诺贝尔物理学1901-1910小测验

答:x射线是比可见光更有能量的光。

基本上，光可以被理解为是由粒子——光子——组成的，光子只不过是一束能量。每个光子携带一种不同的能量，这就决定了它的波长，从而决定了它的颜色;所有可能的光子能量范围定义了电磁波谱，从低能端的无线电波，到我们眼睛能看到的可见范围，一直到紫外线、x射线和伽马射线。

可见光的能量相对较低，并且不需要非常致密的材料来阻挡它;在更高的能量下，x射线可以穿过皮肤、肌肉和脂肪，只有像骨头和金属这样的高密度物体才能阻挡它。x射线图像是关于高密度和低密度区域之间的对比，这就是为什么如果器官首先被注射相对高密度的物质(如碘)，就可以拍摄器官图像。

1895年，德国物理学家雷根在用真空管做实验时发现了x射线。他是许多在这个领域工作的人之一;是好运气(以及良好的实验本能)让他第一个到达那里。

答:两个或两个以上的状态共享相同的能量，尽管它们在物理上是不同的。

在19世纪后期，科学家们测量原子发射光谱——某种类型的原子发射的光的范围——意识到，光谱不是看起来像彩虹，而是由特定波长的窄线组成，每种类型的原子都是相同的。这些线的位置、宽度和间距被仔细地编目，但它们的起源是未知的。我们现在知道，谱线代表了不同电子状态之间的能量差(因为当电子能量下降时，会发射光子)，但这在当时是一个巨大的谜团:电子几乎没有被发现，原子核完全不为人所知!

塞曼观察到一个奇怪的现象:在磁场的作用下，一条光谱线会分裂成两条或更多条间隔很近的光谱线。他去找了他的同事洛伦兹，洛伦兹是一位理论家，他也在狭义相对论的发展中发挥了重要作用，并且他自己提出了这些实验。洛伦兹一直致力于将电子纳入经典电动力学，他对这一现象提出了一个聪明的解释:电子在原子内部来回振荡，在这个过程中发出光，磁场干扰了它们的路径，改变了光的频率。场分裂了简并，在不同的振荡中引起轻微的能量变化，使它们彼此区分开来。这个理论很美妙，尽管我们现在知道它是不正确的。尽管如此，作为最终导致量子力学和对发射光谱的真正理解的研究的基础，它是非常富有成果的。

这是诺贝尔物理学奖第一次由两个人分享，因此委员会煞费苦心地证明他们的决定“不仅是合理的，而且是公正的”，并观察到这个项目代表了理论与实验的完美结合。

答:它的原子核是不稳定的，并倾向于通过释放辐射而衰变成一个较轻的原子核。

一种元素是由其原子核中的质子数来定义的;不同的同位素意味着原子核中有不同数量的中子。其中一些比其他的更稳定。就像一支笔尖平衡的铅笔不可避免地会自发地摔倒一样，一个不稳定的原子核最终会自发地衰变为一个较轻的原子核(转变为较重的原子核需要输入能量)。要做到这一点，不稳定的原子核必须抛弃一些多余的物质和能量;这就构成了辐射。根据特定的同位素，可以发射几种类型的辐射:α辐射(氦核);辐射(电子);伽马辐射(光子);一个中子; or two (relatively) heavy daughter nuclei, if the decay is via spontaneous nuclear fission.

尽管诺贝尔委员会当时并不知道，自发放射性是弱核力的第一个观察到的特征，弱核力是自然界四种基本力之一。通过不同类型辐射的分类方案，你可以看出整个事情是多么神秘:α， β和γ只是希腊字母的前三个字母。他们没有给氦核、电子和光子起一些花哨的名字，以免给物理入门的学生造成困难;他们这么做是因为他们不知道自己在看什么!

顺便说一下，贝克勒尔最初的发现是一个经典的故事。他当时正在研究铀盐，作为荧光研究的一部分。他想做一个有明亮阳光的实验，于是他把盐用黑纸包裹起来，放在照相底片上。当他从抽屉里取出样品时，他发现盘子已经完全暴露了——他立即着手探索这个新现象。就像青霉素的发现一样，许多科学突破的发生完全是由于一个愉快的意外——但需要一个观察力敏锐的科学家才能认识到意外的真正意义!

