理查森（熱離子學(xué)的創(chuàng)始人）

理查森，1928年因為發(fā)現(xiàn)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。

個人簡介

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(xiàn)象的工作，特別是發(fā)現(xiàn)了以他的名字命名的定律。

主要貢獻(xiàn)

20世紀(jì)前半葉，物理學(xué)在工程技術(shù)方面最引人注目的應(yīng)用之一是在無線電電子學(xué)方面。無線電電子學(xué)的基礎(chǔ)是熱電子發(fā)射。當(dāng)時名為熱離子學(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(xiàn)對無線電電子學(xué)的發(fā)展有深遠(yuǎn)影響，因為不論是早期的二極管和三極管，還是后來的X射線管、電子顯像管和磁控管、速調(diào)管，都離不開發(fā)射電子的熱陰極。要使這些器件能夠高效率、長壽命地工作，關(guān)鍵在于設(shè)計合理的電子發(fā)射機(jī)構(gòu)。 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(chǔ)研究對科學(xué)技術(shù)的重要意義。

熱離子現(xiàn)象

熱離子現(xiàn)象的觀測可以溯源到二百多年前，那時人們已經(jīng)知道，灼熱物體附近的空氣會失去絕緣性能而導(dǎo)電， 1725年杜菲（Du Fay）就注意到了這一現(xiàn)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(dǎo)電；1881年布朗諾（Blondlot）進(jìn)一步肯定了上述結(jié)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。后來研究者轉(zhuǎn)向灼熱物體對空氣導(dǎo)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(xiàn)紅熱的鐵球雖能保留負(fù)電，卻不能保留正電；白熱的鐵球既不能保留負(fù)電，也不能保留正電。愛斯特（J.Elster）和蓋特爾（F.Geitel）在 1882年——1889年進(jìn)行了一系列實驗研究，檢測了在不同壓強(qiáng)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(jié)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(fù)電。

此時發(fā)明家愛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(dāng)金屬片經(jīng)電流計同燈絲電源的正極接通時，電流計的指針偏轉(zhuǎn)，顯示有電流從燈絲越過空間到達(dá)金屬片。這就是所謂的愛迪生效應(yīng)。但在當(dāng)時愛迪生并沒有搞清楚這一電流的本質(zhì)。

發(fā)現(xiàn)電子

1897年，J.J.湯姆孫通過陰極射線荷質(zhì)比（e/m）的測量發(fā)現(xiàn)了電子。1899年他進(jìn)一步研究了愛迪生效應(yīng)中越過空間的電流，用磁偏法測出其荷質(zhì)比，證實這種電流也是由電子組成。第二年他的學(xué)生麥克勒倫（McClellend）指出只要周圍氣體的壓強(qiáng)足夠低，從帶負(fù)電的鉑絲放出的電流就幾乎完全不受氣體性質(zhì)和壓強(qiáng)變化的影響。這些結(jié)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(dǎo)師的鼓勵下，他熱忱地投身于這項研究中。

離子現(xiàn)象的研究

里查森從1900年起投身于熱離子現(xiàn)象的研究，前后歷時十余年。他一方面不屈不撓地從事實驗工作；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(fù)雜的現(xiàn)象。如果沒有理論指導(dǎo)，就只能停留在表面現(xiàn)象，難以探討事物的本質(zhì)；如果不掌握精確的數(shù)據(jù)資料，再好的理論也得不到證實。前人的研究成果固然提供了許多有用的依據(jù)，但也充斥著形形色色的說法。例如：有人認(rèn)為熱離子現(xiàn)象是以太行為的某種表現(xiàn)；有人把氣體導(dǎo)電現(xiàn)象歸因于以太；也有人認(rèn)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(rèn)為這是一種化學(xué)效應(yīng)，是由于熱體和周圍的氣體分子相互作用的結(jié)果。

獲得諾貝爾獎

21歲的里查森從導(dǎo)師J.J.湯姆孫和同學(xué)麥克勒倫的實驗結(jié)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)于實驗工作的艱難，從里查森1928 年諾貝爾領(lǐng)獎詞中可窺見一二。他說：“我認(rèn)識到，要取得進(jìn)展，最好的辦法是避免由于氣體在場的復(fù)雜性，盡可能搞清楚氣體效應(yīng)排除之后會出現(xiàn)什么情況。本世紀(jì)之初解決這個問題不像現(xiàn)在（注：指1928年）這樣容易。主要是由于這個現(xiàn)象在技術(shù)上的重要性，從那時起抽氣工藝已大大地發(fā)展了。當(dāng)中只有靠手搖泵抽氣。由于熱絲給器壁和其它部分加熱會產(chǎn)生無休止的放氣，抽氣是一件最厭煩的操作。我常常連續(xù)幾個星期給管中金屬絲加熱，來保證觀察到的電流穩(wěn)定，并保證這個電流與殘余氣體無關(guān)?！?/p>

