年诺贝尔物理学奖

1905年诺贝尔物理学奖——阴极射线的研究

1905年诺贝尔物理学奖授予德国基尔大学的勒纳德，表彰他在阴极射线方面所作的工作。

1888年，当勒纳德于海德堡大学在昆开的指导下工作时，就在阴极射线方面作了最初的研究。他研究了赫兹关于这种射线与紫外线相似的观点。为此他做了一个实验，观察阴极射线是否能像紫外线一样通过放电管壁的石英窗。他发现阴极射线不能穿过。但在1892年，他在波恩大学担任赫兹的助手时，赫兹让他看了自己的一项新发现：将一块被铝箔包着的含铀玻璃片放入放电管中，当阴极射线轰击这块铝箔时，铝箔下面发出了光。当时赫兹以为可以用一片铝箔将空间隔开，一边是按普通方法产生的阴极射线；而在另一边则是纯粹状态下的阴极射线。这个实验以前从未做过。赫兹太忙了，没有时间做这个实验，就让勒纳德做，就这样，勒纳德作出了“勒纳德窗”的重大发现。

勒纳德用不同厚度的铝箔做了大量实验后，最后在1894年发表了他的重大发现。这个发现就是用来封闭放电管的石英板可用一块铝箔代替，铝箔的厚度恰好可使管内保持真空，但又要薄到恰好能让阴极射线通过。这样，不但能研究阴极射线，而且也能研究阴极射线在放电管外引起的荧光现象。勒纳德从当时的实验得出结论，阴极射线在空气中的传播距离大概是分米的数量级，而在真空中则可以传播数米而无衰减。虽然勒纳德开始时是仿照赫兹的说法，认为阴极射线是在以太中传播的某种波，但由于得知佩兰在1895年的研究、汤姆逊和维恩在1897年分别所作的研究，他后来放弃了这个观点。上述三位科学家证明了阴极射线的微粒性。汤姆逊最后作出了阴极射线是由带负电的电子组成的结论，这虽然与勒纳德的主张不合，但勒纳德的铝箔窗实验仍不失为推动汤姆逊发现电子的重要前提。

人们公认，勒纳德对阴极射线的研究有重要贡献，但他却在这项研究中不断和别的科学家发生冲突。伦琴是用勒纳德设计的放电管发现X射线的。对此，勒纳德有自己的看法，他坚持认为X射线只不过是他研究过的放电管外面的以太波的特殊情形。在勒纳德看来，X射线乃是一种特别“硬”的阴极射线，其速度接近光速。因此勒纳德对X射线发现的优先权提出了要求，他认为X射线的发现应有他的一份功劳。

开始勒纳德对X射线的解释很有市场。但到1897年以后，勒纳德的观点受到了冲击。1896年，勒纳德在英国科学促进会上以特邀代表身分发言时，他宣称，阴极射线和X射线都是以太波，X射线实质上就是在磁场中不被偏转的阴极射线，比普通的阴极射线硬，因此具有一定的穿透力。对此汤姆逊指出，勒纳德对阴极射线本质的解释与佩兰的实验结果相矛盾。佩兰的实验证明了，阴极射线带有负电荷，与X射线有本质的不同。但勒纳德认为，佩兰的结论缺乏说服力，因为阴极射线的任何有意义的实验必须在高真空条件下进行。就是在这一争论的背景下，汤姆逊作出了重要的一些实验，成功地使阴极射线在静电场和磁场中发生了偏转，并测出了阴极射线的荷质比，从而发现了电子。汤姆逊判定，构成阴极射线的微粒比人们知道的任何原子都还要小1000倍。从此以后，人们就不再把X射线和阴极射线等同起来，公认X射线是不带电的电磁扰动。勒纳德对X射线发现优先权的要求，就这样被彻底否定了。

关于阴极射线的本质，勒纳德后来还是改变了看法，并且在这一基础上作出了进一步的贡献，这项贡献是对光电效应的研究。他根据他在高真空下所作的这一效应的实验，分析了这一效应的本质。他证明，当紫外线照射到一块金属上时，紫外线会使电子从金属表面逸出，然后这些电子会在真空中传播，在电场的作用下电子得到加速或减速，或用磁场可以使电子轨迹弯曲。他通过精确的测量证明，发射的电子数正比于入射光的强度，亦即入射光所带的能量。电子的速度，即它们的动能，却与入射光的能量完全无关，只随光的波长改变，当波长减小时电子的动能增加。这些事实和当时流行的理论是矛盾的，也就是说，经典理论无法解释勒纳德在光电效应方面发现的事实。一直到1905年爱因斯坦提出了光量子定律并发展了光量子理论时，才完满解释了这一事实。过了很久，光量子才被密立根证实。勒纳德一直不原谅人们把爱因斯坦的名字冠在这个定律之上而对爱因斯坦耿耿于怀。

