杰出的物理学家(第IV部分)

话题:
作者:
Anne Corning

2021年2月刚刚过去,我们已经看到了一些重大的科学成就、技术突破和最新研究成果的问世,包括美国国家航空航天局美国国家航空航天局(NASA)“毅力号”漫游探测器登陆火星以及有效的新冠肺炎(COVID-19)疫苗的持续扩散COVID-19 vaccines
为了表彰全球范围内所有正在进行的、至关重要的科学研究和技术创新,瑞淀将继续推出“杰出的物理学家”系列(点击阅读第I部分, 第II部分第III部分),重点介绍我们钦佩的一些物理学家:

中村修二(Shuji Nakamura) (1954 – )

Shuji Nakamura_blue LED
中村修二 (图片来源: Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International)

如果没有中村修二,许多现代化科技设备都不可能存在。他发明的蓝光LED(发光二极管)永久性地改变了照明和显示器领域。中村修二出生于日本,曾学习电气工程,上世纪90年代在Nichia公司(专注于化学品和电子产品业务)工作。在那里,他进行了一些研究。后来,凭借这些研究成果,他与赤崎勇(Isamu Akasaki)和天野浩(Hiroshi Amano)共同获得了2014年诺贝尔物理学奖。

早在数十年前的上世纪50年代和60年代,绿光和红光LED就已经被开发出来了。然而,事实证明,生产蓝光LED要困难得多。制造一个LED需要两个不同的半导体层,一个带有额外的电子(n型),另一个则带有开放的“空穴”以接收这些电子(p型)。当施加电压时,电子可以从n层移动到p层,从而释放能量;有了足够的能量之后,它们就会产生可见光。红光、黄光和绿光LED可以通过使用不同的半导体材料并添加化学杂质(“掺杂”)来制造。1

然而,制造蓝光LED需要更多的能量,这对半导体材料层提出了额外的要求。中村修二和他的合作者们使用难以处理的氮化镓(GaN)进行半导体研究,直到他们能够生产出高质量的氮化铟镓晶体(InGaN),从而创造出高效的蓝光LED。他们的工作使创造白光光源成为可能——通过混合蓝光、红光和绿光LED的输出,或者通过激发磷光体材料和蓝光LED来产生绿光和红光。2

LED layers

LED由半导体n型层和p型层组成(上图)。现代化蓝光LED将氮化镓(GaN)与其他元素结合使用(下图),以生成各种颜色的光。(图片:© Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院)

中村修二于1994年获得德岛大学(Tokushima University)博士学位后,于1999年加入加州大学圣塔芭芭拉分校教师队伍,在那里,他继续致力于氮化镓(GaN)薄膜技术的研究,以开发基于氮化物的高效LED和激光二极管。

正如NOVA的Don Lincoln解释的那样:“相比白炽灯和荧光灯,LED现在可以使用少得多的功率发出更多的光。举例来说,白炽灯泡每瓦电力可以发出约16流明的光,而荧光灯每瓦可以产生约70流明的光。相比之下,现代化白光LED每瓦可以发出300流明的光,这意味着它仅消耗白炽灯约5%的功率。”3

吴健雄(Chien-Shiung Wu)(1912年至1997年)

吴健雄出生于中国,在那里,她的父亲确保她接受了学校教育,这在当时的女孩中是较为罕见的。她在位于中国南京的国立中央大学(现在称为“南京大学”)学习物理学,师从一位曾与居里夫人合作过的教授。1936年,她前往美国,并于1940年获得加州大学伯克利分校博士学位。1944年,她加入了哥伦比亚大学替代合金材料(SAM)实验室的“曼哈顿计划”,在那里,她对理论物理学和研究作出了重大贡献。

值得注意的是,她是第一位证实恩里科·费米(Enrico Fermi)的β衰变理论的科学家,她帮助开发了将铀分裂成其放射性同位素铀-238的工艺,并改进了测量核辐射水平的盖革计数器。第二次世界大战后,她成为了哥伦比亚大学的教授,并在那里继续进行研究。

在进一步扩展β衰变研究工作的过程中,她继续证明放射性粒子并非总是具有相同的行为:在β衰变期间,奇偶校验守恒定律并不成立,这表明在弱核相互作用下,奇偶校验是不守恒的。1957年的诺贝尔物理学奖授予了李政道(Tsung Dao Lee)和杨振宁(Chen Ning Yang),而这正是吴健雄的研究成果为此奠定了基础。

此外,吴健雄还为医学研究作出了贡献,帮助医生了解与镰状细胞性贫血相关的血细胞的分子变化。她是第一位担任美国物理学会主席的女性,曾获得过国家科学奖章和康斯托克奖,并且是沃尔夫物理学奖的首位获奖者。她于1965年出版的《β衰变》(Beta Decay)著作至今仍是核物理学家的标准参考书籍。

Chien-Shiung Wu

吴健雄,1958年(图片:Acc. 90-105 — 科学服务,记录,20世纪20年代至70年代,史密森学会档案馆)

约翰尼斯·开普勒(Johannes Kepler)(1571年至1630年)

Johannes Kepler_1610 unknown artist
A 1610 portrait of Kepler by an unknown artist.

