理查森，1928年因為發(fā)現熱電子發(fā)射定律獲得諾貝爾物理學(xué)獎，曾就職于英國倫敦大學(xué)的。熱離子學(xué)的創(chuàng )始人。

個(gè)人簡(jiǎn)介

1928年諾貝爾物理學(xué)獎——熱電子發(fā)射定律

1928年諾貝爾物理學(xué)獎授予英國倫敦大學(xué)的O.W.里查森（SirOwen Willans Richardson，1879——1959），以表彰他對熱電子發(fā)射現象的工作，特別是發(fā)現了以他的名字命名的定律。

主要貢獻

20世紀前半葉，物理學(xué)在工程技術(shù)方面最引人注目的應用之一是在無(wú)線(xiàn)電電子學(xué)方面。無(wú)線(xiàn)電電子學(xué)的基礎是熱電子發(fā)射。當時(shí)名為熱離子學(xué)（thermionics）的學(xué)科，研究的就是熱電子發(fā)射。熱電子發(fā)射定律的發(fā)現對無(wú)線(xiàn)電電子學(xué)的發(fā)展有深遠影響，因為不論是早期的二極管和三極管，還是后來(lái)的X射線(xiàn)管、電子顯像管和磁控管、速調管，都離不開(kāi)發(fā)射電子的熱陰極。要使這些器件能夠高效率、長(cháng)壽命地工作，關(guān)鍵在于設計合理的電子發(fā)射機構。 O.W.里查森定律為此指明了道路。這一事例又一次證明了基礎研究對科學(xué)技術(shù)的重要意義。

熱離子現象

熱離子現象的觀(guān)測可以溯源到二百多年前，那時(shí)人們已經(jīng)知道，灼熱物體附近的空氣會(huì )失去絕緣性能而導電， 1725年杜菲（Du Fay）就注意到了這一現象，后經(jīng)托爾（Du Tour，1745年）、瓦森（Watson，1746年）、普列斯特利、卡瓦洛（1785年）等人的不斷研究，積累了許多這方面的資料。1853年貝克勒爾證明，白熱狀態(tài)下的空氣只需幾伏電壓就可以導電；1881年布朗諾（Blondlot）進(jìn)一步肯定了上述結論，證明即使電壓低到1/1000V，白熱狀態(tài)的空氣也不能保證絕緣。后來(lái)研究者轉向灼熱物體對空氣導電的影響，致力于追尋這一影響的根源。1873年古利（F.Guthrie）讓加熱的鐵球帶電，發(fā)現紅熱的鐵球雖能保留負電，卻不能保留正電；白熱的鐵球既不能保留負電，也不能保留正電。愛(ài)斯特（J.Elster）和蓋特爾（F.Geitel）在 1882年——1889年進(jìn)行了一系列實(shí)驗研究，檢測了在不同壓強下各種氣體中靠近各種熱絲的絕緣金屬板所聚集的電荷，得到一條結論：在溫度低、氣壓高的狀態(tài)下，金屬板帶正電；在溫度高、氣壓低的狀態(tài)下，金屬板帶負電。

此時(shí)發(fā)明家愛(ài)迪生正在研究電燈泡。他把一塊金屬片裝在燈泡中靠近燈絲的地方上，當金屬片經(jīng)電流計同燈絲電源的正極接通時(shí)，電流計的指針偏轉，顯示有電流從燈絲越過(guò)空間到達金屬片。這就是所謂的愛(ài)迪生效應。但在當時(shí)愛(ài)迪生并沒(méi)有搞清楚這一電流的本質(zhì)。

發(fā)現電子

1897年，J.J.湯姆孫通過(guò)陰極射線(xiàn)荷質(zhì)比（e/m）的測量發(fā)現了電子。1899年他進(jìn)一步研究了愛(ài)迪生效應中越過(guò)空間的電流，用磁偏法測出其荷質(zhì)比，證實(shí)這種電流也是由電子組成。第二年他的學(xué)生麥克勒倫（McClellend）指出只要周?chē)鷼怏w的壓強足夠低，從帶負電的鉑絲放出的電流就幾乎完全不受氣體性質(zhì)和壓強變化的影響。這些結果引起了湯姆孫另一位年輕學(xué)生的極大興趣，他就是里查森。在導師的鼓勵下，他熱忱地投身于這項研究中。

離子現象的研究

里查森從1900年起投身于熱離子現象的研究，前后歷時(shí)十余年。他一方面不屈不撓地從事實(shí)驗工作；另一方面還下很大功夫進(jìn)行理論分析。擺在里查森面前的是十分復雜的現象。如果沒(méi)有理論指導，就只能停留在表面現象，難以探討事物的本質(zhì)；如果不掌握精確的數據資料，再好的理論也得不到證實(shí)。前人的研究成果固然提供了許多有用的依據，但也充斥著(zhù)形形色色的說(shuō)法。例如：有人認為熱離子現象是以太行為的某種表現；有人把氣體導電現象歸因于以太；也有人認為不同的材料有不同的屬性，因而發(fā)出不同的電荷；還有人認為這是一種化學(xué)效應，是由于熱體和周?chē)臍怏w分子相互作用的結果。

