اون ویلانز ریچاردسون

اون ویلانز ریچاردسون
نیلز بور و ریچاردسون (راست) در کنفراس سلوی ۱۹۲۷
زادهٔ	۲۶ آوریل ۱۸۷۹ دوزبری، یورک‌شر، انگلستان
درگذشت	۱۵ فوریهٔ ۱۹۵۹ (۷۹ سال) آلتون، همپشر، انگلستان
ملیت	انگلستان
محل تحصیل	کالج ترینیتی (کمبریج) کالج دانشگاهی لندن
شناخته‌شده برای	به خاطر گسیل گرمایونی و قانون ریچاردسون
جوایز	همکار انجمن سلطنتی (۱۹۱۳) مدال پادشاهی (۱۹۳۰) جایزه فیزیک نوبل (۱۹۲۸)
پیشینه علمی
شاخه(ها)	فیزیک
محل کار	دانشگاه کمبریج دانشگاه پرینستون دانشگاه کینگز لندن
استاد راهنما	جوزف جان تامسون
دانشجویان دکتری	کارل تیلور کامپتون کلینتون دیویسون

سِر اوون ویلانز ریچاردسون (به انگلیسی: Sir Owen Willans Richardson) (زادهٔ ۲۶ آوریل ۱۸۷۹ – درگذشتهٔ ۱۵ فوریه ۱۹۵۹) یک فیزیکدان اهل بریتانیا بود. او بیش از هر چیز به خاطر کارهایش بر روی پدیدهٔ انتشار گرمایونی شناخته می‌شود که منجر به کشف قانونی شد که به نام خود او، قانون ریچاردسون، نام‌گذاری شده است.

ریچاردسون به پاس پژوهش‌هایش در زمینهٔ انتشار گرمایونی و به‌ویژه کشف قانون حرکت الکترون‌ها تحت تأثیر گرما، در سال ۱۹۲۸ موفق به دریافت جایزه نوبل فیزیک شد.

اوایل زندگی و تحصیلات

اوون ریچاردسون در ۲۶ آوریل ۱۸۷۹ در دوزبری واقع در یورک‌شر، انگلستان متولد شد. او تنها پسر جاشوا هنری و شارلوت ماریا ریچاردسون بود. او تحصیلات ابتدایی خود را در «مدرسه گرامر بتلی» گذراند و سپس با دریافت بورسیه تحصیلی وارد کالج ترینیتی، کمبریج شد. در کمبریج، او در سال ۱۹۰۰ در آزمون‌های علوم طبیعی رتبهٔ نخست را کسب کرد. وی تحصیلات عالی خود را زیر نظر دانشمند بزرگ، جی. جی. تامسون (کاشف الکترون) در آزمایشگاه کاوندیش ادامه داد. تأثیر تامسون بر او باعث شد تا ریچاردسون به پژوهش دربارهٔ تخلیه الکتریکی و رفتار الکترون‌ها علاقه‌مند شود.

دوران کاری و آکادمیک

ریچاردسون پس از فارغ‌التحصیلی، مدتی به عنوان همکار در کالج ترینیتی ماند. فعالیت حرفه‌ای او در دو سوی اقیانوس اطلس گسترده بود:

• دانشگاه پرینستون (۱۹۰۶–۱۹۱۳): در سال ۱۹۰۶، ریچاردسون به ایالات متحده آمریکا رفت و به عنوان استاد فیزیک در دانشگاه پرینستون مشغول به کار شد. در این دوران بود که بخش عمده‌ای از تحقیقات بنیادین خود را بر روی انتشار الکترون از فلزات داغ تکمیل کرد.
• کینگز کالج لندن (۱۹۱۴–۱۹۴۴): او در سال ۱۹۱۴ به انگلستان بازگشت و به عنوان استاد فیزیک گندستون در کینگز کالج لندن منصوب شد. او در آنجا مدیریت بخش تحقیقات فیزیک را بر عهده گرفت و تا زمان بازنشستگی‌اش در سال ۱۹۴۴ در این سمت باقی ماند.

