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核科学群英谱(17):中国本土近代物理研究的先驱 吴有训 精选

已有 6155 次阅读 2022-8-15 15:52 |系统分类:科普集锦


中国本土迄今为止虽然还没有出过诺贝尔物理奖,不过近十余年来中国物理学工作者取得的多个成果是属于国际上重量级的,例如在铁基高温超导、多光子纠缠干涉度量学、中微子振荡模式、量子反常霍尔效应等领域已处于国际第一方阵;现在物理学几乎所有前沿研究领域都有本土中国人活跃的身影。这一切并不是凭空从天上掉下来的,而是站在国内前辈肩膀上、一代接一代传承发展而来。在中国贫困积弱的二十世纪二十年代(即100年前),中国物理学家也有一批有国际水平的工作,不过那些成果都是在国外完成的,真正开始在国内完成高水平物理学研究的是上个世纪三十年代,标志性人物和成果是本文的主角---著名科学家、教育家吴有训先生(1897.04.26-1977.11.30) 的X射线气体散射研究。严济慈先生早在30年代就说吴有训先生是“实开我国物理学研究的先河”的人,在全国政协文史和学习委员会编写的《回忆吴有训》一书序言中再次提及此事。

 

1、吴有训的家世

吴有训出生于江西省高安县荷岭乡[原黄沙乡]石溪吴村,祖父吴继武曾以孝廉为官,父亲吴起辅曾教私塾,后在汉口经商,母亲邓氏聪明贤能。吴有训在家中排行第二,兄吴有则早逝,另有一弟吴有诲(1939年去世)、姊妹三人(挑英、秋英和荐英)。少年吴有训动手能力很强,喜欢学习各种技艺,7岁入私塾,12岁时转从族叔学习。1911年辛亥革命后高安县城的瑞州合府学堂改为瑞州中学,扩大招生,吴有训在1912年下半年入瑞州中学;两年后瑞州中学并入省学, 称“江西南昌第二中学”,吴有训以优异成绩转入。1916年吴有训考入南京高等师范学校,在他大学三年级时,从美国哈佛大学学成归国的胡刚复(1892.03.24 – 1966.02.19)先生来校任教,胡先生当时研究的是X射线方面,吴有训开始接触这方面知识。1920年他从南京高等师范学校毕业后回江西省第二中学即他的中学母校任教,不久听从老师胡刚复的建议参加江西省官费留美生考试被录取,1922年1月到美国芝加哥大学学习物理学,1923年遇到了恩师阿瑟-康普顿(Arthur Holly Compton, 1892. 09.10 – 1962.03.15, 1927年诺贝尔物理奖获得者)教授。为了解释吴有训先生的科学贡献,我们需要用一些篇幅介绍康普顿教授、以他名字命名的康普顿效应和当时这个成果所面临的巨大争议。

 

2、康普顿教授、康普顿效应、同行争议

康普顿教授出身于知识分子家庭,其父伊立斯-康普顿(Elias Compton)是乌斯特学院(College of Wooster)的哲学教授, 母亲欧特莉亚-凯瑟琳-康普顿(Otelia Catherine Compton)。阿瑟-康普顿共兄弟三人,他们长大后都做过大学校长(兄Karl Taylor Compton,曾为麻省理工学院的院长;弟Wilson Compton, 曾为华盛顿州立大学校长;阿瑟-康普顿教授本人曾做过华盛顿大学校长),可能因为这个成就,欧特莉亚-凯瑟琳-康普顿被提名为1939年度美国母亲荣誉称号。 本文主角吴有训的恩师阿瑟-康普顿排行第二,他在1916年于普林斯顿大学获得博士学位,导师为Hereward L. Cooke, 论文题目为 X射线反射强度和原子内电子分布,不过那时他一直把X射线的散射问题归结为经典电磁波散射问题。

关于X射线甚至 gamma 射线散射问题,康普顿都不是第一个研究者,早在1904年英国学者 A. S. Eve 就发现 gamma 射线散射就会变”软”[Phil. Mag. 8, 669 (1904)], 1910年英国学者 D. C. Florance 发现散射后的gamma 射线穿透力与散射角相关,散射后的射线波长有所增加[Phil. Mag. 20, 921 (1910)];1913年,后来还有其他学者也发现了类似结果[J. A. Gray, Phil. Mag. 26, 611 (1913)]。只是当时的人们还不知道X射线和gamma 射线的本质是不同波长的电磁波,对这个散射现象不理解, 对于射线变软的解释当然不正确。1919年康普顿去英国卡文迪许实验室学习访问,开展 gamma 射线散射实验研究;1920年他回到华盛顿大学用X 射线重做他在英国的实验,也测量到了波长改变,但是对于这个现象不能自圆其说。这段时间其他同行都这个现象也深感迷惑。直到3年时间后即1923年,康普顿发表了那篇具有历史意义的重要文章 [A quantum theory of the scattering of X-rays by light elements, Physical Review 21, 438 (1923)]后,绝大多数同行们才感到水落石出。康普顿在这篇文章中提出了著名的康普顿散射公式,这里他把X射线的散射现象解释为X射线光子与电子的弹性碰撞。这个简单公式和物理图像被写入后来所有的原子物理教科书中。

