诺贝尔物理学奖1911-1920知识问答

答:它的温度

物体的热辐射更著名的是黑体辐射;在自然界中，一个完美的黑体可以吸收所有照射到它身上的光，因此它的热辐射就能弥补所有观测到的来自它的光。完美的黑体在自然界中是不存在的，但有一些物体(比如恒星)与之接近。在Wien 1893年的论文之前，物理学家已经成功地确定了黑体辐射的理论模型(仍然被认为是热力学的胜利)，并将总辐射与人体温度联系起来，但对光谱(光的每个波长发出的能量分布)的理解仍然难以捉摸。

威廉·维恩登场了(马克斯·冯·劳埃后来气喘吁吁地写道)“引领我们走向量子物理学的大门。”1893年，经过令人难以置信的努力，维恩发表了一个非常简单的公式。黑体光谱峰值的波长(单位:米)等于一个常数(约0.003米开尔文)除以黑体的温度(单位:开尔文)。突然间，光谱分析发展起来。仅仅通过观察恒星发出的光，科学家就可以确定它的温度，从而了解恒星的生命阶段。通过测量人体的温度，科学家可以确定活着的人会发出远红外的光，这是现在夜视镜的基础信息。1894年，他提出了一个短波黑体辐射定律——将其扩展到更长的波长的挑战激发了马克斯·普朗克开始对量子力学的首次研究。

维恩是一位熟练的实验家和理论家，他还帮助确定了质子，并发展了质谱学原理。他在科学生涯的黄金时期获得了诺贝尔奖。

答:它在受热时膨胀。

当一个物体加热时，它会吸收能量——在这种情况下，是电磁能(这是光本身的性质)。这往往会加速它的组成粒子(能量必须去某个地方!)，这反过来意味着，平均而言，这些粒子之间的距离越来越远:热膨胀在起作用。(有些材料，如水，在小范围内加热时实际上会收缩，但正热膨胀的情况更为常见。)太阳阀的工作原理是将四根金属棒组合在一个玻璃管中。其中三根灯杆经过抛光，这样它们就不会吸收太多阳光;第四层是变黑的，因此它几乎吸收了所有照射到它的阳光。当它受热时，它会膨胀，关闭阀门，切断燃料供应;当它冷却时，它会收缩，打开阀门，让燃料流动。这一创新使世界上成千上万的灯塔以经济有效的方式使用乙炔和其他燃料，在许多情况下不需要全年站在灯塔看守人。阀门的灵敏度甚至可以调整，这样阀门不仅在日落时打开，而且在雾或云层使太阳过于昏暗时也会打开。

达恩的大部分职业生涯都在研究乙炔的应用。其他科学家曾有过将乙炔溶解在丙酮液体中的想法，这将使乙炔变得惰性——但总有可能，随着丙酮体积的减少(通过温度或压力的变化)，乙炔的爆炸性口袋可能会在液体顶部和容器顶部之间形成。达恩发明的Agamassan(昵称Aga)解决了这个问题:Aga是一种多孔的、有弹性的材料，它可以填充容器中的剩余空间，防止乙炔形成危险的浓度。

可悲的是，尽管达利恩对安全做出了巨大的贡献，但他在1912年测试运输集装箱上的安全装置时，在一次乙炔爆炸中严重受伤;由于长期处于恢复期，他无法亲自领奖。虽然他恢复得很好，但他再也没有恢复视力——这并没有阻止他继续发明乙炔的应用。尖端科学往往是危险的工作。

答:让它经历膨胀和压缩的循环。

一般来说，气体随着压力的降低而冷却，这反映了一个事实，即压力较低的气体中的分子相互碰撞的频率较低。然而，氦气等气体的液化是一个更复杂的问题:气体和液体之间的相变通常需要温度降低和压力增加。通过液化越来越顽固的气体来达到越来越低的温度是一件棘手的事情。

在19世纪，物理学家开发了几种循环方法来解决这个问题。西门子循环(1857年)和汉普森-林德循环(1895年)都是从压缩阶段开始的，压缩阶段在降低气体体积的同时加热气体。下一步是冷却这些被加热的气体，首先在一个较低温度的浴槽中，然后在热交换中。在西门子循环中，气体在膨胀机中进一步冷却;在汉普森-林德循环中，最后的冷却阶段包括通过一个多孔的塞，这个塞没有活动部件，但对高温气体的效率较低。在这最后一个阶段之后，冷却气体以另一种方式通过热交换器(冷却压缩气体)，然后进入压缩机重复这个循环。