在进行这项工作的过程中，为了加速电子和测量它们的能量，勒纳德发明了一种光电管，这跟无线电电子学中的非常相近，实际上就是三极管最早的雏型。不同之处是在勒纳德的光电管中，阴极发射电子是靠光的作用，而三极管中的阴极是灯丝，可向真空中发射出强得多的电流。

1902年勒纳德指出，电子通过一种气体时必须有一个最小能量值，才能引起气体的电离。1903年勒纳德发表了关于原子像一个他称之为“动力子”的集合体的原子模型理论。动力子极其微小，分散在原子广阔的空间里，它们有质量，可以把它们想像成电荷大小相等、符号相反的无数对电偶极子，它们的数目取决于原子的质量。他认为，原子中的这种固体物质只占整个原子体积的10亿分之一。动力子原子模型能解释勒纳德窗的作用，但无法解释更多的事实，由此是一种不成功的原子模型。

勒纳德晚年致力于研究光谱线的本质和起源。他发展了里德伯、凯瑟和龙格（Runge）的工作。这些科学家认为，一种金属的光谱线可以排列成两个或更多个不同谱系，在这些谱系的波长之间存在明显的数学关系。勒纳德指出，每个谱系都会发生原子的确定变化，这些变化决定着各个谱系，并且可以按原子所失去的电子的数目来区分。下面来介绍勒纳德的生平。

勒纳德1862年6月7日生于匈牙利的普雷斯堡（今斯洛伐克的布拉迪斯拉发）。勒纳德先后在布达佩斯大学、维也纳大学、柏林大学和海德堡大学学习过物理，得到本生、亥姆霍兹和昆开的指导，1886年在海德堡大学获得博士学位。从1892年起勒纳德在波恩大学任讲师，并担任赫兹的助手，1894年被聘为为布雷斯劳大学教授。1895年成为埃克斯－夏佩勒大学物理教授，1896年任海德堡大学理论物理学教授。1898年任基尔大学教授。

勒纳德的第一项研究工作是关于力学方面的，当时他发表了一篇关于下落水滴的振动及其应用问题的论文。1894年他整理出版了赫兹遗留下的《力学原理》。

不久他对磷光和荧光现象发生了兴趣，这是他从童年时代和同学们一起看到萤石在黑暗中发出微弱光亮而引起的神秘感的继续。他和天文学家沃尔夫一起研究一种酸的发光现象，把这种酸与碱和硫酸氢盐混合起来研究照片的显像过程。他发现，发光度决定于这种酸的氧化程度。与此同时，他还研究了铋的磁性。在普雷斯堡的现代学院，他和他的第一位物理老师克拉特（Klatt）合作，研究了诸如硫化钙之类的所谓的自发光物质。克拉特对这种物质已研究了一些年头。他们共同发现，硫化钙经过光照后会在黑暗中发光，但是硫化钙中至少应含有微量的重金属，如铜和铋等，这些物质组成晶体后才有这类效应。晶体的自发光颜色、强度和发光持续时间均与晶体有关。如果硫化钙十分纯净，它就不会发光。跟克拉特的这项合作成了勒纳德后来的18年中研究阴极射线的先导。

勒纳德是一位有才能的实验家，他的一些发现的确很有价值，但他宣布这些发现的重要性时往往超过了它们的真实价值。虽然他得过很多荣誉，譬如1911年获得克里斯蒂安尼亚（现奥斯陆）大学的博士学位，1922年获德累斯顿大学博士学位，1933年获日耳曼帝国鹰徽勋章，但他仍然感到自己是被忽视了，认为没有得到足够高的评价。他后来变成了希特勒的国社党的忠实成员，成了积极的种族主义者和排犹主义者。第一次世界大战后，他就反对德国魏玛共和国的民主制度，竭力鼓吹德国军事化。早在1924年他就追随希特勒，吹捧希特勒是“头脑清晰的哲学家”。在希特勒统治期间，他成为纳粹在物理学界的代理人。勒纳德从反犹太人的种族主义立场出发，从1920年起就诽谤、攻击爱因斯坦和相对论，并鼓吹所谓的“德意志物理学”。第二次世界大战后，勒纳德被勒令离开海德堡到梅塞尔豪森，于1947年5月20日在那里去世。