1926年诺贝尔物理学奖.doc

1926年諾貝爾物理學獎1926年諾貝爾物理學獎 物質結構的不連續性 1926年諾貝爾物理學獎授予法國巴黎索本大學的佩蘭(Jean Baptiste Perrin，18701942)，以表彰他在物質不連續結構方面的工作，特別是對沉積平衡的發現。 佩蘭關於物質不連續結構的工作，主要指的是他對布朗運動的研究。 布朗運動是由分子無規則熱運動引起的，它是證明分子存在的最有力的證據。但是這個結論並不是輕而易舉就能得到的。經過理論和實驗兩方面的努力，才得到大多數科學家的承認。理論方面的工作主要是愛因斯坦完成的，而實驗方面則主要是指佩蘭的乳濁液沉積實驗。 19世紀後半葉，由於熱力學和分子物理學的發展，逐漸有人認識到，在布朗運動和分子熱運動之間必有某種聯繫。例如，19世紀70年代末，卡彭涅耳神父(Father Carbonnelle)就作過這樣的解釋：“在懸浮液體中的顆粒如果表面較大，液體分子對其碰撞所形成的壓力（壓強），並不會使該顆粒產生移位效應，因為分子對顆粒的各個方向的作用都是相同的，合力為零。但是如果顆粒的表面較小，小到我們所考慮的壓力（壓強）彼此不能平衡，就會使顆粒所受合力不為零，並且方向大小都不斷變化。”這一解釋是正確的，但是只停留在假設階段，還沒有上升到能夠用實驗進行檢驗的嚴格理論，同時也沒有適當的實驗能夠證明它就是分子熱運動引起的現象。1905年愛因斯坦在全面地研究了熱力學和統計物理學之後，運用物理學中完全不相干的兩個領域的成果，對布朗運動進行了理論分析。 這就是：流體動力學中的斯托克司定律f=6av（其中f為小球在液體中運動所受阻力，為液體的粘滯係數，a為小球半徑，v為小球運動速度）和溶液理論中的滲透壓公式（其中R為氣體常數，T為絕對溫度，NA為亞佛加厥常數，n為單位體積所含懸浮小球數），他把懸浮小球的擴散看成是一個動態平衡過程，應用上面兩個定律和關於動態平衡的兩個條件： 及 ，即可得到擴散係數接著他又從懸浮微粒的不規則運動用統計方法得出方均根位移：t為時間。將上兩式消去D可得利用這一關係可以求出亞佛加厥常數，其中x，T，a，t都是可以直接測量的。這樣，愛因斯坦就找到一個明確的關係計算亞佛加厥常數NA，再看是否與已知的NA值相符，就可以從實驗檢驗理論的正確性。 1906年，愛因斯坦又發表了“布朗運動理論”一文，討論了在平衡態下液體中懸浮顆粒按高度分布的問題，得出下列關係：其中dW是顆粒出現在x到x+dx之間的幾率，V是粒子體積，是顆粒密度，0為液體密度，g是重力加速度。 佩蘭正是在愛因斯坦的布朗運動理論指導下對愛因斯坦的上述方程進行全面的實驗檢驗。他早年曾因陰極射線的研究獲倫敦皇家學會的焦耳獎。這項研究是J.J.湯姆森發現電子的先奏。1901年佩蘭曾提出過有核行星原子模型。 佩蘭在1906年開始對布朗運動發生興趣，這時正好愛因斯坦發表了有關布朗運動的論文。1908年佩蘭將愛因斯坦的高度分布公式改寫成乳濁液分布方程：其中n0和n是高度差h兩端處的濃度。 首先是要選擇適當的物質做成乳濁液。佩蘭經過多次試驗，找到藤黃和乳香這兩種乳濁液。藤黃是一種水彩顏料；乳香是清漆的原料。佩蘭特別注意到這兩種乳濁液的顆粒都是球形的，可以利用公式 建立體積V和半徑a之間的關係。 為了選擇半徑相同的微粒進行實驗，佩蘭採用“離心分類”方法。這個方法很巧妙，但很費事。他在離心機的試管中載入純乳濁液，深度一定（例如10釐米），轉速一定（例如每秒30轉），轉60分鐘，待自行停止後等幾分鐘。這時沉澱在試管底部的顆粒基本上都大於某一半徑，例如a1。當然還可能會有少量半徑小於a1的夾在中間。小心地用吸管吸出面上的液體，這時小於a1的微粒隨液體一起被吸走。重新灌上蒸餾水，搖勻後再按同樣的時間重新分離，這時得到的沉澱物中含小於a1的微粒會更少。如此重複多次，直到沉澱物上面的水完全是清的，此時再也沒有半徑小於a1的顆粒。 然後，縮短離心旋轉時間，則沉澱於底部的顆粒半徑應大於a1，設為a2，於是在a1與a2之間的顆粒仍懸浮在液體中，如果a1、a2非常接近，這時就得到了一種顆粒非常均勻的乳濁液。 乳濁液中顆粒的密度用兩種方法測定。一種是蒸乾水份後直接測其重量，另一種是將乳濁液與水比較。兩種方法的結果非常吻合。 將厚度為0.1毫米的有圓孔的玻璃片放在顯微鏡的載玻片上，構成一扁平的圓形容器，將一滴均勻的乳濁液置於容器上面，用玻璃蓋蓋好，再用石蠟或漆密封，以防液體蒸發。這樣配製的樣品可以供幾星期之用。把樣品放在顯微鏡的工作台上，工作台務求水平。使用的鏡頭放大倍數很高，但景深很小，約1微米，所以只能觀察到極薄的一層顆粒，上下移動鏡筒，可以觀察到許多層。 