有趣的是,康普顿论文发表之前,远在德国的德拜(Peter Joseph William Debye, 1884.03.24 – 1966.11.02, 1936年诺贝尔化学奖获得者) 在爱因斯坦(A. Einstein, 1879.03.14 – 1955.04.18)辐射量子理论[A. Einstein, Phys. Zeit. 18, 121 (1917)] 基础上在理论上得到了与康普顿一样的散射公式,并且还曾建议合作者去做这个实验;当他看到了康普顿的实验结果后,他立即发表了一直没有投稿的论文。所以后来有人建议把这个效应称为“康普顿-德拜效应”,不过德拜强烈反对;下文我们还会提到这件事,因为本文主角吴有训先生也有类似的插曲。

康普顿这篇论文的影响力非常大,当时世界著名学者索末菲(Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld, 1868.12.05 – 1961.04.26) 在美国巡回演讲时一直强调康普顿效应的重要性,爱因斯坦也热忱满怀宣传这个工作,甚至专门在“柏林日报”上著文评述。

正是在这个时刻,康普顿教授在芝加哥大学遇到了本文主角吴有训。也许有人会觉得,康普顿散射图像已经提出,这时候似乎盛宴已过,年青的吴有训又能做些什么呢?

世界上很多事情都是一波三折,康普顿散射实验的物理图像更是好事多磨。这个波折与美国哈佛大学的X射线学著名专家杜安(William Duane, 1872.02.17 – 1935. 03.07, 世界名人Benjamin Franklin 的五世孙、吴有训的老师胡刚复先生的合作者)有关,他与合作者对于康普顿散射实验提出了多处质疑,他们在美国科学院院刊上陆续发表许多论文[Proc. Nat. Acad. Sci. 9, 418 (1923); ibid. 9, 419 (1923); ibid. 10, 44 (1924); ibid. 10, 94 (1924)]质疑康普顿的实验结果和物理解释。杜安等采用方解石作为散射体,根据结果认为符合康普顿散射波长改变的计数实在太低,后来又采用其它种类散射体,认为谱线位移不符合康普顿散射公式;据此他们提出了所谓三次辐射概念,即入射的X射线为一次辐射、X射线轰击材料时打出电子为二次辐射、电子轰击邻近原子产生轫致辐射为三次辐射;杜安还发展了相关理论,并在实验中得以验证(因此康普顿等曾在争议中处于不利地位)!这时二者分歧在于波长改变量是否与散射角相关,康普顿效应中这个改变量与散射角相关,而三次辐射理论给出的改变量与散射角无关;而杜安等人的“三次辐射”实验又一次证实了他们自己的结果。可见,当时关于康普顿散射实验/三次辐射的图像争论是多么激烈。而平息这个争议的曲折过程中,除了康普顿本人之外,最耀眼的明星正是本文的主角吴有训先生。

 

3、吴有训在康普顿效应这一概念建立过程中的重大贡献

曾经有多个场合甚至教材中把康普顿效应称为康普顿-吴有训效应,以彰显吴有训先生做确立康普顿散射图像过程中所做的贡献;吴有训先生一直坚拒这件事情,就像前文的德拜那样;假如德拜和吴有训一起都加入了这个争名大合唱中,说不定这个康普顿效应被称为康普顿-德拜-吴有训效应也未可知… … 我们还是回来看看1923年的吴有训吧。

康普顿那时确实需要人跟他一起工作,以回复和反驳同行的许多争议。他经过多次考察谈话,认定吴有训是最合适的合作者;康普顿确实也没有看错人,后来过了几十年之后还说,吴有训和阿尔瓦莱斯(Luis Walter Alvarez, 1911.06.13 – 1988.09.01, 1968年诺贝尔物理奖获得者)是他一生中最得意的学生[杨振宁在1962年给吴有训先生赠书时的题字]。吴有训从此开始在X射线散射领域里畅游不止,从1924年-1926年,吴有训在美国科学院院刊(Proc. Nat. Acad. Sci.)、物理评论(Phys. Rev.) 发表了10篇论文[3篇与康普顿合作、其余为独立作者],可见吴有训的用功程度。

