当前位置:首页 > 研究撷珍
胡刚复先生在世界和中国物理学发展中的贡献

胡刚复先生在世界和中国物理学发展中的贡献

解俊民

(中国科学技术大学)

 

    胡刚复先生是我国现代一位极有贡献的物理学家,无论对世界的还是对中国的物理学发展都可如此说。

     他在青年时代就具备了优良深厚的家庭教养和学校教育基础。后来以其杰出的考试成绩被录取于首届庚款留学,派送到美国哈佛大学。1909年入学后先读了四年本科,于1913年毕业,获得理科学士学位。接着就进了哈佛研究院,在著名的X射线学和放射学学者杜安教授(Prof.William Duane  的指导下先后完成了两年理科硕士学位和三年物理学博士学位的学习与研究,于1918年毅然回国。在回国前夕,虽经杜安教授再三热情挽留在哈佛继续从事科研合作,但他深知祖国贫困落后,灾难深重,报效祖国心切,始终未改变初衷。

   他在大学本科学习时,在头两年里专业方向尚未能确定,便在数学和化学方面选习了好几门课程,到了第三年才开始专攻他最感兴趣的自认为最富于思维训练的物理学。在哈佛研究院学习期间(1913-14年),他先在哈佛研究院和波士顿市的亨廷顿肿瘤医院研究镭元素的提取、提纯和癌症的放射线治疗方法,这是当时世界科技界的一项前沿研究课题。从19141918年,他便一直在哈佛研究院的杰佛逊实验室专心致力于X射线K线系与原子深层结构的基础课题研究。他的博士论文题目统称为“X射线的研究”,内容分两部分: I.化学元素X射线临界吸收频率的实验研究; II. X射线频率与光电子最大速度关系的实验测定。这项研究的学术贡献主要有以下几个方面:

   (l)20世纪20年代之前的几年中,X射线的标识谱与吸收谱是实验物理学的热门课题。当时杜安已与另一位合作者 F.C.布莱克(Blake)对铈(N=58)和 N=35)以及在这两元素间除了惰性元素和当时尚未发现的第43号元素Tc锝之外的19个元素作了X射线吸收谱频率的实验测定。他们未能向原子序数较低的元素继续延伸,是由于这些元素的原子发射出来的X射线较软(频率较低), 易被商品X射线管的厚玻璃窗口大量吸收。 胡刚复先生的创新之处是他自行研制了一套X射线管,在窗口处直接焊上直径为2.54厘米(1英寸)的长玻璃管,在管的另一端封上了极薄的玻璃半球作为窗口,其凹面朝外以增强机械强度。此长管一直伸到X射线仪的狭缝之前,用作准直管,以避免空气吸收X射线而引起的干扰,从而可取得较软的X射线的可靠数据。此外,他还提高了X射线管的真空度,达到低于O.133帕,并采用了当时布拉格父子(W.H.Bragg W.L.Bragg)发明的晶体反射式X射线谱仪,来测定波长。这样就把当时已有的X射线Kα线系的临界吸收频率数据延伸到了从硒 (N=34)到锰(N=25)的10个元素。

   (2)他以高超的实验技能,用先进的实验方法和精密的仪器设备进行测定,得知当时人们所称的X射线临界吸收频率、吸收体内临界电离频串、X射线管中由激励电子能所确定的临界X射线频率和最高特征发射频率这四个数值都是相等的、一致的,从而澄清了其他学者在不够理想的实验条件下所得结果的明显误差。

   (3)按照莫塞莱定律,一种X射线标识谱的频率的二次方根√ν与发出此谱线的原子所属元素的原子序数 N 成正比关系.1917年,尤勒(H.S.Uhler)、杜安与布莱克分别做了实脸,他们指出,当N值相当大时,√ν N二者之间就偏离了线性关系,此时,√ν-N 曲线是渐渐向上弯曲的。胡刚复重复做了以上三人所做的实验,以其精密的实验数据作出了X射线管中轰击靶面的电子速度vN之间的关系曲线,却得出一条条平滑的直线。这在用量子力学理论证明莫塞莱定律只是一种近似的规律以前,胡刚复的实验结果是颇受重视的。

   (4)胡刚复认识到X射线的光电子效应乃是高能量电子束产生X射线的逆向效应,因此产生正反两种效应的机制对于金属表面的原子结构应当是统一的,所以进行定量探索在理论上和应用上均有重要意义。他的实验结果证实了标识X射线在金属表面所产生的光电子和紫外线及可见光同样符合(1/2)mv = hν (不计脱出功)这一爱因斯坦的光电效应公式,他在实验中用足够均匀的磁场使光电子束聚焦于感光片上,从而测出电子速度及其在不同方向上的分布,并明确了选择性光电效率和X射线选择性散射的存在。