دستاوردها و پژوهش‌های علمی

مهم‌ترین دستاورد علمی ریچاردسون، تحقیقات او بر روی پدیدهٔ انتشار گرمایونی بود. این پدیده به فرایندی اشاره دارد که طی آن حامل‌های بار الکتریکی (مانند الکترونها) از سطح یک ماده (معمولاً فلز) که حرارت دیده است، آزاد می‌شوند. قانون ریچاردسون ریچاردسون نشان داد که جریان الکتریکی ساطع شده از یک سیم داغ، با دما به صورت نمایی رابطه دارد. او فرمولی ریاضی برای این پدیده ارائه کرد که به قانون ریچاردسون (یا قانون ریچاردسون-دوشمن) مشهور است: که در آن:

• J چگالی جریان انتشار یافته است.
• T دمای مطلق (به کلوین) است.
• W تابع کار فلز (Work Function) است.
• k ثابت بولتزمن است.
• A ثابتی است که به ماهیت ماده بستگی دارد.

اهمیت صنعتی و تکنولوژیک کشف ریچاردسون پایه و اساس توسعهٔ لامپ خلأ را بنا نهاد. این لامپ‌ها اجزای حیاتی در توسعهٔ رادیو، تلویزیون، رادار و رایانه‌های اولیه بودند. بدون درک صحیح از نحوهٔ انتشار الکترون‌ها از کاتد داغ، ساخت تقویت‌کننده‌های الکترونیکی اولیه ممکن نبود. او همچنین اصطلاح «ترمیونیک» را برای توصیف این شاخه از علم ابداع کرد. سایر زمینه‌های تحقیقاتی او شامل موارد زیر بود:

• اثر فوتوالکتریک
• اثر ژیرومغناطیسی
• انتشار الکترون‌ها تحت تأثیر واکنش‌های شیمیایی
• طیف‌سنجی پرتو ایکس نرم

این بخش به صورت اختصاصی و با فرمت استاندارد ویکی‌پدیا برای توضیح قانون ریچاردسون تدوین شده است. این متن می‌تواند به عنوان یک مقاله مستقل یا بخشی از مقاله اصلی (بخش «دستاوردها») استفاده شود.

قانون ریچاردسون

قانون ریچاردسون قاعده‌ای بنیادین در فیزیک است که رابطهٔ بین چگالی جریان الکترونی ساطع‌شده از سطح یک فلز داغ و دمای آن فلز را توصیف می‌کند. این پدیده که به انتشار گرمایونی شهرت دارد، اساس کار بسیاری از ادوات الکترونیک کلاسیک مانند لامپ خلأ است. این قانون نخستین بار توسط اون ویلانز ریچاردسون در سال ۱۹۰۱ پیشنهاد شد و بعدها توسط سائول دوشمن با استفاده از اصول مکانیک کوانتومی تکمیل گردید.

معادله ریاضی

طبق این قانون، چگالی جریان الکتریکی (J) که از واحد سطح یک کاتد داغ به بیرون منتشر می‌شود، تابعی نمایی از دما است و با فرمول زیر بیان می‌شود: که در آن:

• J: چگالی جریان انتشار (Current Density) بر حسب آمپر بر متر مربع (A/m^2).
• T: دمای مطلق سطح فلز بر حسب کلوین (K).
• W (یا \phi): تابع کار (Work Function) فلز است. این مقدار بیانگر حداقل انرژی لازم برای جدا شدن یک الکترون از سطح فلز است و معمولاً بر حسب الکترون‌ولت (eV) بیان می‌شود.
• k: ثابت بولتزمن (1.38 \times 10^{-23} J/K).
• A: ثابت ریچاردسون است که مقداری نظری دارد و به جنس ماده بستگی دارد.

