卡文迪許實驗室

卡文迪許實驗室

卡文迪許實驗室是英國劍橋大學的物理實驗室。卡文廸許實驗室舊址入口實際上就是它的物理系。劍橋大學建于1209年,歷史悠久,與牛津大學同為英國的最高學府。劍橋大學的卡文迪許實驗室建于187l~1874年間,是當時劍橋大學的一位校長威廉·卡文迪許私人捐款興建的。他是十八~十九世紀對物理學和化學做出過巨大貢獻的科學家亨利·卡文迪許的近親。這個實驗室就取名卡文迪許實驗室,當時用了捐款8450英鎊,除去蓋成一棟實驗樓館,還買了一些儀器設備。

簡介

卡文迪許實驗室(Cavendish Laboratory)即是劍橋大學的物理系,由電磁學之父詹姆斯·克拉克·麥克斯韋于1871年創立,1874年建成實驗室。為紀念偉大的物理學家、化學家、劍橋大學校友亨利·卡文迪許,而命名為卡文迪許實驗室。劍橋大學時任校長威廉·卡文迪許(第7代德文郡公爵)是亨利·卡文迪許的親屬,私人捐助了8450英鎊以幫助實驗室的籌建。麥克斯韋而後獲聘為劍橋大學第一任卡文迪許物理教授(即實驗室主任)。由于麥克斯韋的崇高地位和卡文迪許實驗室的光輝歷史,卡文迪許物理教授已成為如盧卡斯數學教授般備受尊敬且代代相傳的榮譽頭銜,至今已傳至第九代。實驗室的研究領域包括天體物理學、粒子物理學固體物理學、生物物理學。卡文迪許實驗室是近代科學史上第一個社會化和專業化的科學實驗室,催生了大量足以影響人類進步的重要科學成果,包括發現電子、中子、發現原子核的結構、發現DNA的雙螺旋結構等,為人類的科學發展作出了舉足輕重的貢獻。

卡文迪許實驗室

英國是十九世紀最發達的資本主義國家之一。把物理實驗室從科學家私人住宅中擴展出來,成為一個研究單位,這種做法順應了十九世紀後半葉工業技術對科學發展的要求,為科學研究的開展起了很好的促進作用。隨著科學技術的發展,科學研究工作的規模越來越大,社會化和專業化是必然的趨勢。卡文迪許實驗室後來幾十年的歷史,證明劍橋大學這位校長是很有遠見的。

歷史發展

建立人:麥克斯韋

負責建立卡文迪許實驗室的是著名物理學家、電磁場理論的奠基人麥克斯韋。他還擔任了第一屆卡文迪許物理學教授,實際上就是實驗室主任或物理系主任,直至1879年因病去世(年僅四十八歲)。在他的主持下,卡文迪許實驗室開展了教學和多項科學研究,按照麥克斯韋的主張,在系統地講授物理學的同時,還輔以表演實驗。表演實驗則要求結構簡單,學生易于掌握。他說:"這些實驗的教育價值,往往與儀器的復雜性成反比,學生用自製儀器,雖然經常出毛病,但他卻會比用仔細調整好的儀器,學到更多的東西。仔細調整好的儀器學生易于依賴,而不敢拆成零件。"從那個時候起,使用自製儀器就形成了卡文迪許實驗室的傳統。

詹姆斯·麥克斯韋詹姆斯·麥克斯韋

實驗室附有工廠,可以製作很精密的儀器,麥克斯韋很重視科學方法的訓練,特別是科學史的研究。例如:他用了幾年的時間整理一百年前H.卡文迪許有關電學實驗的論著,並帶領大家重復和改進卡文迪許做過的一些實驗。有人不理解他的想法,但是後來證明麥克斯韋是有遠見的。同時,卡文迪許實驗室還進行了多項研究,例如:地磁、電磁波速度、電氣常數的精密測量、歐姆定律實驗、光譜實驗、雙軸晶體等等,這些工作起了為後人開闢道路的作用。