Kamerlingh Onnes并不是第一个在低温下液化气体的人。事实上，当他冷却氦时，他可以使用液态空气、液氧和液氢作为低温浴，氦在一个大气压下的沸点为4.4 K。当他用汉普森-林德循环把液氦降到0.9 K时——比绝对零度还高不到1摄氏度——有人开玩笑地说，他的实验室是地球上最冷的地方。

答:它的电阻在临界温度以下突然降为零。

在普通导体中——比如家庭和企业中传输电力的铜线——由于电流不自由流动，总有一些电能会损失掉:它在导体中遇到一些电阻，电能就会以热量的形式散失。尽管人们发现低温导线的电阻比高温导线的电阻要低，但直到1911年，卡默林·昂内斯(kamerling Onnes)发现，当样品的温度达到绝对零度以上4.2摄氏度时，汞的电阻就降为零。这是第一个超导体!在接下来的几年里，科学家们致力于识别其他超导体(如铅和氮化铌)以及这种奇怪材料的其他特征。例如，在一种被称为迈斯纳效应的现象中，超导体的作用是防止内部磁场的存在;如果一块磁铁靠近，它就会在超导体表面产生电流，有效地抵消超导体内部的磁场。

现代材料物理学家正在密集地寻找“高温超导体”，即在没有超冷低温设备的帮助下处于超导状态的材料。各种陶瓷的临界温度在绝对零度以上150摄氏度左右，已经取得了一些成功——如果我们能够开发出在室温(绝对零度以上300摄氏度左右)下工作的超导体，人类的电力问题将大大减少。想象一下，在长距离输电线上传输电力，而且完全没有损耗!卡默林·昂内斯的发现还没有完全实现。

答:晶体的内部结构大约和x射线波长一样大。

这个实验实际上解决了两个突出的问题:什么是x射线，什么是晶体?这一切都取决于衍射，这是一种当波(如光)撞击障碍物时发生的现象。当波长——从一个波峰到下一个波峰的距离——与它穿过的狭缝或缝隙的大小相同时，当来自狭缝一侧的波抵消(或增加)来自另一侧的波时，就会得到干涉图样。如果你通过缝隙照射光线，测量到达另一端的光线，你会看到一种典型的干涉模式，波抵消的暗斑和波相互叠加的浅色斑。

1912年，当冯·劳埃做实验时，物理学家对x射线的特性感到非常困惑。它们怎么会有这么高的能量?如果它们是一种光，为什么你不能反射或折射它们?如果它们是粒子，为什么它们在强磁场中没有弯曲?另外，他们还被晶体结构的问题所迷惑;许多科学家赞同一种理论，认为晶体是原子以规则的几何图形排列，中间有空间，但似乎没有办法证明这一点。冯·劳埃意识到有一种方法可以同时解决这两个问题。如果x射线是波长非常短的光波(正如人们所期望的那样，它们的能量非常高)，如果晶体真的是由晶格排列的原子组成的，那么晶体结构中的间隙应该与x射线的波长相同——x射线在穿过晶体时应该会衍射。他和他的助手沃尔特·弗里德里希(Walter Friedrich)和保罗·尼平(Paul Knipping)通过x射线照射硫酸铜晶体到照相板上，进行了这个双重测试，明确回答了两个问题。这一结果不仅回答了两个基本问题，而且开辟了一个全新的研究领域:利用x射线衍射来深入研究晶体结构。

(那么，为什么科学家不能反射或折射x射线呢?问题是它们的波长非常短:大多数材料的折射率在x射线范围内非常接近1，这意味着没有明显的折射。此外，物质往往会吸收x射线，这也会增加反射的难度。)

冯·劳厄是一位德国物理学家，他在慕尼黑做了这项研究。人们记住他不仅是一位杰出的科学家，而且还是一位绅士:当他与助手分享诺贝尔奖奖金时，没有人感到惊讶。著名的是，他抵制纳粹对“纯粹”德国物理学的坚持——没有广义相对论这样的“堕落”概念——当科学院副院长声称爱因斯坦的辞职“不是损失”时，他是唯一一个抗议的柏林科学院成员。

答:一个平面一个平面地考虑结构，将一个三维问题简化为两个。

布拉格夫妇是父子，小布拉格——也就是人们常说的劳伦斯——在他的整个职业生涯中，都因为有人认为这对夫妇的获奖作品主要是他父亲的作品而困扰。然而，是劳伦斯在攻读博士学位期间有了关键的见解。冯·劳厄证明了晶体具有规则的晶格结构，所以如果你能取非常薄的晶体片，你就能得到一片又一片的晶体片。劳伦斯意识到，你可以把这些薄片彼此独立对待:当你用x射线照射晶体时，有些x射线会与第一张薄片相互作用，有些会与第二张薄片相互作用，有些会与第三张薄片相互作用，等等。其结果就是布拉格方程，这是一个看似简单的x射线在原子薄片上的入射角之间的关系;间距:两个相邻薄片之间的距离;以及x射线的波长。如果你知道光的波长，你就可以旋转晶体，在每个方向上绘制出晶格间距。

