诺贝尔物理学奖史演义系列（五）——射线研究立新功

无数阴极射线科学家被它迷住了，并因此而出名，包括前三位诺贝尔物理学奖获得者。然而，在1904年，诺贝尔物理和化学委员会打破常规，将年度诺贝尔物理学奖授予了没有研究过阴极射线的赖利。

莱利，原名约翰·威廉·斯特拉特，因其高贵的出身而被尊为男爵莱利三世。1880年，他开始连续12年精确测量各种气体的密度。他的实验室拥有当时最精确的天平，灵敏度为1/10000克。经过多年的研究，他发现空气中除了氧气、氮气、二氧化碳和其他气体外，还有一种惰性氩气。他把像氩这样的“小懒骨头”气体称为“惰性气体”和“稀有气体”。稀有气体广泛应用于工业、医学、先进科学技术以及日常生活中。瑞利发现了新的元素氩和氦，这是稀有气体研究中的第一个发现，他自然应该获得诺贝尔奖。

赖利三世(来源:百度)

莱利的获奖并没有打乱诺贝尔委员会鼓励阴极射线研究人员颁奖的想法。1905年，经过慎重选择，委员会授予阴极射线研究专家菲利普·莱纳德新的物理学奖。

与前三届物理学奖的获奖者不同，伦纳德致力于研究阴极射线的性质，并希望通过实验找出这种射线是否由粒子组成。

阴极射线的发现可以追溯到17世纪末。1690年，科学家格里克发明了一种真空泵，物理学家用它来做电学实验。半个世纪后，伟大的科学家法拉第在真空泵中输送电流时，发现阴极和阳极之间有一种奇怪的辉光。科学家们发明了各种先进的真空玻璃管来研究这种发光的大脑，其中最著名的是威廉·克鲁克斯发明的克鲁克斯管。1876年，德国物理学家尤金·戈尔兹·谭通过实验证明了辉光是在垂直于阴极表面的方向上发射的。显然，这与四面八方的烛光完全不同。戈尔兹·谭在他的论文中称真空管阴极射线管和克鲁克斯管产生的辉光产生了这种射线阴极射线管。他进一步说，阴极射线实际上是一种在以太网中传播的电磁波，就像紫外线一样，在受到撞击时会产生磷光。至此，阴极射线的概念诞生了。

阴极射线管(来源:仪器网络)

自戈尔兹·谭之后，许多欧洲学者和教授都致力于阴极射线的研究。莱纳德是其中之一。

伦纳德是一个因缘际会的青少年。他出生在匈牙利普莱斯堡(现斯洛伐克首都布拉迪斯拉发)的一个酒商家庭。他的母亲英年早逝，他的父亲忙于生意，对他毫不关心。结果，伦纳德从小就孤僻多疑，努力保持竞争力。他以优异的成绩先后在布达佩斯大学、柏林大学、海德堡大学等著名大学学习物理学，并成为本生、列奥·柯尼希斯伯格、格奥尔格·赫尔曼·昆克等著名科学家的学生。

1886年，获得海德堡大学博士学位的伦纳德开始对磷光和荧光现象感兴趣，并开始研究阴极射线。在两年多的时间里，尽管他不明白阴极射线是否是电磁波的问题，但他在1888年提出了关于阴极射线的第一个研究结果:赫兹认为阴极射线类似于紫外线的观点被实验证明是错误的。

菲利普·莱纳德(照片来源:百度)

赫兹当时是一位著名的物理学家。伦纳德的举动是对权威的极大挑战。更引人注目的是，1892年赫兹聘请伦纳德作为助手，专门研究阴极射线。

在赫兹的授权下，伦纳德做了大量的阴极射线实验，并获得了“伦纳德窗”的重要发现。在实验中，他进一步质疑赫兹关于“阴极射线不可能是粒子”的断言。

经过反复实验，伦纳德于1894年发表了一篇关于阴极射线的理论论文。根据这篇论文，阴极射线实际上是一股粒子流，它在空气中只能传播几米，在真空中能传播几米而不会衰减。

“阴极射线是高速粒子流，不是电磁波。大多数原子是内部有粒子运动的空白空间。我找不出这些微粒是什么。”论文发表后，伦纳德在他的笔记本上写道。经过十多年的努力，他终于揭开了阴极射线的秘密。

阴极射线的发现和阴极射线管的发明是几代科学家努力的结果。根据以前的研究成果，伦纳德极大地丰富了阴极射线的科学内容。

电视显像管示意图(来源:物理科学网)

必须说，尽管伦纳德发现了阴极射线的秘密，后来又研究了谱线的性质，但他得出了著名的结论:“每个光谱都有一定的原子变化，这些变化决定了每个光谱”。他还获得了布拉迪斯拉发大学荣誉博士学位和德意志帝国鹰盾勋章等荣誉，但他童年时因缺乏家庭教育而形成的偏执性格使他走上了德国种族主义和反犹太主义的道路。他不仅多次公开批评犹太科学家爱因斯坦，倡导“德国物理学”，还加入纳粹党，成为激进分子希特勒的物理顾问，鼓吹希特勒的种族主义和反犹太主义理论。他没有后代，最后孤独地死在了梅瑟的豪森。

伦纳德一生都不理解阴极射线中细微粒子的流动，这给了其他科学家一个机会。后来，一位英国科学家最终得出科学结论，“阴极射线由带负电的电子组成”，从而打开了基本粒子物理学的大门，并仅获得1906年诺贝尔物理学奖。他是谁，他的精彩故事是什么？如果你想知道事情的结果，请听下一期的解释。

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[参考]

1.《诺贝尔物理学奖一百年》一书于2002年由上海科普出版社出版，作者是和沈。

2.论文《20世纪物理学的伟大缩影》，清华大学郭怡伶，2009年第2期，物理研究。

3.论文《菲利普·莱纳德的光电效应》，于华志，物理研究，2013年第3期。