理查森(理查森定理)

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理查森的生平事迹有哪些？

理查森(1879—1959)是英国物理学家。他因发现热离子基本定律3354理查森定律而获得1928年诺贝尔物理学奖。理查森出生在英国约克郡的杜斯堡，是家中的独生子。1897年，理查森进入剑桥大学。他在自然科学考试中成绩很好，尤其是物理和化学。他在那种学术氛围下潜心学习，为以后的事业打下了坚实的基础。剑桥大学毕业后，他来到卡文迪许实验室做热离子发射的研究。他对自己的研究一直充满信心。他在剑桥大学教电学时，对热离子学有独特的看法，但学生们从未听说过，对他的想法感到困惑，对其中的奥秘不感兴趣，所以不太尊重他。后来他的教学时间逐渐减少，引起了一些人的误解。然而，他却安之若素，从不懈怠研究。他经常对自己的密友说，从学问的萌芽到普及，往往在一个人的一生中是不为人知的。他说：“当哥伦布声称发现了新大陆时，谁会相信呢？”普林斯顿大学聘请他从事教学和研究。这是理查森第一次去美国。学校派人去码头接他们。船上的乘客都走了，也没见到一个教授模样的英国人，只好空手而归。理查森已经到学校了。因为他看起来根本不像教授，更像是个打杂的，并没有引起人们的注意。他在普林斯顿大学工作了七年，几乎去过两个地方：一个是他的研究所，一个是课堂。他去了纽约三次，在纽约市中心迷路三次。他发誓再也不去那个“摇头丸”了。理查森简单，平易近人。他非常珍惜日常用品。一件衣服穿了十几年没有一点破损，但是颜色已经褪色，款式陈旧。他几乎所有时间都穿着电气实验室的工作服，只有周日去教堂做礼拜的时候才穿得整整齐齐。他去教堂穿的唯一一件“衣服”是他上大学时母亲送给他的礼物。但是，他对别人很大方。有一次，听说一个工人的母亲得了重病，理查森马上把自己的工资寄给母亲治疗。他不看重钱，自己也不会享受。理查森忙了一辈子，难得放松一下。他去幽静的旷野散步，一定是因为遇到了学术难题，一时得不到答案。他证明了高温下的物质和暴露在紫外线下的金属可以发射电子。他第一个研究了真空中热物体的电子逃逸现象，并给出了完整的解释。他还研究了与化学作用有关的电子发射。他还对紫外光谱和X射线光谱的研究做出了重要贡献。也许正是因为只能工作不能生活，他才成为了热电子的创始人。

