古斯塔夫·赫兹（1925年诺贝尔物理学奖得主）
古斯塔夫·赫兹（1925年诺贝尔物理学奖得主）
| 出生 | 1887年7月22日 德国汉堡 |
|---|---|
| 逝世 | 1975年10月30日（88岁） 东德柏林 |
| 国籍 | 德国人 |
| 身份 | 物理学家 |
| 获奖年份 | 1925年 |
| 奖项类别 | 诺贝尔物理学奖 |
| 获奖理由 | 发现电子与原子碰撞中能量交换的规律（弗兰克-赫兹实验） |
生平
古斯塔夫·路德维希·赫兹（Gustav Ludwig Hertz）1887年7月22日出生于德国汉堡的一个显赫学术世家。他的伯父海因里希·赫兹是电磁波实验的发现者，被公认为无线电时代的先驱之一。父亲古斯塔夫·赫兹博士是一位法学家，在汉堡法院担任法官。母亲玛丽·奥古斯特·奥古斯丁出身汉堡富裕家庭。
赫兹在汉堡的文理中学接受教育，1906年进入哥廷根大学学习物理学，随后转到慕尼黑大学和柏林大学。1911年在柏林大学获得博士学位，导师是海因里希·鲁本斯，博士论文研究红外辐射的吸收光谱。毕业后他在柏林大学物理研究所担任鲁本斯的助理，正是在这里他与詹姆斯·弗兰克相遇并开始了著名的合作。
第一次世界大战期间，赫兹应征入伍，1915年在西线战役中身负重伤。战后他回到柏林大学，1917年获得讲师资格（Habilitation）。1920年他受聘为荷兰埃因霍温飞利浦白炽灯工厂物理实验室主任——在那里他研究了气体放电和同位数分离技术。1925年他受邀出任哈勒大学理学院教授兼物理研究所所长。
1934年纳粹当局要求所有学术机构清除"非雅利安血统"的学者。赫兹虽然本身不是犹太人，但他在纳粹的种族法框架下被划为"与犹太人联姻者"（他的妻子是犹太人），被迫于1934年辞去哈勒大学教授职务。他回到柏林的西门子公司实验室工作，在那里领导了管材和超声波方面的研究。
二战结束后，苏联占领军发现了赫兹的才能，将他带往苏联（1945-1955年），在苏呼米附近参与同位数分离和电磁分离装置方面的研究——这是苏联核计划的一环。1955年与苏联达成协议后他返回东德。東德政府任命他为莱比锡大学物理学教授和物理研究所所长。他从1955年一直任教到1961年退休。
赫兹1959年获得东德国家奖，1967年当选东德科学院院士。他晚年在柏林过着平静的生活，1975年10月30日在东柏林去世，享年88岁。
学术生涯
赫兹的学术生涯以弗兰克-赫兹实验为最耀眼的高点。1912至1914年间，他对低能电子在气体中的运动进行了系统的实验研究。他的核心思想是：测量电子在穿过低压气体后收集到的电流随加速电压的变化，如果电子与原子之间发生非弹性碰撞（即电子将部分动能传递给原子），收集电流就会产生突变。
他在实验中使用了铂芯镍带作为电子发射源（灯丝），电化学方法镀金或镀银的圆筒形栅极和集电极构成电极系统，管中充以纯化的水银蒸气（室温下蒸气压约0.01mmHg）。核心创新包括：使用可精密调控的电子加速电压，稳定加热灯丝以维持均匀的电子发射，以及用静电计精确记录微弱的电流变化。
在实验中，赫兹和弗兰克首先观测到的是：当加速电压从零逐渐增加时，集电极电流起初平稳上升；当电压到达4.9伏时，电流突然剧烈下降；此后电流再次爬升，并在9.8伏（2×4.9）和14.7伏（3×4.9）处重复出现下降尖峰。这些周期性下降的唯一解释是：汞原子存在一个4.9电子伏的激发态，在对应能量下发生共振能量转移。当电子在飞向集电极的路径中碰撞到汞原子并激发它时，电子损失了几乎全部动能，无法克服栅极与集电极之间的微弱反向电压。多次碰撞后，电子积累的能量又再次达到激发阈值，于是重复出现同样的下降。
弗兰克和赫兹随后测量了汞原子受激后发出的光辐射——波长为253.7纳米的紫外光。这完全对应汞原子的第一激发态到基态跃迁的能量差4.9电子伏。后来他们将实验扩展到其他气体（氢、氦、氖等），确认了类似的分立激发能值的存在。