本文作者在这篇科普文章中把吴有训的这个阶段所有成果解释清清楚楚是很困难的,本文仅笼统地简要介绍吴有训所取得成果的意义。为了回应关于康普顿散射效应普遍性方面的争议,吴有训和康普顿采用了8种散射体重做实验;为了回应X射线管和散射体是否被木质箱子包装而有很大差别的质疑,康普顿、吴有训以及合作者贝尔顿采用多种方法检测证明不存在木质箱体所含碳和氧引起的某些激发谱带来的“污染”;为了回应X射线散射中可能存在所谓三次辐射机制,吴有训经过数月艰苦努力独立测量多种散射体的X射线散射从而否决了三次辐射假说。

吴有训对于康普顿效应最重要的贡献是他独立而系统地研究了康普顿效应中所谓变线与不变线的强度分布。所谓变线与不变线,指的是许多材料散射时原来的一条X射线谱会变成两条频率不同的谱线,其中一条谱线的波长不改变故称为不变线、另一条波长增加故称为变线。因为当X 射线与电子交换的能量不足以把电子敲出而改变电子运动状态时,散射波的波长不变;因为原子序数很小,X射线对于锂样品和氢样品散射时几乎不出现不变谱线。根据吴有训的系统研究,变线强度与不变线的强度比例随着散射角增加而增加,随着原子序数的增加,这个比例逐步降低,这两个系统变化规律正是康普顿散射过程所期待的,因为散射角增加,从X射线转移到电子的能量和动量都增加。变线与不变线强度比例不仅是康普顿散射中重要的实质性问题,也是支持康普顿散射物理图像的新证据。所以,在吴有训关于X射线散射问题的研究中,变线与不变线谱线强度比例的测量是特别重要的,这是对于康普顿散射物理图像十分关键的检验。后来不少人提议把这个效应称为康普顿-吴有训效应,可能就是因为吴有训关于X射线散射实验系列研究中的这一个重大贡献。

有了这些结果,康普顿散射的实验结果只能用光子与电子弹性散射来解释了。这里X射线光子的行为就像粒子一样,在康普顿散射过程中X射线的光子与电子作为二体系统满足动量和能量守恒,光子把部分动量和能量传递给电子,自身能量降低,因此波长变长。

许多学习过大学物理的人都知道,1921年诺贝尔物理奖颁发给爱因斯坦,以表彰他利用光的量子性概念完美解释光电效应现象。那么康普顿效应的重要意义何在呢?的确,光电效应是光的量子性令人信服的实验证据,不过康普顿效应比光电效应更进了一步,在康普顿散射中X射线与电子散射过程不仅涉及考虑系统的能量守恒,还涉及光子与电子二体系统的动量守恒,这为光的波粒二象性和德布罗意物质波概念提供了更完整的证据。

 

4、吴有训归国后的科研、教学和社会服务

吴有训1925年6月顺利获得博士学位后,留在芝加哥大学物理系任助教,1926年秋天回国;先参与江西大学筹建,后去中山大学物理系任副教授,1928年秋去清华大学物理系任教授,在清华大学建立我国最早的近代物理实验室,开创国内X射线问题的研究。1934年接任叶企孙任物理系主任,次年接任理学院院长,1936-1939年两次当选为中国物理学会会长,1945年任中央大学校长。1948年在哈佛大学和麻省理工学院访问,1949年回国[在地下党帮助下由南京迁家到上海],受聘为上海交通大学物理系教授,不久任上海交通大学校长。1950年5月任中科院近代物理所的所长、12月底任中科院副院长,1954、1959、1964年(五年一届)连续当选为全国政协委员,1955年出任中国科学院数理化学部主任。七十年代多次陪同接见著名的海外访问学者,1977年病故。在归国后半个多世纪的时间里,吴有训在教学、科研和社会服务三方面都取得了重要成就。

吴有训先生在清华大学期间培养的许多学生成长为国家的栋梁,例如王淦昌、周同庆、王大珩、王竹溪、赵九章、彭桓武、钱三强、钱伟长、何泽慧、于光远、林家翘、张宗燧等,至于提携的后辈和帮助过的学界朋友数不胜数。在1937-1941年抗战期间的艰苦环境下,他整理了书写工整、内容细致的数百页《近代物理学》备课笔记(二个学期课程)。他在教学实践中注重基本概念、课堂演示和实验教学,鼓励加强自学,拓宽学生知识面,对于学生培养重质不重量,同时强调教师不脱离科学前沿、教学科研并重,把教学与科学前沿相结合,这些理念和做法如今在中国一流大学依然属于很高的标准。据吴有训先生的学生们回忆,吴先生上课声音洪亮,虽然带有江西高安口音,但是口齿清楚、准备充分,对于难以理解的地方绘声绘色反复讲解,还善于抓住学生易忽略的问题展开课堂讨论。他在实验技术选修课上还手把手教学生掌握吹玻璃的火候和技术关键。据“《吴有训文集》附录7—吴有训在清华大学”,那时学生们经常看见这位著名学者在清华的科学馆中身穿粗布工作服,拔石英丝、安装静电仪等;他有一句口头禅: 实验技术的培养要从拿螺丝刀开始。

