长冈半太郎

日本物理学家

长冈半太郎( 日语 :长冈 半太郎/ながおか はんたろう Nagaoka Hantarō,1865年8月15日—1950年12月11日), 日本 长崎县人,物理学家,被誉为日本物理学之父。他于1903年独立提出 土星 型有核 原子结构 的“长冈模型”,否定了 英国 物理学家 约瑟夫·汤姆逊 在同年提出的“梅子布丁模型”。长冈半太郎的研究证明了亚洲人在自然科学方面也是有天赋的,尽管他的努力在当时被 欧洲 科学家有意忽视。他提出一种称之为“土星模型”的结构——即围绕带正电的核心有电子环转动的原子模型。他的模型预言了质子的存在,并为后来的原子模型发展奠定了基础。 长冈市 半太郎在光谱学等领域也有一定成就,他在1909年发表了一篇关于螺线管 电感 的论文,并提出了长冈系数。

人物经历

1865年8月19日生于长崎县 大村市 ,是藩士长冈治三郎的独生子,其父是大村藩勤王派三十七武士之一,后成为政府官员。幼时长冈半太郎曾于大村藩藩校五教馆(长崎县立大村高等学校前身)求学。1874年随父母一起进京,由于小学很顽皮,转入汤岛小学时留了一级,后因学校有 英语 课使他对学习产生了兴趣,1876年又考上了 东京 的英语学校。由于父亲工作的调动,长冈半太郎又转入大阪英语学校(大阪专门学校),最后才又重新进入 东京大学 预备门读书。1882年9月,长冈半太郎进入 东京帝国大学 理学部就读,先后师从 山川健次郎 教授(1854-1931, 日本 教育家)和时任助教授的 田中馆爱橘 (1856-1952,日本 地球物理学 )。1887年在理学院毕业,同时升入研究生院,当时物理学专业的学生个年级也只有一两名。他的研究课题是:《关于磁偏角的实验与研究》,这是外籍教师诺德在来日本之前就开始研究的课题。1887年, 德国 物理学家 赫兹 首先发表了电磁波的发生和接收的实验论文,这一成功的实验证明了电磁波的存在。 长冈市 得知这一消息后,立即再重做实验,并在许多人面前进行介绍。1889年他所写的关于磁偏角的研究论文,在世界上受到普遍重视,一跃而成为世界物理学界的知名人物。

1890年长冈任 东京帝国大学 理学院的副教授,同时继续进行磁偏角方面的研究。1891年10月28日在 岐阜县 和爱知一带发生了大地震,即“ 浓尾地震 ”,七千多人死亡,岩层断裂,留下了相差六米的 断层 。长冈在这时根据“浓尾地震”来测定地磁的变化,开始对地震进行研究。1893年因磁气歪现象的研究而获得理学博士的学位,同年到德国留学三年,在柏林、 慕尼黑 和 维也纳 等地学习,并师从 奥地利 物理学家 路德维希·玻尔兹曼 。1896年 长冈市 回国后,成为东京帝国大学教授,他一方面担任 应用数学 和理论物理学的教学工作,另一方面继续进行他的研究,对磁偏角和岩石弹性波以及全国各地的重力进行测定工作,对地磁、海啸、地震和火山等现象也进行研究,在地震学分野也有很多业绩,这些研究工作使日本的物理学达到了世界的先进水平,也为日本的防震防灾工作提供了可靠的理论数据。1900年,在欧洲的国际物理学会议第一次发表关于磁偏角的论文。

1903年,长冈首先提出 土星 型有核 原子结构 模型的理论,这成为 英国 物理学家 欧内斯特·卢瑟福 在1911年提出的“原子行星模型”的先导。这个理论的提出并预言质子的存在,在世界上引起很大的反响。为了更深入地研究原子的内部结构,他开始对光谱学进行细致地实验与研究。1925年,从 东京帝国大学 届龄退休,曾经担任 理化学研究所 主任研究员、 大阪大学 的首任校长、 日本学术振兴会 会长、 贵族院 议员、第13任帝国学士院院长等职务。