獲得諾貝爾獎

21歲的里查森從導師J.J.湯姆孫和同學(xué)麥克勒倫的實(shí)驗結果得到啟示，判定只要盡量抽成真空，排除殘余氣體，然后直接研究飽和電流，就有可能抓住事物的本質(zhì)。

關(guān)于實(shí)驗工作的艱難，從里查森1928 年諾貝爾領(lǐng)獎詞中可窺見(jiàn)一二。他說(shuō)：“我認識到，要取得進(jìn)展，最好的辦法是避免由于氣體在場(chǎng)的復雜性，盡可能搞清楚氣體效應排除之后會(huì )出現什么情況。本世紀之初解決這個(gè)問(wèn)題不像現在（注：指1928年）這樣容易。主要是由于這個(gè)現象在技術(shù)上的重要性，從那時(shí)起抽氣工藝已大大地發(fā)展了。當中只有靠手搖泵抽氣。由于熱絲給器壁和其它部分加熱會(huì )產(chǎn)生無(wú)休止的放氣，抽氣是一件最厭煩的操作。我常常連續幾個(gè)星期給管中金屬絲加熱，來(lái)保證觀(guān)察到的電流穩定，并保證這個(gè)電流與殘余氣體無(wú)關(guān)?！?/p>

他的真空管里裝有鉑絲，鉑絲周?chē)且唤饘偻沧鳛殛?yáng)極，電極間加足夠強的電場(chǎng)。溫度從鉑絲的電阻變化可以算出。改變鉑絲溫度T，測

但是要獲得嚴格的函數關(guān)系光靠實(shí)驗是不夠的。里查森堅信熱絲周?chē)碾姾芍饕菑臒峤z內部由于熱運動(dòng)逸出的自由電子，而不是什么以太效應，這可從 J.J.湯姆孫的荷質(zhì)比實(shí)驗得到證明。把這些電子看成電子氣，就有可能象分子運動(dòng)論處理理想氣體一樣推出飽和電流隨溫度變化的公式.

里查森推導這一公式的基本思想是：在熱金屬內部充有大量自由運動(dòng)的電子，當電子到達金屬表面時(shí)，如果和表面垂直的速度分量所決定的動(dòng)能大于逸出功W，這個(gè)電子就有可能逸出金屬表面，而電子的速度分布遵循麥克斯韋-玻耳茲曼分布律。經(jīng)過(guò)計算得出：

式中i是熱體發(fā)出的飽和電流密度，k是玻耳茲曼常數，A是與材料有關(guān)的系數。里查森的實(shí)驗數據表明，理論與實(shí)驗符合甚好。

發(fā)表文章

這就是1901年里查森發(fā)表的基本內容。

里查森進(jìn)一步研究熱體周?chē)恼x子。他通過(guò)大量實(shí)驗終于搞清楚，正離子的產(chǎn)生非常復雜。有的是電極本身在加熱時(shí)發(fā)出的，有的是雜質(zhì)引起的，有的確是由于加熱電極與周?chē)鷼怏w之間的相互作用。

里查森還發(fā)現固體樣品在第一次加熱時(shí)總要先發(fā)射大量正離子，形成瞬態(tài)電流。去掉雜質(zhì)后，才開(kāi)始穩定地發(fā)射正離子。瞬態(tài)電流顯然是雜質(zhì)引起的，穩態(tài)電流才是由電極本身材料產(chǎn)生的正離子組成。

為了檢驗推導公式（28 －1）所依據的基本前提是否正確，里查森提出兩條途徑。一條途徑是如果電子確實(shí)是依靠克服了逸出功W的動(dòng)能從熱體逸出，則熱體必會(huì )由于這個(gè)過(guò)程而降溫。為此里查森于1903年作了計算。1909年韋勒爾特（A.Wehnelt）和琴希（F.Jentzsch）首次實(shí)驗證實(shí)，不過(guò)數值與理論不符。1915年里查森和庫克（H.L.Cooke）合作，改進(jìn)實(shí)驗方法，最終確認了理論的正確。

另一途徑是其逆過(guò)程。里查森提出，如果電子束是從外部流進(jìn)導體，則導體應發(fā)熱，熱量既與溫度無(wú)關(guān)，也與驅動(dòng)電子流的電勢差無(wú)關(guān)。1910年——1911年，里查森和庫克的實(shí)驗對此也作了肯定的證明。

直到1913年，還有人對熱電子發(fā)射的理論表示懷疑，總認為這不是物理問(wèn)題，而是化學(xué)問(wèn)題，是由于熱體與周?chē)鷼怏w產(chǎn)生化學(xué)作用的某種二次過(guò)程。 1913年，里查森用壓延性良好的鎢代替鉑充當熱絲，有了更好的真空條件，產(chǎn)生大得多的發(fā)射電流。他證明發(fā)射出來(lái)的電子所具有的質(zhì)量大大超過(guò)可能消耗掉的化學(xué)物品的質(zhì)量總和。于是他以確鑿的事實(shí)令人信服地作出了判斷。