吴有训先生桃李满天下,关于这方面有一个趣事[取自于魏永康, 我国核事业之先驱吴有训,《物理》37卷第10期,740(2008)]:1964年11月即中国第一颗原子弹试爆成功后不久[魏永康在《物理》期刊文章原文中此事的日期(1965年10月)有误,此处已更正;吴有训先生的年谱中记载:“1964年11月,周恩来、陈毅、聂荣臻接见参加原子弹试制工作的科学家,吴有训在座,周恩来请他向大家讲了话“],党和国家领导人接见相关的科研人员。周恩来总理让陪同接见的吴有训讲话,吴有训看着一个个面孔十分熟悉的学生们[如王淦昌、钱三强是吴有训亲自指导本科毕业论文的学生],第一句话脱口而出的是“同学们!”后,突然意识到不合适,随即改口说:“同志们!”。周总理说,“吴先生,你不必改口,还是称同学们更好,这里只有你才有这个资格使用这个称呼,今天也是你们师生的一次特殊盛会“。

吴有训先生于1930-1932年在清华大学关于X 射线散射方面继续发表了系列论文,包括《自然(Nature)》两篇、《美国科学院会刊》两篇、美国《物理评论》3篇、《国立清华大学理科报告》3篇,这些成果受到国际同行的高度关注。他还指导研究生和青年同事开展这方面研究,包括陆学善、黄席棠、余瑞璜、孙珍宝等。吴有训在1932年的论文[Y. H. Woo, The scattering of X-Rays by Polyatomic Gases, Physical Review 39, 555 (1932)]与时任美国华盛顿大学教授的江赛(G. E. M. Jauncey) 还有过一次学术争议 [见G. E. M. Jauncey, Note on Woo’s paper on the Scattering of X-Rays by Polyatomic Gases, Physical Review 39,561(1932)]。吴有训教授的回复见Physical Review 41, 21 (1932) [Y. H. Woo, The Scattering of X-rays by Gases and Crystals]。这里不讨论他们之间争议的细节,总之吴有训先生是这次学术争议中最后胜利的一方。

吴有训先生回国后做了许多管理工作,并卓有成绩。他在任中央大学校长期间协调北清[北大清华]派和东大[东南大学]派的紧张关系,扫除官僚习气,增强民主和学术氛围,在彼时乱局中爱护和保护学生,在他担任校长期间军警宪特始终没有进入校园;1948年初他将出国参加联合国教科文组织会议消息传出后,由于他人格正直、廉洁处世,中央大学数千多人签名赠别。1949年9月吴有训先生作为无党派人士的代表在北京出席了中国人民政治协商会议第一届会议,1950年底去中国科学院工作,从此作为优秀的组织者之一活跃在中国科学界。他恢弘宽广的视野、破除迷信的胆略、海纳百川的胸怀、提携后学的远见,在推动中国科学发展方面功绩至伟[这些方面已有许多文章]。1956年中国制定科研远景规划,他对于数理化等多学科做了展望报告,凝炼多个重大项目(原子能、计算机、半导体、计算和统计数学、航空力学等),并在物理方面大力推动原子能、同位素、宇宙线、金属物理、磁性材料、半导体、晶体等方面的研究。在60-70年代的岁月中,他和夫人曾多次接济遭到审查的叶企孙(1898.07.16 – 1977. 01.13)先生,1976-1977年在他生命的最后一年里依然日无虚度,甚至抱病参加各种活动。

 

吴有训先生是中国近代在本土开展物理研究并取得重要成果的先驱者,其一生献身科学教育、献身国家,他为人师表、正直不阿、廉洁奉公,可谓中华学人之楷模。1987年中国物理学会设立了胡刚复、饶毓泰(1891.12.01-1968.10.16)、叶企孙、吴有训奖,1988年中国人民邮政发行了李四光、吴有训、竺可桢、华罗庚的中国科学家纪念邮票,以缅怀这些前辈对于发展中国科学的重大贡献。

本文借用吴有训先生的学生、著名核物理学家王淦昌(1907.05.28-1998.12.10,见本系列文章(15) https://blog.sciencenet.cn/blog-3404169-1348611.html) 先生在《深切怀念吴有训先生》一文中的一句话作为本文的结尾:“吴先生的一生,说明中国人是有聪明才智的,是勤奋而有创造力的,不仅中国人的智力可以与其他民族相较量,其品质也可以与任何民族相媲美!”。

 

致谢:本文作者感谢冯达旋、孟杰、张丰收、张焕乔、周善贵等老师的惠读,感谢周善贵老师为本文提供参考资料。

 




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