   胡刚复及其导师杜安和杜安的其他几位合作者在X射线研究工作上的一系列成果,对于揭示元素的原子激发和发射、吸收、散射X射线的机制,对于理解X射线在物质中所引起的电离和反光电效应,从而对于原子深层结构的认识,具有重要意义,也可以看作是发现康普顿效应和建立物质波概念的前奏.因而 F.洪德(Hund)在他所著的《量子理论史》一书中论及粒子流与波动过程之间的实验唯象联系时指出:(a)电子加速临界速度和X射线短波限的关系早已在1916年为杜安及其合作者们以实验证实; (b)杜安及其合作者们在1923年以前就认识到衍射时晶体所接受的动量 △p h/ 的整数倍(I是晶格常数),即△p =n h/n为整数); 又说明.P.约尔丹(Jordan)曾在10264月指出,“杜安的数学表达式在形式上已经显示出相当于后来L.V.德布罗意(de Broglie)所说的粒子的动量和波的波数二者之间的关系了,可惜杜安本人还未看出来.在杜安的著作里还找不到相应的物质波概念”。不过由此也已可知,杜安及其包括胡刚复在内的合作者们在X射线实验研究中所获得的成果毕竟已给后来人的物质波概念提供颇有启发的资料了。

   胡刚复在X射线研究中的一些学术价值很高的实验数据,不久便被著名的物理学者 M.德布罗意 (L.V.de Broglie的胞兄)引进于其专著《X射线》一书中。1954年在 A.H.康普顿(Compton)与S.K.艾里森(Allison)合著的《X射线的理论与实验》一书中引用3处之多。他们指出,杜安和他的合作者们的这一类数据有助于物理学者切实了解X射线的发生机制和原子的深层能级结构。

   胡刚复在20世纪20年代之前在 X射线领域中做了广泛而重要的工作,在世界物理学界作出了踏实的基础性贡献。他是中国学者中第一个从事X射线研究的科学家,为我国物理学界增添了光辉的一页.

   胡刚复于1918年初夏回国,开始实践他的科学救国的宏愿,他先着眼于人才的培养。当时国内谈不上良好的高等教育与科学研究的条件,但他毫不怨天尤人,也毫不后悔当初决定回国的失策,而是充满热情地参加高等学校和科研机关的兴建,努力培养人才和创造培养人才的条件。同事们、学生们以及广大社会人群还不懂得科学实验教育和这种工作的重要性,他就身体力行地干起来,并苦口婆心地一一加以劝说。还把物理学知识随时随地应用起来,造福于社会和人民。他对社会,对人民,对学校,对学生,对同事,爱护备至,关怀备至。从而在归国之后对中国物理学界所作出的杰出的贡献,主要就在培养科学人才方面了.

   胡刚复回国后,积极投身于高等学校的教育工作,实际感受颇多。在19206月美国出版的一本《哈佛大学1913级级友会秘书第三次报告书》中刊载他所写的一封信。信上写道:“1918年夏我的研究工作暂告完成。我之所以说是暂告完成,是指科学没有止境。……我终于决定离开我愉快逗留过八年多的美国回到自已的祖国,担任教师一职了。我国十分贫困,物资短缺,致使教育事业也难以有效地推动.……今后我的一生将面临艰苦的斗争了。” 这段话出自70年前一位留美学习的中华爱国青年之口,对比今日情况,诚令人深思.

   胡刚复回国后,1918-24年任南京高等师范学堂物理学教授,1925年任南京东南大学物理系主任。1926-27年任厦门大学物理学教授,1927年兼任物理系主任和厦大理科部主任(当时尚无理学院,理学院到1930年才正式成立)1927-28年任南京第四中山大学教务处处长及理学院院长,并创办中央大学,任教授。1928-31年协助创建中央研究院物理研究所,任专职研究员。稍晚他又协助创建北平研究院,并兼任该研究院镭学研究所的特邀研究员。1931-36年任上海交通大学教授。1918-50年还同时一直兼任上海大同大学教授及理学院、工学院院长、校长。他为了扶持大同大学,不领兼职工资。他在大同大学所创建的近代物理实验室,在南通实业家张謇父子的资助下,其设备之先进与丰富,在国内私立大学中是绝无仅有的。 1936-49年他先后任浙江大学文理学院及理学院院长兼教授。在抗日战争胜利后的1946-49年间,他率领一批中国青年学者到英国学习微波雷达新技术。    1949-51年任北洋大学教授,1951-52年任天津大学教授,1952-66年任南开大学物理系教授。此外还兼过上海同济、光华、大夏等大学的教授。他在回国前就与任鸿隽、竺可楨、胡明复等留美同学多人商议发起并创建中国科学社于上海,提倡科学研究和普及科学知识。20年代,我国军阀混战,大学均有名无实,图书和实验仪器奇缺.任鸿隽曾说过:“一入国门,除随身可J带的几本书而外,无书可以参考”。此时胡刚复与其他若干社友积极建立了图书馆,这个图书馆所收藏的国外科技书刊远远超过了当时国内几所著名的大学。解放后他还担任中国物理学会理事及名誉理事,天津市政协委员等职。.