مبانی فیزیکی

در یک فلز رسانا، الکترون‌های آزاد (الکترون‌های ظرفیت) در حال حرکت تصادفی هستند (مدل گاز الکترونی). در دمای اتاق، تعداد بسیار کمی از الکترون‌ها انرژی جنبشی کافی برای غلبه بر نیروهای جاذبه هسته و سد پتانسیل سطح (تابع کار) را دارند. با افزایش دما، توزیع انرژی الکترون‌ها تغییر می‌کند (طبق توزیع فرمی-دیراک یا در دماهای بالا توزیع ماکسول-بولتزمن). در دماهای بالا، جمعیت قابل توجهی از الکترون‌ها انرژی جنبشیِ بیشتر از تابع کار (E > W) پیدا می‌کنند و می‌توانند از سطح فلز به فضای بیرون (معمولاً خلأ) بجهند. عامل نمایی e^{-W/kT} در فرمول نشان می‌دهد که جریان انتشار با افزایش دما به‌صورت بسیار شدید و غیرخطی افزایش می‌یابد.

ثابت ریچاردسون (A)

از نظر تئوری، ثابت A برای تمامی فلزات باید یکسان باشد و از رابطه زیر به دست می‌آید: که در آن m جرم الکترون، e بار الکترون و h ثابت پلانک است. با این حال، در عمل و آزمایش‌های تجربی، مقدار A برای مواد مختلف متفاوت است و معمولاً کمتر از مقدار تئوری به دست می‌آید. این اختلاف ناشی از عواملی مانند زبری سطح فلز و بازتاب کوانتومی الکترون‌ها از سطح است.

کاربردها

قانون ریچاردسون پایه و اساس طراحی کاتد در تمام لوله‌های الکترونی است، از جمله:

• لامپ خلأ: مورد استفاده در تقویت‌کننده‌های قدیمی رادیو و گیتار.
• لامپ پرتو کاتدی (CRT): مورد استفاده در تلویزیون‌ها و مانیتورهای قدیمی.
• مگنترون: منبع تولید امواج مایکروویو در اجاق‌های مایکروویو و سیستم‌های رادار.
• میکروسکوپ الکترونی: تفنگ الکترونی این دستگاه‌ها بر اساس همین قانون کار می‌کند.

زندگی شخصی

ریچاردسون در سال ۱۹۰۶ با «لیلیان ویلسون»، خواهر فیزیکدان همکارش هارولد ویلسون، ازدواج کرد. حاصل این ازدواج دو پسر و یک دختر بود. جالب توجه است که خواهر خودِ اوون ریچاردسون نیز با فیزیکدان مشهور آمریکایی و برندهٔ جایزه نوبل، کلینتون دیویسون، ازدواج کرد؛ بنابراین این دو برندهٔ نوبل با یکدیگر باجناق بودند. پس از درگذشت همسر اولش در سال ۱۹۴۵، او در سال ۱۹۴۸ با فیزیکدانی به نام «هنریت روپ» ازدواج کرد. اوون ریچاردسون فردی آرام و متمرکز توصیف شده است که علاقهٔ زیادی به پیاده‌روی و باغبانی داشت. او سرانجام در ۱۵ فوریه ۱۹۵۹ در همپشایر انگلستان درگذشت.

جوایز و افتخارات

اوون ریچاردسون در طول حیات خود جوایز و عناوین متعددی دریافت کرد که مهم‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از:

• عضویت در انجمن سلطنتی در سال ۱۹۱۳.
• دریافت مدال هیوز از انجمن سلطنتی در سال ۱۹۲۰.
• دریافت جایزه نوبل فیزیک در سال ۱۹۲۸ (به خاطر کار بر روی پدیده ترمیونیک و قانون ریچاردسون).
• دریافت لقب شوالیه در سال ۱۹۳۹ که باعث شد با عنوان «سِر» خطاب شود.
• دریافت مدال سلطنتی در سال ۱۹۳۰.

آثار برگزیده

ریچاردسون کتاب‌ها و مقالات بسیاری نوشت که برخی از مهم‌ترین کتاب‌های او عبارت‌اند از:

• انتشار الکتریسیته از اجسام داغ (The Emission of Electricity from Hot Bodies) - ۱۹۱۰
• نظریه الکترون در ماده (The Electron Theory of Matter) - ۱۹۱۴
• سیستم‌های مولکولی هیدروژن (Molecular Hydrogen and its Spectrum) - ۱۹۳۴

جستارهای وابسته

• اثر ادیسون
• فیزیک کوانتوم