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1928年诺贝尔物理学奖3354热离子发射定律1928年诺贝尔物理学奖授予英国伦敦大学的西罗文威兰理查森(187933541959)，以表彰他在热离子发射现象方面的工作，尤其是发现了以他命名的定律。20世纪上半叶，物理学在工程技术中最引人注目的应用之一是无线电电子学。无线电的基础是热离子发射。当时有个叫热电子学的学科研究热离子发射。热电子发射定律的发现对无线电电子学的发展影响深远，因为无论是早期的二极管、三极管，还是后来的X射线管、电子显像管、磁控管、速调管，都离不开发射电子的热阴极的发展。要使这些器件高效率、长寿命地工作，关键是要设计合理的电子发射机制。O.W .理查森定律为此指出了方向。这个案例再次证明了基础研究对科学技术的重要性。对热现象的观察可以追溯到200多年前。那时，人们已经知道热物体附近的空气会失去绝缘而导电。在1725年，杜菲(迪费)注意到了这一现象，然后托尔(杜图尔，1745)、沃森(Watson，1746)、普里斯特利和卡瓦洛(1785)进行了连续的观察。1853年，贝克雷尔证明了白热空气只用几伏电压就能导电。1881年，布隆德洛特进一步肯定了上述结论，证明即使电压低至1/1000V，白热空气也无法保持绝缘。后来，研究人员转向热物体对空气传导的影响，并致力于追踪这种影响的根源。1873年，F.Guthrie给加热的铁球充电，发现热铁球可以保留负电，但不能保留正电。一个热铁球既不能带负电，也不能带正电。J.Elster和F.Geitel在1882年进行了一系列实验研究，——1889，检测了各种气体中不同压力下各种热丝附近的绝缘金属板上积累的电荷，得到了一个结论：在低温高压下，金属板带正电荷；在高温低气压条件下，金属板带负电。这时，发明家爱迪生正在研究电灯泡。他在灯泡中的灯丝附近安装了一块金属片，发现当金属片通过检流计连接到灯丝电源的正极时，检流计的指针发生偏转，说明有电流穿过灯丝到金属片的空间。这就是所谓的爱迪生效应。但爱迪生当时并不了解这种电流的本质。1897年，J.J .唐慕孙通过测量阴极射线的荷质比(e/m)发现了电子。1899年，他进一步研究了爱迪生效应中通过空间的电流，用磁偏法测量了它的荷质比，证明了这个电流也是由电子组成的。第二年，他的学生麦克勒阿兰德(Mackler Allend)指出，只要周围气体的压力足够低，带负电的铂丝发出的电流几乎完全不受气体性质和压力变化的影响。这些结果引起了汤慕孙的另一个年轻学生的极大兴趣，那就是理查森。在导师的鼓励下，他热情地投身于这项研究。理查森从1900年开始致力于热离子现象的研究，历时十余年。一方面，他不知疲倦地从事实验工作；另一方面，在理论分析方面也做了很大的努力。理查森面临着一个非常复杂的现象。没有理论的指导，只能停留在表面，难以探索事物的本质；如果没有准确的数据，再好的理论也无法得到证实。前人的研究成果固然提供了许多有用的依据，但也充满了各种各样的见解。比如，有人认为热离子现象是以太行为的一种表现；有人把气体传导现象归结于以太；也有人认为不同的材料性质不同，所以放出的电荷不同；也有人认为这是化学效应，是热物体与周围气体分子相互作用的结果。

21岁的理查森从导师J.J .唐慕孙和同学麦克勒伦的实验结果中得到启发，认定只要尽量抽真空，排除残余气体，然后直接研究饱和电流，就有可能抓住事物的本质。至于实验工作的难度，从1928年理查森的诺贝尔奖获奖感言中就能看出一二。他说：“我意识到，取得进展的最佳方式是避免气体存在的复杂性，并试图找出气体效应消除后会发生什么。在本世纪初解决这个问题并不像现在这样容易。主要是因为这种现象的技术重要性，从那以后，泵浦技术得到了很大的发展。只能靠手泵抽水。因为热送丝器对墙体等部位的加热会产生无休止的放气，抽气是最无聊的操作。我经常将管中的金属丝加热几个星期，以确保观察到的电流是稳定的，与残余气体无关。”他的真空管中充满了铂丝，铂丝周围是金属圆柱体作为阳极，在电极之间施加足够强的电场。从铂丝的电阻变化可以计算出温度。改变铂丝的温度t，但不足以通过实验获得严格的函数关系。理查森坚信，热丝周围的电荷主要是热运动从热丝内部逸出的自由电子，而不是什么以太效应，这一点J.J .唐慕孙的荷质比实验可以证明。如果把这些电子看作电子气，就有可能像分子运动理论对待理想气体一样，推导出饱和电流随温度变化的公式。理查森推导这个公式的基本思想是，铁水中有大量自由运动的电子。当电子到达金属表面时，如果垂直于表面的速度分量所确定的动能大于功函数W，则电子可能从金属表面逃逸，电子的速度分布遵循麦克斯韦-玻尔兹曼分布定律。通过计算得出，I是热物体发射的饱和电流密度，K是玻尔兹曼常数，A是与物质有关的系数。Richardson的实验数据表明，理论与实验符合得很好。这是理查森在1901年发表的基本内容。理查森进一步研究了热天体周围的正离子。他通过大量的实验终于想通了，正离子的产生是非常复杂的。有些是电极加热时自身散发的，有些是杂质造成的，有些真的是因为加热电极和周围气体的相互作用。理查森还发现，固体样品第一次加热时，总会放出大量正离子，形成瞬态电流。杂质去除后，正离子稳定发射。瞬态电流明显是杂质引起的，而稳态电流是由电极材料本身产生的正离子组成的。为了检验推导公式(28-1)所依据的基本前提是否正确，理查森提出了两种方法。一种方式是，如果电子确实通过克服功函数W的动能逃离热物体，热物体将通过这个过程冷却。因此，理查森在1903年做了一个计算。1909年，A. Woeller和F.Jentzsch的第一次实验证实数值与理论不符。1915年，理查森和H.L .库克合作改进实验方法，最终证实了理论的正确性。另一种方式是相反的过程。理查森提出，如果电子束从外面流入导体，导体应该会发热，而发热与温度或驱动电子流的电位差无关。1910年，——1911年，理查森和库克的实验也肯定地证明了这一点。直到1913年，还有人怀疑热离子发射的理论，一直认为这不是物理问题，而是化学问题，是热物体与周围气体发生化学反应而产生的二次过程。1913年，理查森用压延性好的钨代替铂作为热丝。在更好的真空条件下，产生了更大的发射电流。他证明了发射电子的质量大大超过了可能被消耗的化学物质的质量之和。所以他令人信服地做出了判断