一战后赫兹将研究重点从基础原子物理转向了应用物理。他的工作包括：在飞利浦公司研究高压汞灯中的放电过程，改进气体放电灯的发光效率；在哈勒大学研究同位数分离的物理方法——他提出了多级热扩散法，为后来铀同位素的工业分离提供了原理性参考。在苏联期间，他领导的小组开发了电磁同位素分离器，其技术后来被用于制备放射性同位素供医学和科研使用。
获奖成就
赫兹与詹姆斯·弗兰克共同获得1925年诺贝尔物理学奖。颁奖词中写道："弗兰克和赫兹不仅用最简洁的方法证明了玻尔理论中定态能级的存在，而且精确测定了汞原子的第一激发电位。"这被视为对原子量子理论的最有力的实验支持之一。
赫兹和弗兰克在1926年的诺贝尔演讲中详细介绍了其实验装置的每一个细节，并展示了大量原始数据图——这些图至今仍被用于物理学教学，展示了一个典型的量子化激发过程的清晰特征。
历史贡献
赫兹最核心的成就是作为弗兰克-赫兹实验的共同设计者和实施者，与弗兰克一起提供了原子内部"定态"存在的直接实验证据。如果没有他们的实验，玻尔的原子模型在1910年代至1920年代初仍可能被视为纯数学构造或哲学上的推测。正是弗兰克-赫兹实验让物理学界确信原子内部能量的变化确实是量子化的。
具体到赫兹个人的贡献，他的实验设计、电子束控制和微弱电流测量的技能对实验的成功至关重要。他是实验物理的高手，尤其在真空技术、电极设计和微弱信号检测方面展现了卓越的技巧。
在应用领域，赫兹在飞利浦和西门子的工业研究中对气体放电灯、电子管和超声波技术的改进也对现代电子工业产生了实际影响。他关于气体放电的基础研究为高压汞灯、钠灯等电光源的工程优化提供了理论指导。
赫兹一生跨越了多个政治体制（魏玛德国、纳粹德国、苏联占领区、东德），其学术生涯展示了科学家在不同政治体系下的生存之道。他在纳粹时期因其婚姻的"种族问题"失去教职，在苏联时期为核计划服务，最后在东德受到尊崇——这条轨迹在20世纪德国科学家中具有一定代表性。
轶事典故
赫兹对伯父海因里希·赫兹几乎闭口不谈，据说是因为他不想让人们觉得他是"沾了家族的光"才成为物理学家。他很少在公开场合引用海因里希·赫兹的名言，即便在撰写自传时也只用了一句话提及。然而坊间流传的一件事是：海因里希·赫兹在发现电磁波后曾预言"这些波永远不会有实际用途"，而他的侄子古斯塔夫却在飞利浦从事气体放电灯的实用研发——有人调侃说这是"赫兹家族对电磁辐射实用化观点的纠偏"。
赫兹在苏联的十年（1945-1955年）是他最不愿提及的时期。他从不公开谈论在苏联核计划中具体做了什么。苏呼米地区的原子研究所当时的条件和他熟悉的德国实验室完全不同，唯一不变的是他对真空系统和电磁分离技术的执着。1955年回东德后，苏联方面赠送了他一批设备，这些设备后来成为莱比锡大学物理研究所的核心仪器。
与弗兰克深厚的友谊是赫兹一生中最重要的关系之一。1930年代两人因政治变故而失去联系。直到1950年代中期弗兰克访问东德时，两位白发苍苍的老人才再次紧紧握手。据说弗兰克问他："你还保留着我们的实验笔记吗？"赫兹从保险柜中取出了一叠发黄的纸——1914年的原始数据记录，纸张边缘已经脆裂，但实验数据仍然清晰可辨。
参考文献
1. Franck, J. & Hertz, G. (1914). Über Zusammenstöße zwischen Elektronen und den Molekülen des Quecksilberdampfes. Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft, 16: 457–467. 2. Hertz, G. (1925). Über die Anregung von Spektrallinien durch Elektronenstoß. Zeitschrift für Physik, 32: 298–311. 3. 《赫兹传》, 莱比锡大学出版社. 4. Nobel Foundation: Gustav Hertz – Biographical. nobelprize.org. 5. 《东德科学史》, 柏林洪堡大学出版社.