Оуэн Ричардсон

Оуэн Ричардсон (Owen Willans Richardson, 26 апреля 1879, Дьюсбери, Йоркшир — 15 февраля 1959, Олтон, Хэмпшир) — британский физик-экспериментатор, лауреат Нобелевской премии по физике 1928 года. Основные научные труды посвящены термоэлектронной эмиссии, физике твёрдого тела, фотоэффекту и рентгеновскому излучению. Открыл и математически описал закон, связывающий плотность тока термоэлектронной эмиссии с температурой металла (закон Ричардсона), что стало фундаментом для развития вакуумной электроники и радиотехники.

Биография

Ранние годы и образование

Оуэн Ричардсон родился в семье Джошуа Генри Ричардсона и Шарлотты Марии Ричардсон. Окончил школу в Бэтли, затем поступил в Тринити-колледж Кембриджского университета, где изучал физику и математику. В 1900 году получил степень бакалавра с отличием по естественным наукам. Его научным руководителем был Джозеф Джон Томсон, под руководством которого Ричардсон начал исследования в Кавендишской лаборатории.

Научная карьера

С 1901 по 1906 год Ричардсон работал в Кавендишской лаборатории, где занимался изучением электрических разрядов в газах и термоэлектронной эмиссии. В 1906 году он был назначен профессором физики в Принстонском университете (США), где проработал до 1913 года. В Принстоне он продолжил свои исследования и создал одну из первых экспериментальных установок для точного измерения термоэлектронного тока.

В 1914 году Ричардсон вернулся в Великобританию, где занял должность профессора физики в Королевском колледже Лондонского университета. В 1924 году он был избран членом Лондонского королевского общества. В 1928 году удостоен Нобелевской премии по физике «за работы по термионному эффекту и особенно за открытие закона, носящего его имя».

Последние годы

После выхода на пенсию в 1944 году Ричардсон продолжал заниматься научной деятельностью, публикуя статьи по физике твёрдого тела и квантовой теории. Скончался 15 февраля 1959 года в возрасте 79 лет.

Научные достижения

Закон Ричардсона (термоэлектронная эмиссия)

Основным вкладом Ричардсона в физику является открытие и математическое описание зависимости плотности тока термоэлектронной эмиссии от температуры металла. В 1901 году он экспериментально установил, что при нагревании металла до высоких температур (выше 1000 K) с его поверхности испускаются электроны, причём плотность тока \( j \) подчиняется уравнению:

\[ j = A T^2 e^{-\frac{W}{kT}} \]

где:

• \( j \) — плотность тока эмиссии (А/м²),
• \( T \) — абсолютная температура (K),
• \( W \) — работа выхода электрона из металла (эВ),
• \( k \) — постоянная Больцмана,
• \( A \) — постоянная, зависящая от материала (теоретически \( A = 120 \times 10^4 \, \text{А/(м}^2 \cdot \text{K}^2) \)).

Этот закон, известный как закон Ричардсона (или уравнение Ричардсона — Дэшмана), стал основой для расчёта характеристик вакуумных электронных приборов — диодов, триодов, катодных трубок. В 1928 году за эту работу Ричардсон получил Нобелевскую премию.

Исследования фотоэффекта

Ричардсон внёс вклад в понимание внешнего фотоэффекта — испускания электронов с поверхности металла под действием света. Он экспериментально показал, что для каждого металла существует «красная граница» фотоэффекта — минимальная частота света, при которой начинается эмиссия. Его работы подтвердили квантовую природу света, предложенную Альбертом Эйнштейном в 1905 году.

Работы по рентгеновскому излучению

В 1910-х годах Ричардсон изучал спектры рентгеновского излучения, в частности характеристическое излучение, возникающее при бомбардировке металлов электронами. Он установил связь между длиной волны характеристического излучения и атомным номером элемента, что впоследствии было использовано в рентгеноспектральном анализе.

Вклад в физику твёрдого тела

Ричардсон исследовал электрические свойства металлов и полупроводников, в том числе явление электропроводности при высоких температурах. Его работы заложили основы для понимания зонной теории твёрдых тел, хотя окончательно она была сформулирована уже после его смерти.

Применение открытий

Вакуумная электроника

Закон Ричардсона лежит в основе расчёта эмиссионной способности катодов вакуумных ламп. На его основе были разработаны:

• Термоэлектронные катоды — нагреваемые металлические нити (например, вольфрамовые), используемые в радиолампах, кинескопах, рентгеновских трубках.
• Электронные пушки — устройства для создания пучков электронов в электронных микроскопах и ускорителях.
• Термоэмиссионные преобразователи — устройства, преобразующие тепловую энергию в электрическую (например, в космических энергоустановках).

Современная микроэлектроника

Хотя современные полупроводниковые приборы (транзисторы, интегральные схемы) в основном не используют термоэлектронную эмиссию, закон Ричардсона применяется при расчёте эмиссии в полевых транзисторах с металлическим затвором и в вакуумных наноэлектронных устройствах.

Награды и признание

• 1920 — Медаль Хьюза (Лондонское королевское общество)
• 1928 — Нобелевская премия по физике
• 1939 — Рыцарское звание (титул «сэр»)
• Член Лондонского королевского общества (с 1924)
• Член Американской академии искусств и наук
• Почётный доктор ряда университетов (Кембридж, Лондон, Принстон)

Интересные факты

• В 1901 году Ричардсон впервые предложил термин «термоэлектронная эмиссия» (thermionic emission), который стал общеупотребительным.
• Его жена, Лилиан Уилсон, была дочерью известного физика Генри Уилсона, также работавшего в Кавендишской лаборатории.
• В честь Ричардсона назван кратер на обратной стороне Луны (диаметр 163 км).
• В 1913 году он опубликовал монографию «Эмиссия электричества из горячих тел» (The Emission of Electricity from Hot Bodies), которая долгое время оставалась основным учебником по термоэлектронике.

Источники

• Nobel Lectures, Physics 1922–1941, Elsevier Publishing Company, 1965.
• Owen Willans Richardson. Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society, Vol. 5, 1959.
• Richardson, O. W. (1901). "The Emission of Electricity from Hot Bodies". Philosophical Transactions of the Royal Society A.
• Большая советская энциклопедия, 3-е издание, статья «Ричардсон, Оуэн».
• Храмов Ю. А. Физики: Биографический справочник. — М.: Наука, 1983.