1917年, 日本 创立 物理化学 研究所,长冈任理化学研究所所长和物理学部长。从此对于同生产相结合的科研工作产生兴趣,他则指导当时物理学之中主要课题《原子光谱的研究》,并继续在光谱实验研究的基础上,发展了自己的 原子核 结构的理论。在数学物理学的研究上也有不少贡献,他编辑整理了《椭圆积分表》等各种数值表和计算表。

1930年长冈被聘为苏联科学院名誉院士。1931年到1934年间, 长冈市 担任了新建的 大阪大学 的第一任校长。1934年被选为 贵族院 议员,1939年又担任帝国学士院院长,兼任 日本学术振兴会 理事长。

1937年长冈接受第一届 日本文化勋章 ,他所培养的学生,遍布物理学的各个学科领域,日本 基本粒子 论的创始人 仁科芳雄 是他的研究生;日本第一个诺贝尔物理学奖金的获得者 汤川秀树 ,也是在他在大阪大学担任校长期间,不断的鼓励下获得成功的,可以说长冈是日本物理学几乎各个领域的奠基者和创始人。

长冈市 虽然处在日本学术界的最高地位,担任了学术行政的最高职务,但是他在晚年仍孜孜不倦地进行研究,1950年12月11日,已经85岁的长冈,在逝世前的一个小时,仍在自己的书房埋头于 地球物理学 的论文研究。

成就

自1896年, 法国 物理学家 安东尼·贝克勒尔 意外发现了 的天然放射性,开启了现代原子物理学的篇章,世界各地的学者便开始更为注视对 原子结构 的研究。 英国 物理学家 约瑟夫·汤姆逊 发现带负电的电子暗示中性原子内也应该有带正电荷的粒子,提出原子应该是一个带正电且电荷均匀分布的圆球,而电子则像梅子分散在布丁上,并在1903年提出“梅子布丁模型”。长冈半太郎反对汤姆生的模型,并指出相反电荷间是无法穿透的。他提出的模型则是带正电子的核心在原子中间,周围环绕着若干电子,类似 土星 和 土星环 的状况。于是,长冈半太郎在同年独立提出原子的准 行星 模型,称为“半太郎土星模型”。长冈半太郎建议电子的轨道就像土星环,这是从 苏格兰 学者詹姆斯·马克士威的土星环稳定理论获得的灵感。他的模型是基于跟土星环稳定性的类似解释(土星环能稳定存在是因为土星质量极大),并提出了以下两个预测:

一个质量极大的 原子核 (类似极大质量的行星)。

电子环绕原子核,并且受到电磁力束缚(类似土星环受到重力束缚环绕土星)。

这两个预测都成功被 新西兰 物理学家 欧内斯特·卢瑟福 的粒子撞击实验确认。该模型亦预言了质子的存在,但长冈半太郎并没有明确地说明质子的存在。直至欧尼斯特·拉塞福在1917年至1925年间以多项粒子撞击实验,证明氢原子核存在于其他更重的原子核内,质子才被主流认为确实存在。欧尼斯特·拉塞福在1911年一篇论述“拉塞福模型”的论文里,提到了长冈半太郎的半太郎模型。然而“拉塞福模型”也没有给予电子的环绕运动任何结构。后来, 尼尔斯·玻尔 于1913年提出较仔细的“玻尔模型”,首次引入量子化的概念来研究原子内电子的运动,对于计算 氢原子光谱 的芮得柏公式给出理论解释。

长冈半太郎在光谱学等领域也有一定成就。他在1909年发表了一篇关于螺线管电感的论文,并提出了 长冈市 系数。

人物生活

长冈半太郎于1892年和箕作麟祥的三女操子结婚,两人育有三子一女。长子长冈治男曾任 理化学研究所 理事长,次子长冈正男曾任 尼康株式会社 社长。女儿与长冈半太郎的学生冈谷辰治结婚。半太郎的孙子长冈延子原被寄予厚望是杰出的钢琴家,但死于东京大空袭。操子在1902年去世后,长冈半太郎娶了第二任妻子平川登代,两人育有五子。第五子嵯峨根辽吉是实验物理学家。