1911年，Richardson用热力学方法严格推导了热离子发射的公式，考虑到电子对金属比热没有贡献，得到了第二个公式：I=AT2EXP(-W2/KT)(28-2)，其中A和W是与A和W不同的两个系数，但可以相互计算。两个公式，一个与T1/2有关，另一个与T2有关。理查森认为公式(28-2)更可取，因为它有更好的理论基础。两个公式在误差范围内与实验一致，无法通过实验做出判断。1915年，Richardson证明了公式(28-2)中的A “是一个与物质无关的普适常数，从而显示了公式(28-2)的优越性。1923年，S.Dushman推导出与实验基本一致。后来量子力学发展起来了。令人惊讶的是，理查森在1911年提出的第二个热离子发射公式经受住了量子理论的考验。1927-1928年，泡利和索末菲将费米-狄拉克量子统计分布应用于金属电子的运动，推导出的热电子发射公式与理查森公式(28-2)完全一致。理查森1879年出生于一个工业设备经销商家庭。他从小就显示出他的才能。12岁时，他在中学以优异的成绩获得了奖学金，并赢得了许多比赛。1897年，他凭奖学金进入剑桥大学三一学院，在J.J .汤慕孙领导的卡文迪许实验室学习。这一年恰逢J.J .唐慕孙发现电子。1900年，理查森大学毕业。由于他对热电子学的积极研究，学校把他留在卡文迪许实验室继续研究。他的工作充满了创造性，他注重实验和理论。1901年，他在剑桥哲学会上宣读了两篇论文，首次提出了热离子遵从定律，受到同行的好评。1902年，理查森当选为三一学院院士。1906年，27岁的理查森被邀请到美国，成为普林斯顿大学的一名物理学教授，在那里他继续进行热电子学的研究。热动力学这个词是他在1909年首次提出的，作为他论文的标题。理查森的研究生讲义于1914年出版，书名为《物质的电子论》，后来成为对电子学和无线电感兴趣的学生的主要教材。在他的研究生中，K.T .康普顿和A.H .康普顿是两兄弟。A.H .康普顿因发现“康普顿效应”获得1927年诺贝尔物理学奖。他的另一个研究生戴维森因发现电子衍射获得了1937年的诺贝尔物理学奖。理查森把剑桥大学卡文迪什实验室的风格带到了美国，对美国的科学研究和人才培养产生了广泛的影响。理查森于1913年返回英国，先后担任伦敦大学国王学院物理学教授、英国协会A分会主席(1921年)、伦敦物理学会主席(1926-1928年)。他于1939年被封为爵士。1914年后，他除了继续研究热电子学，还研究了光电效应、磁学、化学作用引起的电子发射、电子理论、量子理论、氢分子谱、软X射线以及氢谱H和氘谱D的精细结构。他早年(——1909，1907)从热离子发射实验麦克斯韦分子速度分布定律。1917年，他指导中国研究生丁(丁西林)进一步研究这一课题。丁的论文发表于1921年。这是分子束方法提出之前唯一可行的实验验证方法，具有一定的理论价值。第二次世界大战期间，理查森致力于雷达、声纳、电子探测仪器、磁控管、速调管等项目的研究。他的科学活动与无线电电子学密切相关，并不断推动无线电电子学的发展。他不愧是热电子学(热阴极电子学)的创始人。