答:因为氩是惰性气体，所以氩原子很少发生化学反应。

十八、十九世纪的重大问题之一是一个看似基本的问题:空气是什么?瑞利进行实验时，科学家们认为他们已经回答了这个问题:空气是由氮气(78%)、氧气(21%)和水蒸气(约1%)组成的。瑞利在测量氮的质量时犯了一个奇怪的错误，动摇了这种认识。他注意到从空气中分离出来的氮比从氨气中分离出来的氮重，他一直在追寻这个错误，直到他意识到从空气中分离出来的“氮气”一定含有第二种元素，这种元素可以解释额外的质量。瑞利煞费苦心地分离出氩气(它的名字来源于希腊语中的“懒惰”，因为它不容易与其他元素相互作用)后，意识到它约占空气的1%。(顺便说一下，这些百分比加起来不一致，因为它们是四舍五入的。)

对现代观察者来说，这听起来更像是化学而不是物理，但作为地球上发现的第一种稀有气体，氩在发展对原子的理解方面发挥了至关重要的作用。惰性气体往往不会形成化学键，因为原子的电子完全填满了它的轨道(可用电子量子态);没有空位是空的。其他元素通过共享电子来填补轨道空位形成化学键。量子力学最重要的成就之一是解释了化学家和研究元素周期表的学生已经熟悉的行为。

答:射线是由阴极发出的。

阴极射线管的工作原理是在两端的电极(阳极和阴极)之间施加高电压。阳极带正电荷，阴极带负电荷，因此充当电子源。高电压将电子从阴极剥离，将它们送到阳极;一开始通常把含磷材料放在管子里，这样实验者就可以通过它发出的光看到射线的路径。冯·莱昂德将阴极射线从管中移出的技术使得更精确的研究成为可能，并为汤姆逊将射线识别为电子铺平了道路(问题6)。顺便提一下，阴极射线管最终演变成现代阴极射线管，几十年来一直是计算机显示器和电视屏幕的基础。

冯·莱昂德对物理学的另一个重大贡献是他对光电效应的研究。实验人员已经注意到，当被紫外线照射时，某些金属会发出一种射线;冯·莱昂德指出，这些射线与阴极射线有许多相同的特性，它们的能量取决于所使用的光的波长。他的观察为阿尔伯特·爱因斯坦赢得1921年诺贝尔奖提供了基础，但冯·莱昂德，一个民族主义者和一个嫉妒的人，认为这不是科学的进步，而是对德国物理学的侮辱。在第二次世界大战爆发前的几年里，他一直是一名狂热的纳粹分子(尽管他自己有犹太血统)，也是“德意志物理学”的推动者，他拒绝相对论，并把他的犹太同事赶出了德国的大学。这是这位伟大物理学家故事的最后一章，残酷而悲伤;要是优秀的研究人员也总是好人就好了。

答:测量运动粒子在垂直于其运动的磁场中如何弯曲。

汤姆逊的实验——仍然是测量质荷比m/q的标准方法——依赖于带电粒子与电场和磁场相互作用的方式。电压V(如阴极射线管中的电压)使粒子在一条直线上加速，根据qV=(mv^2)/2，其中V是粒子离开电场时的速度。当粒子进入垂直于其速度的磁场B时，它绕半径为R的圆运动qBv=(mv^2)/R。如果你(像汤姆森一样)知道V和B，并且可以测量R，那么你可以把这两个方程结合起来得到(m/q)=(B^2 R^2)/(2V)。瞧!你已经测量了质量电荷比!如果你观察电子，你会发现——就像汤姆逊所做的那样——这个比例是巨大的:粒子非常非常轻。事实上，它几乎比质子轻2000倍，而质子的电荷是一样的!

汤姆森在1913年发现了同位素(同一元素的原子具有不同数量的中子)的存在，并在几年后帮助发明了质谱仪。他的原子“葡萄干布丁”模型——一个连续的正电荷球，里面点缀着负电子，就像布丁里的李子一样——在1909年被他的学生欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)质疑，但它帮助开启了一个非常富有成果的原子物理学探索时代。

汤姆逊因发现电子的粒子特性而获得诺贝尔奖，这里有一个有趣的注脚:他的儿子乔治·佩吉特·汤姆逊因发现电子也具有波的特性而分享了1937年的诺贝尔奖。一个家庭对矛盾的双方都做出了如此大的贡献，这并不常见!

