膨胀比为1.28时,负离子全部成为凝聚核心.对于正离子来说,膨胀比为1.31时开始成为凝聚核心,膨胀比为1.35时全部成为凝聚核心.另一方面,他还指出,离子的电荷对水蒸气分子产生作用力,有助于雾珠的扩大.1912年,威尔逊为云室增设了拍摄带电粒子径迹的照相设备,使它成为研究射线的重要仪器.用这个云室拍摄了α粒子的图象.

1927年,威尔逊因发明云室而与康普顿同获诺贝尔物理学奖.

威尔逊还研制了灵敏静电计,用拴住的气球升到不同高度测量大气中的电场,发现在晴朗的天空中,总存在方向指向地面的电场,电位梯度为100V/m~200V/m,整个地球的负电荷总量约为5×105 C.威尔逊从他的云室研究中知道负电荷核心聚集的水滴较大,他认为雨云一定是顶部带正电,底部带负电的,因此雨水落下来使地球带负电.

1959年11月15日,威尔逊在苏格兰卡洛普斯去世,终年90岁.1956年,当他87岁时,他作为英国皇家学会年纪最大会员,还向学会递交了最后一篇论文《雨云电学原理》.

威尔逊(Charles Thomson Rees Wilson)是英国著名物理学家、威尔逊云雾室的发明者,1869年2月14日出生于苏格兰爱丁堡附近的格伦科西,其父是个农庄主。当威尔逊只有4岁时,父亲就去世了。后来威尔逊随同他的母亲迁居曼彻斯特。年轻时,威尔逊在曼彻斯特受教育,学习过地质学、植物学与动物学。他原想当医生,所以在欧文斯学院(现为曼彻斯特大学)时还学习生物学。1888年,威尔逊转学到剑桥大学(Sussex学院),在这里,他对物理学与化学发生浓厚的兴趣,1896年获得物理学博士学位。

1900年,威尔逊博士担任剑桥大学物理学讲师和物理学演示法教学者;1913年在气象台担任气象物理观测员;1916年起,研究闪电。1918年成为大气电学的讲师;1925年教委任为剑桥大学杰克逊(Jackson)讲座自然哲学教授,一直到1934年。1895年以后,威尔逊的研究涉及到大气电学问题,特别是下雨和下雪时的放射性现象,也涉及应用金箔静电计测量大气电学问题。他想使基本粒子的径迹处于可见状态,乃至于可以拍成照片,于是作了一个杰出的实验,让放射性物质发射出来的粒子,穿过具有过饱和水蒸汽的空气,从而使粒子的径迹呈现为细小而又可见的云雾状线条。据说1894年,威尔逊在海拔4000多米的尼维斯山顶旅游时,发现高山之巅很容易形成奇丽的迷茫雾景,便引起极大兴趣。经过艰苦的研究,他终于知道了这是气压较低,的缘故。1895年,这位眼光锐利、头脑敏捷的气象学家在卡文迪许实验室中设计一种方法使潮湿空气在紧闭的容器内绝热膨胀,从而使空气冷却,变成过饱和,让水分凝结在尘粒上。他试图通过这种方法从实验室中复制出山顶上某些云雾效应所造成的那样一幅美丽的自然图景。继而,他费尽心思从理论上研究雾点的成因。当他得知X射线的发现时,他便联想空气中离子的存在可能导致云雾的形成。他作了实验,并在云雾室中找出由辐射留下的凝结水滴的轨迹。经过不懈努力,他终于发现雾点是由于水蒸汽附着在带电粒子上而形成的。十一年之后,威尔逊所发明的云雾室装置经过不断改选已经达到完善的地步。实践表明,云雾室在研究核物理中是不可缺少的工具,它还导致了后来汽泡室的发展。

威尔逊于1911年制造的第一个云雾室,现在看来是比较简单的,然而却是攻克现代科学堡垒的相当有用的一件锐利武器,尤其是早期对基本粒子的研究更是不可缺少的。因为有了它,观察带电基本粒子或离子的运动径迹才成为可能。也正因为有了它,才打开了洞察微观世界的窗户。利用威尔逊云雾室取得的最重要的成就有:康普顿利用它演示康普顿反冲电子的存在,从而毫无疑问地证明康普顿效应的正确队,康普顿因此于1927年与威尔逊分享诺贝尔物理学奖金;安德逊利用威尔逊云雾室从宇宙射线中法现正电子的存在,证实了狄拉克的理论预言,由于这一功绩,安德逊于1936年获得诺贝尔物理学奖金的一半;布菜克等人利用威尔逊云雾室做了关于电子和正电子同时产生和消失过程的可见演示,后来布莱夫由于进一步发展云雾室和由此而来的发现也于1948获得诺贝尔物理学奖金;科克洛夫特等人所做的原子核衰变,也是依靠了威尔逊云雾室的帮助。以上所举事实证明,如果没有威尔逊云雾室,许多重要的原子核物理现象的揭露和研究都是不可能的。

在漫长的90年的生活中,威尔逊在其他方面也有很大贡献。1956年,年已87高龄的威尔逊教授还发表了雷电的理论。他一生中,由于成绩显赫,获得了各种荣誉与勋章;1900年被选为皇家学会成员;1911年获得休斯奖章;1922年获得皇家奖章;1920年获得剑桥哲学学会的霍普金斯奖金;1921年获得爱丁堡皇家学会的冈宁(Gunning)奖金;1925年获得富兰克林研究所的霍华德·波茨(Howard Potts)奖章;1927年于美国物理学家康普顿分享诺贝尔物理学奖金。他发明的威尔逊云雾室,已广泛地应用于放射线、X射线、宇宙射线和其他核现象的研究。

1959年11月15日威尔逊在英国逝世,享年90岁。

 

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