Johannes Kepler是一位德国天文学家,当时,天文学和其他科学是神学、占星术和物理思想矩阵的一部分。他出生在一个名为Weil der Stadt的小镇,获得了公爵奖学金,在图宾根大学师从当时最著名的数学家和天文学家迈克尔·梅斯特林进行学习。

最初,开普勒想成为一名神学家。后来,他被天文学研究迷住了。他以哥白尼早期的著作为基础进行研究。哥白尼提出了宇宙日心说模型,即太阳(而非地球)是宇宙的中心,行星围绕着太阳转动。

开普勒在他的一生中发表了多部有影响力的著作,比如1619年出版的《世界的和谐》。在该著作中,他提出了行星绕太阳运行的椭圆轨道,并概述了行星运动的一些原理,这些原理后来得到了艾萨克·牛顿爵士的证实,现在称为“开普勒定律”。

开普勒第一定律指出,行星在椭圆轨道中运行,而太阳位于椭圆轨道的一个焦点上。开普勒第二定律认为,太阳与行星之间的直线会在相等的时间内扫过相等的区域,换句话说,在靠近太阳时,行星的运行速度会增加,而在远离太阳时,运行速度则会减慢。开普勒第三定律建立了行星到太阳的距离与它们的轨道周期之间的数学关系。这些定律使我们能够了解任何较小的物体(行星、卫星、空间站等)围绕较大的物体(太阳、地球等)的运动规律。5

此外,开普勒还为光学科学作出了重大的贡献,提供了关于人类视觉发生方式的新颖且正确的描述以及充分利用光的行为进行的新型望远镜设计。

Kepler's 3 laws of planetary motion

开普勒提出的三大行星运动定律描述了行星如何在椭圆轨道上围绕太阳运行(1)、当行星靠近太阳时如何更快地运行(2)以及行星的轨道周期与距太阳的距离之间的数学关系(3)。(图片:来源

埃尔默·埃姆斯(Elmer Imes)(1883年至1941年)

埃姆斯出生于美国田纳西州孟菲斯(Memphis)的一个传教士家庭,就读于该州首府纳什维尔市的菲斯克大学,这是一所以非裔美国人为主要学生群体的学校,他在这里获得了物理学本科和硕士学位,同时还担任过物理和数学老师。由于菲斯大学不提供更高的学位,因此埃姆斯转到了密歇根大学,成为当时有史以来第二位获得博士学位的非洲裔美国人,也是第一位能够从事研究事业的非洲裔美国人。

他在密歇根大学的工作涉及三种双原子气体的红外光谱:溴化氢(HBr)、氯化氢(HCl)和氟化氢(HF),并在此过程中设计和制造了一系列红外光谱仪。在高分辨率红外光谱最早期的一项应用中,他率先提供了有关简单分子的详细光谱。他的研究开辟了通过红外光谱来研究分子结构的领域,并率先提出了精确测量分子中原子之间距离的方法。

此外,他的研究工作还提供了对量子理论的验证。“直到埃姆斯的研究成果问世之前,人们一直对量子理论对电磁频谱所有部分中的辐射的普遍适用性表示怀疑。埃姆斯的研究工作形成了科学思维的一个转折点,这清楚地表明,量子理论不仅是新颖的,除了在有限的物理领域有用之外,还具有广泛而普遍的应用领域。”6

尽管埃姆斯取得了巨大的成就,但他仅在历史上以黑人为主导的一些大学获得了教职,而这些大学不提供博士学位攻读计划。因此,他在接下来的十年里一直在私营部门工作,担任多家工程设计公司的研究物理学家,并因此获得了四项用于测量各种材料的磁性和电学特性的仪器专利。在纽约生活期间,他成为了20世纪20年代充满活力的哈莱姆文艺复兴运动的一员,其中包括Langston Hughes、W.E.B. DuBois等名人。

10年后,他对阻碍企业发展的种族障碍感到沮丧。1930年,他重返学术界,担任菲斯克大学物理系主任。他建立了院系的课程设置和严谨思维方式,积极培养学生,其中一些学生后来继续在密歇根大学和其他顶尖大学攻读并获得了博士学位。7 1939年,他回到纽约,在纽约大学进行磁性材料研究,直到1941年去世。

Elmer Imes

物理学家埃尔默·埃姆斯和他无时无刻不在的烟斗。(图片:菲斯克大学,John Hope和Aurelia E. Franklin图书馆,特别馆藏,来源

 

引用文献

  1. Lincoln, D., “How Blue LEDs Work, and Why They Deserve the Physics Nobel”, NOVA, October 9, 2014
  2. Stoye, E., “Inventors of blue LED win physics Nobel”, Chemistry World, October 6, 2014
  3. Lincoln, D., “How Blue LEDs Work, and Why They Deserve the Physics Nobel”, NOVA, October 9, 2014
  4. Chien-Shiung Wu, Atomic Heritage Foundation, https://www.atomicheritage.org/profile/chien-shiung-wu. (Retrieved February 24, 2021).
  5. Westman, R., “Johannes Kepler”, Britannica (Retrieved February 24, 2021)
  6. Dubay, K., “A Scholar and a Trailblazer”, Rackham Graduate School, University of Michigan, December 20, 2018.
  7. This Month in Physics History: November 1919: Elmer Imes Publishes Work on Infrared Spectroscopy”, American Physical Society (APS) News, Vol. 17:10, November 2008
     
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