答:狭义相对论(爱因斯坦)

1887年由阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫利在克利夫兰进行的实验被认为是有史以来最重要的失败实验。在此之前，科学家们一直认为光波必须像声波和水波一样有介质来传播。这种“发光的以太”必须填补空间的真空。由于地球的轨道以每秒30公里的速度不断改变方向，人们认为这会产生一种“以太风”，这种风可以通过它对光速的影响来测量。

迈克尔逊和莫雷的实验技巧使他们能够制造出一种非常精确的仪器(干涉仪)，他们本应该能够测量出光速的差异，并绘制出地球在以太中的运动图——但他们一无所获，测量出的速度与零一致。(这意味着结果不完全是零，但误差足够大，可能是零。)物理学家们曾设想过地球的运动可能会把以太拖到一起，但随着其他实验积累的证据越来越多，以太这个美丽的想法不得不被抛弃。爱因斯坦的狭义相对论(发表于1905年，尽管他可能不知道这个结果)现在被认为是解决这个问题的办法。在他的理论中，光在真空中传播——不需要任何物质或介质!——从任何角度看，它的速度都是一样的。宇宙中没有任何部分是绝对静止的;它们都可以被认为是移动的。如果迈克尔逊和莫雷得到了不同的结果，相对论就会被证明是错误的。

答:叠加两波的叠加(或叠加)，产生复合波形

一个简单的波是由波峰和波谷组成的;从峰到峰的距离(与从波谷到波谷的距离相同)是波长。不同颜色的光有不同的波长;例如，红光的波长比蓝光长。现在假设你有两波相同波长的红光。如果你同时发射两个波——一个波峰和另一个波峰同时出现——你就会得到相消干涉:波峰和波谷相互叠加，你就会得到波长相同但高度是波峰两倍的波。然而，如果你让一个波滞后于另一个波，当两个波相加时，它们就会相互抵消，你就会得到一条直线——根本没有光。

在李普曼的巧妙方法(1891年发明)中，将银乳剂夹在玻璃板和反射表面之间。照射在玻璃板上的光穿过乳剂，然后反射回来，造成与自身的干扰。产生的波形与感光乳剂(感光乳剂)发生反应，当底片被加工后，感光乳剂反射和折射白光的方式就会发生变化。将漫射光源(例如，间接的阳光)照射到盘子上，瞧!一张彩色照片!

这种方法是第一个在照相底片上产生稳定颜色的方法，尽管它从未被广泛使用。

答:阻尼振荡

振荡是一个熟悉的概念;它是一个波(或一个钟摆，或一个弹簧)的运动，来回运动，总是回到原来的位置。但在现实世界中，振子不会回到原来的位置:振动受到摩擦或空气阻力的抑制，振动的大小(或振幅)每次都变小一点。阻尼是非常有用的——汽车里的减震器就是为了尽可能快地减少震动而设计的——但是当它造成严重的能量损失时，它必须得到控制。

布劳恩追踪了无线电报阻尼的来源，即连接振荡器和天线的电路中的损耗;通过改变耦合，他能够大大减少发射器和接收器的能量损失，使无线电信号第一次成为真正的远距离通信形式。

在其他科学家的努力下，布劳恩和马可尼的创新使无线电成为可能——但这段广泛的科学合作时期很快就沦为诉讼和争吵。马可尼的成功是站在巨人肩膀上的一个明显例子;正如诺贝尔奖颁奖词中所说，他“有幸进行了第一次试验”，他“有能力将整个事物塑造成一个实用的、可用的系统”，这一点值得称赞。但马可尼想要更多的荣誉，他追求并获得了其他人(包括博朗和尼古拉·特斯拉)发明的想法和发明的专利。这场混乱引发的诉讼直到1943年——马可尼去世六年之后才得到解决。

答:相邻分子间的作用力

引力效应和海森堡的测不准原理对状态方程都没有明显的影响(尽管如果范德瓦尔斯解释了后者，那就值得获得诺贝尔透视奖了:海森堡直到1926年才阐明了他的原理)，而有能力的实验人员也会自己解释任何外部的热效应。范德华的贡献在于认识到分子可以相互吸引——这导致气体外壳上的压力减小，因为表面的分子向内吸引。他还认识到，由于每个分子占据有限的空间，所以气体被压缩的程度是有限的:必须有分子的空间!

他在1873年提出的范德华状态方程，是对理想气体定律的第一个重大改进;它甚至预测了在一定的温度和压力组合下液相的形成!它也标志着思考分子的一种新的、非常富有成效的方式，这导致了进一步的改进。现在的研究已经不再使用它了，但是每个学统计力学和热力学的学生都在研究它。