叶企孙,我国现代物理学奠基人之一
(1898-1977年)
申克奇
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叶企孙,物理学家、教育家,我国近代物理学的创始人之一。
他利用X射线短波极限与加速电压的关系确定了普朗克常数中考物理学家及其贡献,并得到了当时该方法最精确的实验数据。他在静态液体中精确测量了高压下铁、镍、钴的磁性,为高压磁性做出了开创性的贡献。他创建了清华大学物理系和北京大学磁学组。为我国高等教育和科学事业做出了卓越贡献,培养了一大批著名科学家。
叶乞荪,名鸿娟,笔名李,1898年7月16日出生于上海县唐家巷一个书香门第。其父叶景云为清代举人,国学造诣深厚,藏书七八千册,对西方近代科学及其应用也颇有研究。他撰文推崇沈括历法,能指出二十八宿的位置和图形。曾与黄炎培等人赴日本考察教育半年之久。1905年任上海县敬业学校校长,兼养正学校校长。叶乞荪幼入私塾,1907年入敬业学校,1913年入清华学校,1914年被聘为清华学校国学教员。 叶企孙在父亲的指导下,阅读了经史文名篇,以及《九章算术》、《海岛算经》、《算法通宗》、《筹人传》、《梦溪笔谈》、《谈天》、《天演论》、《群学义演》等著作,获得了扎实的国学功底,为研究中国自然科学史打下了坚实的基础。1918年清华学堂高等部毕业后,赴美留学,1920年6月获芝加哥大学理学士学位,1923年6月获哈佛大学哲学博士学位。回国前,曾赴英、法、德、荷、比利时等国大学和物理研究所考察约5个月,精通英、法、德三国语言。 通过这次访问,他比较全面地了解了欧洲高等教育和科研的情况,这对他回国后的工作大有裨益。1924年3月回国,先后在东南大学、清华大学、西南联合大学、北京大学任教。还曾任中央研究院审查委员、院士、秘书长,中国科学院数理化系常务委员,应用物理研究所特约研究员,近代物理研究所特约研究员,自然科学史研究所研究员,中国物理学会副会长、会长、理事长等职。叶企孙一生致力于我国的高等教育和科学事业,做出了卓越的贡献。“文革”期间,他遭受诬陷,身心备受摧残,于1977年1月13日病逝。
测定普朗克常数,获得当时最好的数据
叶企孙在哈佛大学时,在W. Duane教授的指导下,与H.H. 合作,利用X射线连续谱短波极限(λm)与电子加速电压(V)的关系,计算出
他们用V=hc/λm来确定普朗克常数(h)的值。他们用电位计测V,用方解石分光计测λm,采取一系列措施提高V和λm的测量精度和准确度,得到了V和短波极限布拉格反射角非常高精度的数据,其相对误差比标准电池电动势的相对误差还小。利用这些实验数据和当时国际上通用的电子电荷(e)、光速(c)和方解石晶格常数(d)的数值,得出h=(6556±0.009)×10-27尔格·秒。这篇论文在1921年4月的美国物理学会年会上宣读,并发表在《美国光学会月刊》和《美国科学院院刊》上。 基本常数h的精确测定一直是物理学家十分关注的实验研究工作,叶企孙对此做出了重要贡献。1929年,专门研究基本常数的伯奇(Birge)利用叶企孙等人的实验数据和新的e、c、d值,计算出h=(6.559±0.008)×10-27尔格·秒,并说误差主要来自e值的误差。由此可见,叶企孙等人的实验数据是当时用此法测h的最佳数据,并在国际上长期沿用。
对高压磁学的突破性贡献
1921年,叶企孙转向磁性研究,在高压物理学家PW布里奇曼()的实验室中研究了液体静压对磁导率的影响。以前研究的压强仅为/cm2,实验中考虑不周,未能得出明确的结论。叶企孙利用布里奇曼实验室中可达/cm2的设备,系统地研究了铁、镍、钴的高压磁性,得到了磁感应强度百分变化量(△B/B0)与压强、磁场强度(H)的定量关系。他发现,要得到正确的结果,必须使样品完全退磁,前人所说的“异常效应”其实就是退磁不完全造成的。叶企孙还对高压磁性进行了理论分析,结论与实验结果定性一致。 这项研究由叶企孙独立进行,是高压磁性学的重要进展和开创性的工作,他因此获博士学位。该成果发表在1925年的《美国艺术与科学院院刊》上。布里奇曼的《高压物理学》(1931年)中“压力对磁导率的影响”一节的主要内容就是叶企孙的工作,并说明了后人在此基础上对铁镍合金进行了一系列的研究。
培育人才逾半世纪 成绩斐然
1924年3月,叶企孙被时任东南大学物理系主任胡刚复聘为副教授,讲授力学、电子理论、近代物理等课程。1925年,东南大学物理系第一届本科生毕业,赵忠尧、史汝炜等人毕业后,跟随叶企孙到清华大学任教。
1925年9月,叶企孙出任清华大学副教授,同年清华大学开始开设本科课程。1925年至1928年期间,叶企孙是清华大学物理系唯一的一位教授,他讲授全部理论物理课程,同时,他周密谋划、具体组织,使物理系蓬勃发展,并很快达到国内先进水平。1929年,清华大学决定开设物理研究所(现研究生院),叶企孙出任该所物理研究所所长。1930年,招收了第一位研究生陆雪珊。到1937年,清华大学物理系已成为我国高级物理人才培养和物理研究基地。
叶企孙在培养人才方面有明确的指导思想。首先,他认为要建设高水平的物理系,必须有一批高水平的教授。为此,他想尽一切办法,不带任何偏见地招聘优秀教师,曾打算聘请颜仁光、温玉清等,但未能如愿。1928年至1937年,他先后聘请吴有训(1928年)、萨本栋(1928年)、周培源(1929年)、赵忠尧(1932年)、任志公(1934年)、霍秉权(1935年)、孟昭英(1937年)等教授。他们在叶企孙的领导下,齐心协力,使清华大学物理系的教学和科研在全国名列前茅。 其次,他认为“高等院校除培养实用人才外,还应建立研究中心,以谋求民族学术的独立”。他努力为教授从事研究,特别是实验研究创造条件。他不仅从国外进口仪器设备,还想方设法创造条件自制仪器。1931年,叶企孙在德国,经赵忠尧介绍,聘请了哈雷大学的年轻技师海因策。他跟随叶企孙到清华制造仪器设备,直到抗战开始才转入协和医学院。叶企孙还把聪明好学的同事严毓昌培养成一名技术精湛的实验技术员。 1937年,物理系的主要研究方向有:周培源对相对论的研究,吴有训对X射线的吸收和散射的研究,赵忠尧对γ射线的吸收和散射的研究,萨本栋对电子管和电路的研究。此外,叶企孙指导史汝为研究氯化铬及其六水合物的磁导率,指导赵忠尧研究清华大礼堂的声学问题,为我国磁学和建筑声学的研究开了先河。第三,叶企孙主张:“本系从最基础到最高级的课程,无不以解题和实验工作为中心,力求避免时制高调空洞的弊端”,“科目分配,理论与实验并重,重质不重量”。 他非常重视学生动手能力的培养,要求物理系学生学习木工、金工、机械制图等课程,亲手制作实验仪器,撰写毕业论文。当时中考物理学家及其贡献,清华年轻师生亲手制作仪器成为一种风尚,这确实得益于叶企孙的开创。