威廉被他儿子的计算所激励，建造了一个装置，可以精确地将x射线传送到晶体中，并测量由此产生的衍射模式。他们如此精确地研究了一个又一个结构，正如诺贝尔物理学委员会主席在他的颁奖演讲中所说的那样，最大的错误来源是物理常数——像h和c这样的数字，现在你可以在教科书上查到!

劳伦斯在25岁时成为迄今为止最年轻的诺贝尔奖得主，他继续将他的x射线衍射技术扩展到分子生物学的研究中。他在卡文迪什实验室的四位同事后来因x射线晶体学的发现而获得了诺贝尔奖，巧合的是，他们都是在1962年:弗朗西斯·克里克(Francis Crick)和詹姆斯·沃森(James Watson)(在医学奖上发现了DNA的结构)，马克斯·佩鲁茨(Max Perutz)和约翰·肯德鲁(在化学奖上发现了球状蛋白质的结构)。

答:原子核中的质子数

元素周期表是根据不同元素的原子的化学行为组合而成的，这使得关键的见解得以实现，即在周期表中越靠后的元素原子量越高。我们现在知道，原子量与原子核中质子和中子的数量成正比，但正是质子的数量决定了元素的化学性质。中性原子的电子数与质子数相同，并根据电子在原子中的分布情况发生化学相互作用。

我们现在知道了，但在1917年，这一切都很神秘。毕竟，关于原子核——原子中间质量和正电荷的小而密集的集中物——的知识仅仅是6年前的事!中子直到15年后才被发现。巴克拉对二次辐射的研究是该领域的一场地震。其他人注意到，当x射线穿过材料时，材料往往会发出辐射，但巴克拉意识到有两种类型的二次辐射:来自原始传输的反射x射线，以及波长取决于材料的“特征”辐射。我们现在知道，当x射线电离一个原子，击出一个电子时，就会发生这种特征辐射。当这个电子在一个内层(低能量)轨道上留下一个空隙时，一个来自外层轨道的电子就会掉下来填补这个空隙，额外的能量就会以光子的形式释放出来。光子的波长取决于所涉及的两个轨道之间的能隙。如今，这种x射线荧光是识别样品中存在哪些元素的常用工具。

巴克拉很快就意识到，他的x射线是从电子散射而来的，而它们散射的频率可以告诉他一个原子最初有多少个电子。因为他的原子是中性的，所以这个数字和质子的数量是一样的——很快就清楚了，当涉及到x射线荧光和元素的其他特征时，重要的是质子的数量。突然，元素周期表揭示了一个美丽的底层结构。元素的原子量并不是在不规则的时间间隔内上升;相反，每一个原子序数都比前一个原子序数高1。这一发现带来了令人兴奋的惊喜:科学家们终于可以准确地预测周期表中还有多少洞，标记出尚未被发现的元素。

答:在任何给定频率下，吸收器只能以某一最小能量的倍数发射能量。

在物理学中，一个完美的吸收体被称为黑体，它可以吸收所有照射到它身上的光，这样就没有反射，所以它发出的所有光都来自热辐射。恒星通常被描绘成黑体

在普朗克在1900-1901年解决这个问题之前，已经有很多人尝试为黑体光谱的形状建立数学模型。普朗克从可用的实验数据中费力地计算出方程的形式，然后致力于从理论上推导方程。他设想了一个盒子——一个空腔——它的墙壁反射了里面所有的光，除了那些能通过针孔逃逸出去的光。腔体包含几个振荡器，每个振荡器都有自己的特征频率。(波的频率是每秒完整的周期数;频率越高，波携带的能量就越多。)这个简单的系统产生了正确的方程，但前提是振荡器的能量是量子化的。假设一个振子的频率为f。它的能量可以是0，或hf，或2hf，或3hf，其中h就是我们所知的普朗克常数——但它不可能介于两者之间(比如一半hf或hf乘以)。当一个物理量必须有一个离散值，它是某个最小值的整数倍，而不是允许连续变化，我们说这个量是量化的。