     胡刚复毕生从事高等教育事业,桃李满天下。早期学生就有吴有训、严济慈、赵忠尧、施汝为、朱正元、吴学周等,稍晚有余瑞磺、钱临照、陆学善、钱学森、吴健雄、冯炳铨,朱剑寒、卢嘉锡等,再晚有程开甲、胡济民等著名科学家。

   1918年他刚回国任教于南京高等师范时,物理学教授只有他一位。他一人负责全部物理课的讲授和实验课开设与指导。物理学自晚清引进我国之后,教师在课堂上总是宣读英文讲义,学生照本背诵,大学和中学均无物理实验室.要说有,实自胡刚复在南京高等师范开始。物理学本是以实验为基础的,从这一层意义来讲,胡刚复是真正把物理学引进中国的第一人。他上实验课时并不是让学生照一本实验讲义依样画葫芦去操作,而是让学生自行设计、制作或校验,修理仪器部件,使学生手脑并用,将课堂理论与实验相结合,学会深入分析问题实质,以巩固基本概念和理论知识,并使学生了解实验在物理学中的重要性          

   19231212半夜,南京高等师范失火,物理实验仪器全毁,胡刚复奔走于宁沪两地,甚至中途在苏州下车,从大同大学和东吴大学借得实验仪器与教具,赶回南京授课,使实验不致中断。他认为要培养一名科学家(包括理论家),就必须让他在学习期间接受扎实的实验训练,使其具有科学家的素养。他严格禁止学生伪造实验数据。

   胡刚复讲课有他的特色。当他在黑板上推导公式偶尔出错时,他就另改思路重新推导,并讲明出错的原因,而现在为什么又正确了。虽然多费了一些 时间,但比照本宣读的旧式讲授方式往往使学生得益更多。他有时还讲述一个基本物理概念或理论产生的历史线索和科学大师们的创造思路,这不仅向学生灌输了科学知识,还教给了他们研究方法,启发他们创造性思维。学生在课外提问时,他总是不厌其烦地解答。往往旁及学习方法,选课方向以及对待学问和生活的态度等等,常历数小时不知疲倦。

    他对青年十分关心.青年教师和学生们非常愿意和他谈论各种想法,他对他们则倍加爱护。在浙大期间,当进步师生受到迫害时,他总是和竺可桢校长等设法保护或保释他们。每学期学生选课时,他总是特别忙碌.因为他要利用这个机会和理学院每一名学生谈话。他查阅他们前几学期的学习成绩,了解其志趣、特长、优缺点和选修此课的原因,从而对选课和学习方法进行具体指导。他特别注意培养优秀学生,20年代初期,他在南京高等师范学堂任职时曾解私囊资助一位极优秀的学生严济慈出国学习。抗日战争胜利后,他亲自与英美著名学者联系,选送学子出国深造。晚年,他虽然耳聋严重,在南开大学还于晚间开课,指导青年教师研究X射线,并为他们翻译资料,直到逝世。

   胡刚复在处理行政工作方面也有特殊才能和高度热情。 1936年胡刚复应浙江大学竺可楨校长聘请,出任浙大文理学院院长,一年后,日军侵犯上海,沪宁杭一带的机关学校纷纷准备内迁。胡出任浙大的非常时期教育委员会研究股主任,为西迁路上的开路先锋。竺校长规定的原则是“不耽误学业,到时上课”.浙大搬迁7次,途经6省,行程2600千米,基本上完成了校长提出的要求。在杭州陷落前夕,他领两名职工到危城抢运出大量图书和仪器。在每次搬迁过程中,他总是陪同校长或独自前往可供选择的地点,考察并提出办学环境、食宿、交通条件、用房布置、图书设备的具体运输计划、物资的供应和储备计划以及当地物价的上涨速度等有说服力的实际调研结果和数据,使校务会议据此确定最佳方案,使全校师生和图书仪器都能在战乱中及时、安全地到达目的地;人员差不多到齐时,便能有秩序地上课。

   1940年浙大需在遵义东边的湄潭县城和湄潭县的永兴镇两处建立分部,受到当地各界的热烈欢迎,但当地的国民党书记长叶道明却组

织一批歹徒持刀阻碍,并造谣中伤胡刚复等浙大负责人;国民党贵州省负责人黄宇人也和叶相呼应,称“有共产党从中利用”。胡刚复一身正气,他一面派人保护施工现场,一面派人拍下歹徒持刀威胁施工的场面,公开展览照片,并向法庭起诉,迫使叶道明认错服输,从而使浙江大学湄潭和永兴两个分部相继设立。

