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卡文迪许实验室

卡文迪许实验室是英国剑桥大学物理实验室。卡文迪许实验室旧址入口实际上就是它的物理系。剑桥大学建于1209年,历史悠久,与牛津大学同为英国的最高学府。剑桥大学的卡文迪许实验室建于187l~1874年间,是当时剑桥大学的一位校长威廉卡文迪许私人捐款兴建的。他是十八~十九世纪对物理学和化学做出过巨大贡献的科学家亨利卡文迪许的近亲。这个实验室就取名卡文迪许实验室,当时用了捐款8450英镑,除去盖成一栋实验楼馆,还买了一些仪器设备。

卡文迪许实验室(Cavendish Laboratory)即是剑桥大学的物理系,由电磁学之父詹姆斯克拉克麦克斯韦于1871年创立,1874年建成实验室 。为纪念伟大的物理学家、化学家、剑桥大学校友亨利卡文迪许,而命名为卡文迪许实验室。剑桥大学时任校长威廉卡文迪许(第7代德文郡公爵)是亨利卡文迪许的亲属,私人捐助了8450英镑以帮助实验室的筹建 。麦克斯韦而后获聘为剑桥大学第一任卡文迪许物理教授(即实验室主任)。由于麦克斯韦的崇高地位和卡文迪许实验室的光辉历史,卡文迪许物理教授已成为如卢卡斯数学教授般备受尊敬且代代相传的荣誉头衔,至今已传至第九代 。实验室的研究领域包括天体物理学粒子物理学固体物理学生物物理学。 卡文迪许实验室是近代科学史上第一个社会化和专业化的科学实验室, 催生了大量足以影响人类进步的重要科学成果,包括发现电子、中子、发现原子核的结构、发现DNA的双螺旋结构等 ,为人类的科学发展作出了举足轻重的贡献。

负责创建卡文迪许实验室的是著名物理学家、电磁场理论的奠基人麦克斯韦。 他还担任了第一届卡文迪许物理学教授,实际上就是实验室主任或物理系主任,直至1879年因病去世(年仅四十八岁)。在他的主持下,卡文迪许实验室开展了教学和多项科学研究,按照麦克斯韦的主张,在系统地讲授物理学的同时,还辅以表演实验。表演实验则要求结构简单,学生易于掌握。他说:“这些实验的教育价值,往往与仪器的复杂性成反比,学生用自制仪器,虽然经常出毛病,但他却会比用仔细调整好的仪器,学到更多的东西。仔细调整好的仪器学生易于依赖,而不敢拆成零件。”从那个时候起,使用自制仪器就形成了卡文迪许实验室的传统。

实验室附有工厂,可以制作很精密的仪器,麦克斯韦很重视科学方法的训练,特别是科学史的研究。例如:他用了几年的时间整理一百年前H.卡文迪许有关电学实验的论著,并带领大家重复和改进卡文迪许做过的一些实验。有人不理解他的想法,但是后来证明麦克斯韦是有远见的。同时,卡文迪许实验室还进行了多项研究,例如:地磁电磁波速度、电气常数的精密测量、欧姆定律实验、光谱实验、双轴晶体等等,这些工作起了为后人开辟道路的作用。

麦克斯韦的继任者是斯特技特即瑞利第三。他在声学和电学方面很有造诣。在他主持下,卡文迪许实验室系统地开设了学生实验。1884年,瑞利因被选为皇家学院教授而辞职,由二十八岁的J.J.汤姆逊继任。

J.J.汤姆逊(即约瑟夫约翰汤姆逊)对卡文迪许实验室有卓越贡献,在他的建议下,从1895年开始,卡文迪许实验室实行吸收外校(包括国外)毕业生当研究生的制度,一批批的优秀青年陆续来到这里,在J.J汤姆逊的指导下进行学习与研究。在他任职的三十五年间,卡文迪许实验室的工作人员开展了如下工作:进行了气体导电的研究,从而导致了电子的发现;进行了正射线的研究,发明了质谱仪,从而导致了同位素的研究;对基本电荷进行测量,不断改进方法,为以后的油淌实验奠定了基础;膨胀云室的发明,为基本粒子的研究提供了有力武器;电磁波和热电子的研究导致了真空二极管三极管的发明,促进了无线电电子学的发展和应用。其他如X射线,放射性以及α、β射线的研究都处于世界领先地位。

卡文迪许实验室在J.J.汤姆逊的领导下,建立了一整套研究生培养制度和良好的学风。他培养的研究生当中,著名的有卢瑟福朗之万汤森德、麦克勒伦、W.L.布拉格、C.T.R.威尔逊、H.A.威尔逊、里查森巴克拉等等,这些人都有重大建树,其中有多人得诺贝尔奖,有的后来调到其他大学主持物理系工作,成为科学研究的中坚力量。

1919年,J.J.汤姆逊让位于他的学生欧内斯特卢瑟福。卢瑟福是一位成绩卓著的实验物理学家,是原子核物理学的开创者。卢瑟福更重视对青年人的培养。在他的带领下,查德威克发现了中子,考克拉夫特和瓦尔顿发明静电加速器布拉凯特观察到核反应,奥利法特发现氰,卡皮查在高电压技术和低温研究取得硕果,另外还有电离层的研究,空气动力学和磁学的研究等等。