最初，普朗克认为这不过是一个数学技巧，他认为这只适用于黑体腔内的理论振荡器，而不适用于穿越空间的光。然而，其他人接受了这个想法，并开始实施。很快，光由光子组成的观点——离散的电磁能量束等于其频率的h倍——站稳了上风(这在很大程度上要归功于阿尔伯特·爱因斯坦)。普朗克的能量量子化成为量子力学的基本原理，量子力学也以此命名。

普朗克迟迟不接受他所创立的理论，但人们对他的严谨和道德基础怀有极大的敬意和爱戴;在德国开展基础研究的80多个马克斯·普朗克研究所就是他名声的明证。20世纪30年代，他抵制了纳粹消灭所谓“犹太物理学”(即相对论和量子力学)的努力。他活得比前四个孩子都长，其中一个儿子因参与刺杀希特勒的阴谋而在1945年被处决。

答:原子中的电子能级

你可以通过棱镜中白光的折射看到整个可见光谱，但这是连续的——“光谱线”是另一回事。想象一下，你正在观察彩虹的光谱，在它穿过氢气之后。你会看到光谱被暗条纹打断:那些特定频率的光被氢吸收了，所以你之后就不能欣赏它了。为什么氢只优先吸收特定频率的光?嗯，如果一个原子要吸收光，它就会获得能量(也就是说，进入激发态)，它需要一个地方来放置这些能量。这意味着原子只能吸收恰好能把电子踢到更高能量状态的光。在光谱的那个地方形成了一条暗吸收线。(被激发的原子倾向于衰变到低能态，释放出与能级之间间隙能量相同的光;这使得原本暗的光谱中出现了明亮的发射线。)每种元素都有自己独特的光谱线。 This is how Stark earned the first half of his Prize, by the way: the "canal rays" were really fast-moving, excited ions (positively charged atoms), and Stark observed a distinctive frequency shift in their emission lines depending on whether the ions were moving toward his apparatus or away from it.

通常，一个电子有几个具有相同能量的状态。例如，电子可能自旋向上或向下，或者它可能有不同的角动量，但与原子核的近似距离相同。这些状态是简并的——它们是不同的，但它们的能量是相同的——直到某件事打破了对称性并分离了能量。斯塔克使用了一个非常大的电场来打破不同角动量状态之间的简并。在氢原子上没有场的情况下，四种可能的状态都具有相同的能量，显示出一条谱线;应用磁场后，它们分成了三条不同的线。(简并只是部分被打破。)量子力学早期的成功之一是它对斯塔克效应的解释。

具有讽刺意味的是，斯塔克如此猛烈地反对量子力学(以及相对论)。尽管他擅长实验，但他更执着于自己对世界的看法——以及自己的种族主义观点——而不是科学证据。与1905年诺贝尔物理学奖得主菲利普·冯·伦纳德一起，他试图建立一种“雅利安物理学”，摆脱阿尔伯特·爱因斯坦等人的“犹太”影响。事实上，战后的一个去纳粹化法庭以“重犯”的罪名判处他四年监禁。(上诉时，另一家法院将其降级为“较轻”。)对于一个早年取得如此伟大成就的人来说，这是一笔可耻的遗产。

答:不胀钢

乍一看，这可能听起来不太像物理学，但这些“异常”实际上非常有用。现代科学的基础之一是可重复性的概念:你应该能够重复某人的测量并得到一致的结果。不过，要做到这一点，你需要对这些数字的含义达成一致。常见的单位，如公制，使得解释和重复来自其他单位的测量成为可能。

那么，如何定义一米呢?如今，米的定义是以光速为基础的，但在纪尧姆的时代，要准确地知道米的长度，需要一个精确的米原型的复制品，一根长度合适的铂铱棒。但当温度变化时，金属倾向于膨胀和收缩。在一个高精度的实验中，毫米的分数很重要，你不希望在夏天和冬天得到不同的结果。这种仪表的原型是相当稳定的温度，但铂金非常昂贵。纪尧姆确信他能做得更好。1896年，经过长时间、彻底和仔细的镍钢合金实验，他确实做得更好:因瓦合金(因“不变”而得名)，由36%的镍和64%的铁组成。而且，它不仅比铂铱便宜，而且更稳定!(至少达到225摄氏度左右。目前还不清楚Invar的温度稳定性是如何工作的，但似乎部分原因是由于它的铁磁性——而这个温度是内部磁性开始分解的地方。)

因瓦仍然是测量设备和其他高精度仪器的主要组成部分。纪尧姆活着看到它被广泛采用，还有一种相关的合金，叫做elinvar。在他获奖时，他是法国圣夫勒国际度量衡局的局长。