年诺贝尔物理学奖

1926年诺贝尔物理学奖——物质结构的不连续性

1926年诺贝尔物理学奖授予法国巴黎索本大学的佩兰，以表彰他在物质不连续结构方面的工作，特别是对沉积平衡的发现。

佩兰关于物质不连续结构的工作，主要指的是他是对布朗运动的研究。

布朗运动是由分子无规则热运动引起的，它是证明分子存在的最有力的证据。但是这个结论并不是轻而易举就能得到的。经过理论和实验两方面的努力，才得到大多数科学家的承认。理论方面的工作主要是爱因斯坦完成的，而实验方面则主要是指佩兰的乳浊液沉积实验。

1906年，爱因斯坦又发表了“布朗运动理论”一文，讨论了在平衡态下液体中悬浮颗粒按高度分布的问题，得出下列关系：

dW＝const·exp［V（ρ－ρ₀）gx］dx

其中dW是颗粒出现在x到x＋dx之间的几率，V是粒子体积，ρ是颗粒密度，ρ₀为液体密度，g是重力加速度。

佩兰正是在爱因斯坦的布朗运动理论指导下对爱因斯坦的上述方程进行全面的实验检验。他早年曾因阴极射线的研究获伦敦皇家学会的焦耳奖。这项研究是汤姆逊发现电子的先奏。1901年佩兰曾提出过有核行星原子模型。

佩兰在1906年开始对布朗运动发生兴趣，这时正好爱因斯坦发表了有关布朗运动的论文。1908年佩兰将爱因斯坦的高度分布公式改写成乳浊液分布方程。

首先是要选择适当的物质做成乳浊液。佩兰经过多次试验，找到藤黄和乳香这两种乳浊液。藤黄是一种水彩颜料；乳香是清漆的原料。

然后，缩短离心旋转时间，则沉淀于底部的颗粒半径应比较大，于是在颗粒之间的仍悬浮在液体中，如果非常接近，这时就得到了一种颗粒非常均匀的乳浊液。

乳浊液中颗粒的密度用两种方法测定。一种是蒸干水份后直接测其重量，另一种是将乳浊液与水比较。两种方法的结果非常吻合。

将厚度为0．1mm的有圆孔的玻璃片放在显微镜的载物玻片上，构成一扁平的圆形容器，将一滴均匀的乳浊液置于容器上面，用玻璃盖盖好，再用石蜡或漆密封，以防液体蒸发。这样配制的样品可以供几星期之用。把样品放在显微镜的工作台上，工作台务求水平。使用的镜头放大倍数很高，但景深很小，约1μm，所以只能观察到极薄的一层颗粒，上下移动镜筒，可以观察到许多层。

下一步是要测出给定面积的颗粒数。这可不是一件简单的工作，因为颗粒处在活动之中，几百个颗粒在视场中无规则地乱闯，时隐时现，这是无论如何也数不清楚的。机敏的佩兰，想到用照相术，这个方法果然奏效。他采取对同一层多次拍照的办法，数出每张照片上的颗粒数，再加以平均。然而直径比0．5μm小的颗粒往往在照片上也看不清楚，于是，他又想了一个办法：在显微镜的焦面上放一块不透明的箔片，再用细针在箔片上扎一小孔，把视场限制在这个小孔里，用肉眼经显微镜观察一瞬间的颗粒数，每隔一定时间，例如15秒钟，读一次数。读取多遍求出平均值就可看成是颗粒出现的平均频数。将显微镜调到另一层，重复读数。这两个平均频数之比就是浓度比。用这种方法测量，要达到一定的精度，没有几千次计数是不行的。

怎样确定颗粒的半径呢？佩兰也用了不止一种方法。第一种方法是利用斯托克斯定律，在密度为δ，黏滞系数为η的液体中，半径为a、密度为Δ的小球，以收尾速度v下落时，它所受的重力应与阻力和浮力平衡，即