麥克斯韋的繼任者是斯特技特即瑞利第三。他在聲學和電學方面很有造詣。在他主持下,卡文迪許實驗室系統地開設了學生實驗。1884年,瑞利因被選為皇家學院教授而辭職,由二十八歲的J.J.湯姆遜繼任。

第三任:J.J.湯姆遜

J.J.湯姆遜(即約瑟夫·約翰·湯姆遜)對卡文迪許實驗室有卓越貢獻,在他的建議下,從1895年開始,卡文迪許實驗室實行吸收外校(包括國外)畢業生當研究生的製度,一批批的優秀青年陸續來到這裏,在J.J湯姆遜的指導下進行學習與研究。在他任職的三十五年間,卡文迪許實驗室的工作人員開展了如下工作:進行了氣體導電的研究,從而導致了電子的發現;進行了正射線的研究,發明了質譜儀,從而導致了同位素的研究;對基本電荷進行測量,不斷改進方法,為以後的油淌實驗奠定了基礎;膨脹雲室的發明,為基本粒子的研究提供了有力武器;電磁波和熱電子的研究導致了真空二極體三極體的發明,促進了無線電電子學的發展和套用。其他如X射線,放射性以及α、β射線的研究都處于世界領先地位。

卡文迪許實驗室在J.J.湯姆遜的領導下,建立了一整套研究生培養製度和良好的學風。他培養的研究生當中,著名的有盧瑟福、朗之萬、湯森德、麥克勒倫、W.L.布拉格、C.T.R.威爾遜、H.A.威爾遜、裏查森巴克拉等等,這些人都有重大建樹,其中有多人得諾貝爾獎,有的後來調到其他大學主持物理系工作,成為科學研究的中堅力量。

第四任:盧瑟福

1919年,J.J.湯姆遜讓位于他的學生歐內斯特·盧瑟福。盧瑟福是一位成績卓著的實驗物理學家,是原子核物理學的開創者。盧瑟福更重視對青年人的培養。在他的帶領下,查德威克發現了中子,考克拉夫特和瓦爾頓發明靜電加速器布拉凱特觀察到核反應,奧利法特發現氰,卡皮查在高電壓技術和低溫研究取得碩果,另外還有電離層的研究,空氣動力學和磁學的研究等等。

後繼者及現狀

1937年,盧瑟福去世後,由W.L.布拉格繼任第五屆教授,以後是莫特和皮帕德。七十年代以後,古老的卡文迪許實驗室大大地擴建了,研究的領域包括天體物理學,粒子物理學,固體物理以及生物物理等等。卡文迪許實驗室至今仍不失為世界著名實驗室之一。

應該指出,卡文迪許實驗室之所以能在近代物理學的發展中做出這麽多的貢獻,有它特定的時代背景和社會條件,但是它創造的經驗還是很值得人們吸取和借鏡的。

諾獎得主

卡文迪許實驗室作為劍橋大學物理科學院的一個系,從1904年至1989年的85年間一共產生了29位諾貝爾獎得主,佔劍橋大學諾獎總數的三分之一。若將其視為一所大學,則其獲獎人數可列全球第20位,與斯坦福大學並列。其科研效率之驚人,成果之豐碩,舉世無雙。在鼎盛時期甚至獲譽"全世界二分之一的物理學發現都來自卡文迪許實驗室。"

獲獎者及主要成就:

約翰·斯特拉斯,第三代瑞利男爵(物理, 1904)研究氣體密度,並從中發現氬

約瑟夫·湯姆孫(物理, 1906)發現電子;認識到電子是亞原子粒子;(其子後來亦獲物理學獎)

歐內斯特·盧瑟福(化學, 1908)發現了放射性的半衰期,並將放射性物質命名為α射線β射線

威廉·勞倫斯·布拉格(物理, 1915)開展用X射線分析晶體結構的研究(25歲獲獎,為最年輕得主)