   浙江大学,尤其是理学院,在竺可桢校长和胡刚复院长的苦心经营下,在十分艰苦的抗日岁月中,办得兴旺发达,其师资阵容之强大,国内少见。当时学术活动之多,成果之盛,堪称空前.在国外发表的论文有不少出自当时的青年讲师助教之手。王淦昌教授的那篇极有创造性的“关于中微子实验的设想”一文,就是在这个时期发表的。

   194410月李约瑟博士及其夫人桃乐赛和毕丹耀、曹天庆等一行五人到浙大理学院参观时,浙大的一批中国科学社老社员,特地把物理学会贵州区年会和中国科学社湄潭分社的联合会安排在此时举行,以使他们充分了解浙江大学理科的学术水平。结果,确实使李约瑟等人惊叹不已,并一再推迟离湄日期。据同年1218日的《竺可祯日记》上记有:“1216贵州日报载,李约瑟回英国后,在大学委员会演讲,称西南联合大学和浙江大学可与牛津、剑桥和哈佛相媲美”.

   抗日战争胜利后,浙大迁返杭州。解放前夕,胡刚复断然拒绝赴台,避居上海。解放后,胡刚复为新中国欢呼。他虽耳聋日趋严重,仍孜孜不倦地为教育年轻的后代科学家而奋斗。胡刚复十分关心国家和学校的科学与教育规划,提出过许多宝贵建议(特别是原子能和半导体方面的)。他为大量培养研究生和为此所需的物质条件而大声疾呼。他认为提高中学和大学的数理化教学水平是发展中华民族科学技术的核心问题。因此,在解放前他与胡悫合作编写了中学物理教材;解放后还为杨润殷校阅了爱因斯坦所著的《狭义和广义相对论浅说》一书的中译本书稿(1964年上海科技出版社出版)。在国家度量衡方面,他和其他物理学家一起提出了1等于3市尺、1千克(公斤)等于2市斤、1公升等于1市升的方案,在物理学的中译名方面,他首先提出电学上的“电位”和热力学上的“熵”这两个难译的译名。

   1 932年“一?二八”事变中,他为了打击日本侵略者的凶焰,自发地日夜守在上海最高层建筑的楼顶上,用望远镜侦察日军旗舰“出云号”夜泊黄浦江上的地点,协助击伤了敌舰,因此获得十九路军的奖状。

   1938年浙大暂留江西泰和上田村期间,曾为当地防洪筑堤7.5公里.不少浙大师生帮助民工完成测量和挖土填土工作。胡刚复每天到工地审视,检查进度和质量,使工程按时完成。次年赣江泛滥,上田村得保无恙。村民称颂此堤为”浙大防洪堤”, 有人还称之为“刚堤”,表达了人民对浙大5:17 2007-10-12师生和胡刚复的深深怀念。

   在浙大驻湄潭期间,胡刚复一直想筑坝蓄水,开凿河渠,利用湄江的水发电和灌溉。他曾带其子南琦先生一同爬上城侧的山头,上山下山让南琦走在前面,利用其身高作为测量标杆,目测山高,还沿着湄江测量和估算湄江上下游间的落差,+分认真,可惜限于当时的财力,未能实现筑坝计划。

   胡刚复生活简朴,衣食从不讲究,但嗜好读书,也乐于在与别人交谈中了解实际知识或情况,有其自发的唯物主义思想和群众观点。他为人刚正坦诚,不务官场活动,从不打官腔摆架子,从不隐晦自已的观点,大义凛然.他的气量大,对持反对意见的人从不计较,总是宽厚相待。他对教育事业的忠诚,对培养青年学子成长和期待他们事业进展的赤诚之心,使海内外中华学者莫不肃然起敬。他对兼职筹建中央研究院和北平研究院以及协助清华大学筹建物理实验室时,均克尽所能,不遗馀力。

   中国物理学会为纪念胡刚复、饶毓泰、叶企孙、吴有训在发展我国物理科学,培养物理人才方面的重大贡献,在1987年召开第四次全国会员代表大会上决定设立纪念这四位老前辈的奖励基金,以资奖励有突出成就的物理工作者。

   胡刚复先生崇高的思想品质和才华是值得我们后辈永远敬仰的。
[返回]
无锡市堰桥中学 中国物理学会 江苏省作家协会 江南大学        

版权所有 胡雨人研究会 苏ICP备1205150-1号
地址:无锡市惠山区长安街道堰新社区村前村  联系电话:0510-68915900-813