6π_ηav＝ πa²（Δ－δ）g

实验中把乳浊液倒入毛细管中，置于恒温槽内，乳浊液顶层每天下降一定距离，例如几毫米，每隔一昼夜记录一次高度，由此测定下降速度v，从而可算出半径a。

第二种方法是滴定统计体积已知的标准乳浊液中的颗粒数。所谓标准乳浊液是指浓度已知的乳浊液。统计颗粒数的方法也很特别。佩兰注意到在弱酸媒质中（例如1升有0．01mol的酸）藤黄或乳香的颗粒会聚集并附着在容器器壁上。他将乳浊液摇匀后，与弱酸液混合再摇匀，从中取一滴置于显微镜载片上，用边缘涂有石蜡的盖玻璃推匀（涂石蜡的目的是避免盖玻璃携走颗粒），片刻，所有的颗粒都附着在载片上。佩兰用照相机的显画器把载片表面放大后投影在平板上，即可用纸描下颗粒的位置，从而求出颗粒半径。

第三种方法是通过显微镜直接测量。这种方法适用于较大的颗粒（直径大于0．5μm）。在显微镜下直接观察单个颗粒会因为衍射效应看不真实，但排列整齐的一连串颗粒则便于测准。

佩兰根据这三种方法所测颗粒半径确定阿伏伽德罗常数N_A之值，其中半径为2．12×10^－7 m的一组数据，计算得结果为N_A＝7．05×10²³／mol。三种方法测出的数据比较一致，都在每摩尔5．0×10²³个至8．0×10²³个之间。从而佩兰得出结论：“分子的客观现实性是很难否定的了。”

但是，佩兰并没有就此止步，他又着手进行新的研究。他和他的学生肖塞格进一步验证爱因斯坦布朗运动理论中的位移公式。

这方面的实验在佩兰之前已经有好几个人作过。其中一位叫斯维德伯，他测得的位移比爱因斯坦公式所预料的大6～7倍。还有一位叫亨里的，用电影记录下布朗运动的轨迹，结果也偏大4倍。

1908年11月30日肖塞格报告了一种检验爱因斯坦位移公式的新方法。他们没有精密定时的摄影装置，就用照相机的映画器将颗粒的位置显示在纸面上，跟踪一个颗粒，每隔半分钟标一次位置，读4次后另换一个颗粒重复观测。他用了两种黏滞性不同的液体，每种选50个颗粒。分别得到N_A值为7．3×10²³／mol和6．8× 10²³／mol。

关于这个实验，佩兰在诺贝尔奖领奖词中说道：“在几位合作者的帮助下，我作了几个系列的测量，我不仅改变微粒的大小（1∶70000），而且还改变液体的性质（水、糖或尿素溶液、甘油）和黏度（1∶125），得到的数值在5．5×10²³～7．2×10²³之间，数值上的差别可用实验误差来解释。这些数值的如此一致，使人们不可能怀疑平移布朗运动的分子运动理论的正确性。”

1910年佩兰又进一步作实验，验证爱因斯坦的转动布朗运动公式，并且得到了同样的N_A值：6．5×10²³。佩兰的上述实验证明了液体中布朗微粒的乳浊液分布方程和布朗运动的位移公式，从而为原子的存在提供了直接证据。过去还有人认为这不过是一种假说，1908年以后就很少有不相信原子的物理学家了。下面是佩兰的生平介绍。

佩兰1870年9月20日生于法国里尔。他在这里的一所高等师范学院读书。1894～1897年间是物理助教，开始研究的是阴极射线和X射线，1897年因写出阴极射线和伦琴射线的论文而获得“科学博士”学位，同年任巴黎大学神学院物理化学讲师。1910年他晋升为这所学院的教授。1940年德国占领法国以前，他一直担任这个职务。

佩兰最初在研究阴极射线性质时，证明了阴极射线具有负电粒子的性质。他还研究了X射线对气体导电的影响。此外，他研究了荧光、镭的衰变以及声音的发射和传播。

佩兰是法国国家科学研究中心的创始人。国家科学研究中心是面向大学以外最有希望的法国科学家的一个机构，如果没有这样一个机构，他们的科学才能可能会遭埋没。正是由于有了这个研究中心，弗里德里克·约里奥才能完成他的伟大研究。此外，佩兰还创建了一座发明宫，负责创办了巴黎天文物理研究所和上普罗旺斯天文台。如果没有他的声望和说服力，恐怕生物物理化学研究所就不会诞生。

在1914～1918年大战期间，佩兰曾是工程部队的一名军官。

1940年德国侵占他的祖国时，他逃往美国，并于1942年4月17日在美国逝世。大战结束后，1948年他的遗体用琼达克号战舰运回祖国，安葬在巴黎伟人祠。