1937年,卢瑟福去世后,由W.L.布拉格继任第五届教授,以后是莫特和皮帕德。七十年代以后,古老的卡文迪许实验室大大地扩建了,研究的领域包括天体物理学,粒子物理学,固体物理以及生物物理等等。卡文迪许实验室至今仍不失为世界著名实验室之一。

应该指出,卡文迪许实验室之所以能在近代物理学的发展中做出这么多的贡献,有它特定的时代背景和社会条件,但是它创造的经验还是很值得人们吸取和借鉴的。

卡文迪许实验室作为剑桥大学物理科学院的一个系,从1904年至1989年的85年间一共产生了29位诺贝尔奖得主 ,占剑桥大学诺奖总数的三分之一。若将其视为一所大学,则其获奖人数可列全球第20位,与斯坦福大学并列 。其科研效率之惊人,成果之丰硕,举世无双。在鼎盛时期甚至获誉“全世界二分之一的物理学发现都来自卡文迪许实验室。”

获奖者及主要成就:

约翰斯特拉斯,第三代瑞利男爵(物理, 1904)研究气体密度,并从中发现

约瑟夫汤姆孙(物理, 1906)发现电子;认识到电子是亚原子粒子;(其子后来亦获物理学奖)

欧内斯特卢瑟福(化学, 1908)发现了放射性的半衰期,并将放射性物质命名为α射线β射线

威廉劳伦斯布拉格(物理, 1915)开展用X射线分析晶体结构的研究(25岁获奖,为最年轻得主)

查尔斯格洛弗巴克拉(物理, 1917)发现X射线的散射现象

弗朗西斯阿斯顿(化学, 1922)借助质谱仪发现了大量非放射性元素同位素,并阐明了整数法则

查尔斯威耳逊(物理, 1927)发明云室,用以观察α粒子与电子的轨迹

阿瑟康普顿(物理, 1927)发现康普顿效应

欧文理查森(物理, 1928)发现理查森定律

詹姆斯查德威克(物理, 1935)发现中子

乔治汤姆孙(物理, 1937)发现电子具有波的性质(约瑟夫汤姆孙之子)

爱德华阿普尔顿(物理, 1947)发现高度约为150英里(241千米)的电离层,即阿普尔顿层

帕特里克布莱克特(物理, 1948)使用反控制云室观察宇宙射线

约翰考克饶夫(物理, 1951)使用粒子加速器研究原子核

欧内斯特沃吞(物理, 1951)历史上第一位人为分裂原子核的人,证明了原子结构理论

弗朗西斯克里克(生理学或医学, 1962)与沃森共同发现了脱氧核糖核酸(DNA)的双螺旋结构

詹姆斯杜威沃森(生理学或医学, 1962)与克里克共同发现了脱氧核糖核酸(DNA)的双螺旋结构

马克斯佩鲁茨(化学, 1962)与肯德鲁共同确定了血红素球蛋白的分子结构

约翰肯德鲁(化学, 1962)与佩鲁茨共同确定了血红素和球蛋白的分子结构

多萝西克劳福特霍奇金(化学, 1964)确定了青霉素维生素B12的结构

布赖恩约瑟夫森(物理, 1973)预言并发现约瑟夫森结效应

马丁赖尔(物理, 1974)首位获得诺贝尔奖的天文学家

安东尼休伊什(物理, 1974)发现脉冲星

内维尔莫特(物理, 1977)同安德森发展出磁性和无序体系电子结构的基础性理论

菲利普安德森(物理, 1977)同莫特发展出磁性和无序体系电子结构的基础性理论

彼得卡皮查(物理, 1978)发现超流体

阿兰麦克莱德科马克(生理学或医学, 1979)成功进行X射线成像分析

亚伦克拉格(化学, 1982)使用晶体电子显微镜研究病毒及类似物质的结构

诺曼拉姆齐(物理, 1989)研发超精密铯原子钟和氢微波激射器

英国物理学家卡文迪许于1789年测量引力常量时发明的物理仪器

利用了两次放大法

1,尽可能地增大了T型架连接两球的长度使两球间万有引力产生较大的力矩,使杆偏转

2,尽力的增大弧度尺与系统的距离使小镜子的反射光在弧线上转动了较大角度

引力常量G=6.67*10^(-11)

1789年,英国物理学 家卡文迪许(H.Cavendish)利用扭秤,成功地测出了引力常量的数值,证明了万有引力定律的正确。 卡文迪许解决问题的思路是,将不易观察的微小变化量,转化为容易观察的显著变化量,再根据显著变化量与微小量的关系算出微小的变化量

卡文迪许用一个质量大的铁球和一个质量小的铁球分别放在扭秤的两端。扭秤中间用一根韧性很好的钢丝系在支架上,钢丝上有个小镜子。用准直细光束照射镜子,光被反射到一个很远的地方,标记下此时反射光点的位置。

用两个质量一样的铁球同时分别吸引扭秤上的两个铁球。由于万有引力作用。扭秤微微偏转。但光束在远处形成的反射点却移动了较大的距离。他用此计算出了万有引力公式中的常数G。

此实验的巧妙之处在于将微弱的力的作用进行了放大。

尤其是光的反射的利用

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