1911年，里查森用熱力學(xué)方法對熱電子發(fā)射公式進(jìn)行了嚴格推導，在推導中考慮到電子對金屬比熱不作貢獻的事實(shí)，得出第二個(gè)公式：

i=A′T2exp（－W2/kT） （28- 2）

其中A′、W′是兩個(gè)有別于A(yíng)、W的系數，不過(guò)它們之間可以互相推算。

兩個(gè)公式，一個(gè)與T1/2有關(guān)，一個(gè)與T2有關(guān)。里查森認為公式（28－2）可取，因為它具有更好的理論基礎。兩個(gè)公式都在誤差范圍內與實(shí)驗相符，無(wú)法用實(shí)驗作出判決。

1915年，里查森證明公式（28－2）中的A′是與材料無(wú)關(guān)的普適常數，于是更顯示出公式（28－2）的優(yōu)越。1923年，杜許曼（S.Dushman）推導出

基本上與實(shí)驗相符。

后來(lái)，量子力學(xué)發(fā)展了。令人驚奇的是，1911年里查森提出的第二個(gè)熱電子發(fā)射公式竟經(jīng)受住了量子理論的考驗。1927年——1928年，泡利和索末菲把費米-狄拉克量子統計分布用于金屬電子運動(dòng)，推出的熱電子發(fā)射公式和里查森的公式（28－2）完全一致。

里查森1879年出生在工業(yè)器材經(jīng)銷(xiāo)商的家庭里，從小就顯露天賦，12歲在中學(xué)以?xún)?yōu)異成績(jì)獲獎學(xué)金，贏(yíng)得過(guò)多項競賽，1897年靠獎學(xué)金進(jìn)入劍橋大學(xué)三一學(xué)院，在J.J.湯姆孫領(lǐng)導的卡文迪什實(shí)驗室學(xué)習。這一年正值J.J.湯姆孫發(fā)現電子。1900年里查森大學(xué)畢業(yè)，由于他對熱離子學(xué)的積極鉆研，學(xué)校留他在卡文迪什實(shí)驗室繼續研究。他的工作富于創(chuàng )造性，既認真實(shí)驗，也注重理論。1901年在劍橋哲學(xué)學(xué)會(huì )上宣讀了兩篇論文，第一次提出了熱離子遵守的規律，受到同行的好評。 1902年里查森被推選為三一學(xué)院委員（fellow），1906年，27歲的里查森應邀赴美，到普林斯頓大學(xué)任物理學(xué)教授，在那里繼續開(kāi)展熱離子學(xué)的研究。熱離子學(xué)（thermdionics）這個(gè)詞就是他在1909年作為論文題目首先提出的。里查森給研究生講課的講稿于1914年出版，書(shū)名《物質(zhì)的電子論》，后來(lái)成為對電子學(xué)和無(wú)線(xiàn)電有興趣的學(xué)生學(xué)習的主要課本。受他指導的研究生中有K.T.康普頓和A.H.康普頓兩兄弟。A.H.康普頓以發(fā)現“康普頓效應”獲1927年諾貝爾物理學(xué)獎。

他的另一位研究生戴維森因發(fā)現電子衍射獲1937年諾貝爾物理學(xué)獎。里查森把英國劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗室的作風(fēng)帶到美國，對美國的科學(xué)研究和人才培養起到了廣泛影響。

里查森1913年回到英國，歷任國王學(xué)院、倫敦大學(xué)物理學(xué)教授，英國協(xié)會(huì )A部主席（1921年），倫敦物理學(xué)會(huì )主席（1926年——1928 年）。1939年受封為爵士。 1914年以后，他除了繼續研究熱離子學(xué)外，還研究光電效應、磁學(xué)、化學(xué)作用引起的電子發(fā)射、電子論、量子論、氫分子光譜、軟X射線(xiàn)和氫譜Hα及氘譜Dα 的精細結構。他早年（1907年——1909年）就從熱電子發(fā)射對麥克斯韋分子速度分布律作過(guò)實(shí)驗驗征。后于1917年指導中國研究生丁燮林（丁西林）進(jìn)一步研究這個(gè)課題。丁燮林的論文發(fā)表于1921年。這是分子束方法尚未提出之前唯一可行的實(shí)驗驗證方法，有一定的理論價(jià)值。

在第二次世界大戰期間，里查森致力于雷達、聲納、電子檢測儀器以及磁控管、速調管等項目的研究。他的科學(xué)活動(dòng)和無(wú)線(xiàn)電電子學(xué)緊密相聯(lián)，不斷促進(jìn)無(wú)線(xiàn)電電子學(xué)的發(fā)展。他不愧為熱離子學(xué)（熱陰極電子學(xué)）的創(chuàng )始人。