查爾斯·格洛弗·巴克拉(物理, 1917)發現X射線的散射現象

弗朗西斯·阿斯頓(化學, 1922)借助質譜儀發現了大量非放射性元素的同位素,並闡明了整數法則

查爾斯·威耳遜(物理, 1927)發明雲室,用以觀察α粒子與電子的軌跡

阿瑟·康普頓(物理, 1927)發現康普頓效應

歐文·理查森(物理, 1928)發現理查森定律

詹姆斯·查德威克(物理, 1935)發現中子

喬治·湯姆孫(物理, 1937)發現電子具有波的性質(約瑟夫·湯姆孫之子)

愛德華·阿普爾頓(物理, 1947)發現高度約為150英裏(241千米)的電離層,即阿普爾頓層

帕特裏克·布萊克特(物理, 1948)使用反控製雲室觀察宇宙射線

約翰·考克饒夫(物理, 1951)使用粒子加速器研究原子核

歐內斯特·沃吞(物理, 1951)歷史上第一位人為分裂原子核的人,證明了原子結構理論

弗朗西斯·克裏克(生理學或醫學, 1962)與沃森共同發現了脫氧核糖核酸(DNA)的雙螺旋結構

詹姆斯·杜威·沃森(生理學或醫學, 1962)與克裏克共同發現了脫氧核糖核酸(DNA)的雙螺旋結構

馬克斯·佩魯茨(化學, 1962)與肯德魯共同確定了血紅素和球蛋白的分子結構

約翰·肯德魯(化學, 1962)與佩魯茨共同確定了血紅素和球蛋白的分子結構

多蘿西·克勞福特·霍奇金(化學, 1964)確定了青酶素和維生素B12的結構

布賴恩·約瑟夫森(物理, 1973)預言並發現約瑟夫森結效應

馬丁·賴爾(物理, 1974)首位獲得諾貝爾獎的天文學家

安東尼·休伊什(物理, 1974)發現脈沖星

內維爾·莫特(物理, 1977)同安德森發展出磁性和無序體系電子結構的基礎性理論

菲利普·安德森(物理, 1977)同莫特發展出磁性和無序體系電子結構的基礎性理論

彼得·卡皮查(物理, 1978)發現超流體

阿蘭·麥克萊德·科馬克(生理學或醫學, 1979)成功進行X射線成像分析

亞倫·克拉格(化學, 1982)使用晶體電子顯微鏡研究病毒及類似物質的結構

諾曼·拉姆齊(物理, 1989)研發超精密銫原子鍾和氫微波激射器

扭秤實驗

英國物理學家卡文迪許于1789年測量引力常量時發明的物理儀器

卡文迪許實驗室

原理

利用了二次放大法

1,盡可能地增大了T型架連線兩球的長度使兩球間萬有引力產生較大的力矩,使桿偏轉

2,盡力的增大弧度尺與系統的距離使小鏡子的反射光在弧線上轉動了較大角度

引力常量G=6.67*10^(-11)

演示卡文迪許扭秤實驗

1789年,英國物理學 家卡文迪許(H.Cavendish)利用扭秤,成功地測出了引力常量的數值,證明了萬有引力定律的正確。 卡文迪許解決問題的思路是,將不易觀察的微小變化量,轉化為容易觀察的顯著變化量,再根據顯著變化量與微小量的關系算出微小的變化量

實驗原理

卡文迪許用一個質量大的鐵球和一個質量小的鐵球分別放在扭秤的兩端。扭秤中間用一根韌性很好的鋼絲系在支架上,鋼絲上有個小鏡子。用雷射照射鏡子,雷射反射到一個很遠的地方,標記下此時雷射所在的點。

用兩個質量一樣的鐵球同時分別吸引扭秤上的兩個鐵球。由于萬有引力作用。扭秤微微偏轉。但雷射所反射的遠點卻移動了較大的距離。他用此計算出了萬有引力公式中的常數G。

此實驗的巧妙之處在于將微弱的力的作用進行了放大。

尤其是光的反射的利用

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