他的真空管里裝有鉑絲，鉑絲周圍是一金屬筒作為陽極，電極間加足夠強(qiáng)的電場。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(yán)格的函數(shù)關(guān)系光靠實驗是不夠的。里查森堅信熱絲周圍的電荷主要是從熱絲內(nèi)部由于熱運(yùn)動逸出的自由電子，而不是什么以太效應(yīng)，這可從 J.J.湯姆孫的荷質(zhì)比實驗得到證明。把這些電子看成電子氣，就有可能象分子運(yùn)動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(dǎo)這一公式的基本思想是：在熱金屬內(nèi)部充有大量自由運(yùn)動的電子，當(dāng)電子到達(dá)金屬表面時，如果和表面垂直的速度分量所決定的動能大于逸出功W，這個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(shù)，A是與材料有關(guān)的系數(shù)。里查森的實驗數(shù)據(jù)表明，理論與實驗符合甚好。

發(fā)表文章

這就是1901年里查森發(fā)表的基本內(nèi)容。

里查森進(jìn)一步研究熱體周圍的正離子。他通過大量實驗終于搞清楚，正離子的產(chǎn)生非常復(fù)雜。有的是電極本身在加熱時發(fā)出的，有的是雜質(zhì)引起的，有的確是由于加熱電極與周圍氣體之間的相互作用。

里查森還發(fā)現(xiàn)固體樣品在第一次加熱時總要先發(fā)射大量正離子，形成瞬態(tài)電流。去掉雜質(zhì)后，才開始穩(wěn)定地發(fā)射正離子。瞬態(tài)電流顯然是雜質(zhì)引起的，穩(wěn)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(dǎo)公式（28 －1）所依據(jù)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是依靠克服了逸出功W的動能從熱體逸出，則熱體必會由于這個過程而降溫。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）首次實驗證實，不過數(shù)值與理論不符。1915年里查森和庫克（H.L.Cooke）合作，改進(jìn)實驗方法，最終確認(rèn)了理論的正確。

另一途徑是其逆過程。里查森提出，如果電子束是從外部流進(jìn)導(dǎo)體，則導(dǎo)體應(yīng)發(fā)熱，熱量既與溫度無關(guān)，也與驅(qū)動電子流的電勢差無關(guān)。1910年——1911年，里查森和庫克的實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(rèn)為這不是物理問題，而是化學(xué)問題，是由于熱體與周圍氣體產(chǎn)生化學(xué)作用的某種二次過程。 1913年，里查森用壓延性良好的鎢代替鉑充當(dāng)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)射出來的電子所具有的質(zhì)量大大超過可能消耗掉的化學(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(yán)格推導(dǎo)，在推導(dǎo)中考慮到電子對金屬比熱不作貢獻(xiàn)的事實，得出第二個公式：

i=A′T2exp（－W2/kT） （28- 2）

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

兩個公式，一個與T1/2有關(guān)，一個與T2有關(guān)。里查森認(rèn)為公式（28－2）可取，因為它具有更好的理論基礎(chǔ)。兩個公式都在誤差范圍內(nèi)與實驗相符，無法用實驗作出判決。

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

基本上與實驗相符。

后來，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(tǒng)計分布用于金屬電子運(yùn)動，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)銷商的家庭里，從小就顯露天賦，12歲在中學(xué)以優(yōu)異成績獲獎學(xué)金，贏得過多項競賽，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(dǎo)的卡文迪什實驗室學(xué)習(xí)。這一年正值J.J.湯姆孫發(fā)現(xiàn)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驗室繼續(xù)研究。他的工作富于創(chuàng)造性，既認(rèn)真實驗，也注重理論。1901年在劍橋哲學(xué)學(xué)會上宣讀了兩篇論文，第一次提出了熱離子遵守的規(guī)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(yīng)邀赴美，到普林斯頓大學(xué)任物理學(xué)教授，在那里繼續(xù)開展熱離子學(xué)的研究。熱離子學(xué)（thermdionics）這個詞就是他在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，書名《物質(zhì)的電子論》，后來成為對電子學(xué)和無線電有興趣的學(xué)生學(xué)習(xí)的主要課本。受他指導(dǎo)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(xiàn)“康普頓效應(yīng)”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(xiàn)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)卡文迪什實驗室的作風(fēng)帶到美國，對美國的科學(xué)研究和人才培養(yǎng)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A部主席（1921年），倫敦物理學(xué)會主席（1926年——1928 年）。1939年受封為爵士。 1914年以后，他除了繼續(xù)研究熱離子學(xué)外，還研究光電效應(yīng)、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射線和氫譜Hα及氘譜Dα 的精細(xì)結(jié)構(gòu)。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實驗驗征。后于1917年指導(dǎo)中國研究生丁燮林（丁西林）進(jìn)一步研究這個課題。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驗驗證方法，有一定的理論價值。

在第二次世界大戰(zhàn)期間，里查森致力于雷達(dá)、聲納、電子檢測儀器以及磁控管、速調(diào)管等項目的研究。他的科學(xué)活動和無線電電子學(xué)緊密相聯(lián)，不斷促進(jìn)無線電電子學(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。