下一步是要測出給定面積的顆粒數。這可不是一件簡單的工作，因為顆粒處在活動之中，幾百個顆粒在視場中無規則地亂闖，時隱時現，這是無論如何也數不清楚的。機敏的佩蘭，想到用照相術，這個方法果然奏效。他採取對同一層多次拍照的辦法，數出每張照片上的顆粒數，再加以平均。然而直徑比0.5微米小的顆粒往往在照片上也看不清楚，於是，他又想了一個辦法：在顯微鏡的焦平面上放一塊不透明的箔片，再用細針在箔片上紮一小孔，把視場限制在這個小孔裏，用肉眼經顯微鏡觀察一瞬間的顆粒數，每隔一定時間，例如15秒鐘，讀一次數。讀取多遍求出平均值就可看成是顆粒出現的平均頻數。將顯微鏡調到另一層，重複讀數。這兩個平均頻數之比就是濃度比。用這種方法測量，要達到一定的精度，沒有幾千次計數是不行的。 怎樣確定顆粒的半徑呢？佩蘭也用了不止一種方法。第一種方法是利用斯托克司定律，在密度為，粘滯係數為的液體中，半徑為a、密度為的小球，以終端速度v下落時，它所受的重力應與阻力和浮力平衡，即 實驗中把乳濁液倒入毛細管中，置於恆溫槽內，乳濁液頂層每天下降一定距離，例如幾毫米，每隔一晝夜記錄一次高度，由此測定下降速度v，從而可算出半徑a。 第二種方法是滴定統計體積已知的標準乳濁液中的顆粒數。所謂標準乳濁液是指濃度已知的乳濁液。統計顆粒數的方法也很特別。佩蘭注意到在弱酸介質中（例如1升有0.01mole的酸）藤黃或乳香的顆粒會聚集並附著在容器器壁上。他將乳濁液搖勻後，與弱酸液混合再搖勻，從中取一滴置於顯微鏡載玻片上，用邊緣塗有石蠟的蓋玻片推勻（塗石蠟的目的是避免蓋玻片攜走顆粒），片刻，所有的顆粒都附著在載玻片上。佩蘭用照相機的顯畫器把載玻片表面放大後投影在平板上，即可用紙描下顆粒的位置，從而求出顆粒半徑。 第三種方法是通過顯微鏡直接測量。這種方法適用於較大的顆粒（直徑大於0.5微米）。在顯微鏡下直接觀察單個顆粒會因為繞射（衍射）效應看不真實，但排列整齊的一連串顆粒則便於測準。 佩蘭根據這三種方法所測顆粒半徑確定亞佛加厥常數NA值，其中半徑為21.2108米的一組數據，計算得結果為NA = 7.051023/mole。三種方法測出的數據比較一致，都在每mole5.01023個至8.01023個之間。從而佩蘭得出結論：“分子的客觀現實性是很難否定的了。”但是，佩蘭並沒有到此止步，他又著手進行新的研究。他和他的學生肖塞格(Chaudesaigues)進一步驗證愛因斯坦布朗運動理論中的位移公式。 這方面的實驗在佩蘭之前已經有好幾個人作過。其中一位叫斯維德伯(Svedberg)，他測得的位移比愛因斯坦公式所預料的大67倍。還有一位叫亨裏(Victor Henri)的，用電影記錄下布朗運動的軌跡，結果也偏大4倍。 1908年11月30日肖塞格報告了一種檢驗愛因斯坦位移公式的新方法。他們沒有精密定時的攝影裝置，就用照相機的映畫器將顆粒的位置顯示在紙面上，跟蹤一個顆粒，每隔半分鐘標一次位置，讀四次後另換一個顆粒重複觀測。他用了兩種粘滯性不同的液體，每種選50個顆粒。分別得到NA值為7.31023/mole和6.81023/mole。 關於這個實驗，佩蘭在諾貝爾獎領獎詞中說道：“在幾位合作者的幫助下，我作了幾個系列的測量，我不僅改變微粒的大小（170000），而且還改變液體的性質（水、糖或尿素溶液、甘油）和粘度（1125），得到的數值在551022到721022之間，數值上的差別可用實驗誤差來解釋。這些數值的如此一致，使人們不可能懷疑平移布朗運動的分子運動理論的正確性。” 1910年佩蘭又進一步作實驗，驗證愛因斯坦的轉動布朗運動公式，並且得到了同樣的NA值：6.51023。佩蘭的上述實驗證明了液體中布朗微粒的乳濁液分布方程和布朗運動的位移公式，從而為原子的存在提供了直接證據。過去還有人認為這不過是一種假說，1908年以後就很少有不相信原子的物理學家了。 佩蘭l870年9月20日生於法國裏爾。他在這裏的一所高等師範學院讀書。18941897年間是物理助教，開始研究的是陰極射線和 X射線，1897年因寫出陰極射線和倫琴射線的論文而獲得“科學博士”學位，同年任巴黎大學神學院物理化學講師。1910年他晉升為這所學院的教授。1940年德國佔領法國以前，他一直擔任這個職務。 佩蘭最初在研究陰極射線性質時，證明了陰極射線具有負電粒子的性質。他還研究了X射線對氣體導電的影響。此外，他研究了螢光、鐳的衰變以及聲音的發射和傳播。 佩蘭是法國國家科學研究中心的創始人。國家科學研究中心是除了大學以外最有希望的法國科學家的一個機構，如果沒有這樣一個機構，他們的科學才能就會被埋沒。正是由於有了這個研究