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[资源] [资源共享]汤定元：科学人生

汤定元：科学人生
作者：宓正明时间：2005年7月20日
来源：中国人民政治协商会议上海委员会网站
http://www.casad.ac.cn/2005-7/200572084249.htm
前不久，中科院院士、原上海技术物理研究所所长、我国红外科学技术的开拓者之一汤定元被授予何梁何利基金科学与技术进步奖，并获得２０万港元的奖金。汤定元将这笔奖金捐赠给自己的母校——金坛华罗庚中学，设立奖学金。

汤定元是第六、七届全国政协常委，十届九三学社中央顾问。他没有把这笔钱留给自己和家人，他想到的是发展中国的教育事业，特别是那些虽然一心求知向上，但家境贫寒的学生。捐款的事他并没有告诉别人，但是消息还是不胫而走，大家无不为之感动。其实，这并不是汤定元先生第一次向教育事业捐款，他曾多次向“希望工程”捐款，还为西部地区捐赠了一个“希望书库”。谈起这些，汤先生显得很平静，他说：“我自己出身贫寒，读书很不容易，现在把这２０万元用在最需要的地方，是最合适的。”至于生活，汤先生这样说：“现在我的生活已经够好了。”
对母校梦牵魂绕

汤定元对母校的情感可以追溯到上个世纪的３０年代。１９３１年，汤定元在金坛县城书院小学上五年级。不料遇上了大水灾，家里经济拮据，借贷无门，他不得不休学。在家自学了一年半后，家里的情况略有好转，便想到复学的问题，就去报考金坛县初级中学（今华罗庚中学）初中一年级的插班生。虽然参加了考试，但学校最后没有同意他插班，并不是他考得不好，而是他没有正式的转学证明。他去找当时的韩大受校长，但仍没有获准上学，校长让他到暑假时以同等程度报考初中一年级。学校已经上课好几周了，汤定元还不死心，当时有一位在县中读初中的同乡杨锁福是个“热心肠”，又为汤定元去找韩校长，这次韩校长同意了，但他让汤定元“作为补习生来校上课，暑假后再重读一年级，可以免除入学考试”。此时已是开学后的第五周了，这一学期，汤定元特别努力，想补上所缺的知识，因而经常处于紧张的状态之中。期终考试，他的成绩不算差，更出人意料的是，暑假里他接到了“补考一年级上学期课程”的通知，在夏日炎炎的日子里，他一整天补考了７门课，经过这次考试，他成为正式的初二学生了。

每当他想起自己求学的经历，这段往事总是那么刻骨铭心。汤定元认为，进入初中这一过程是自己能否继续求学的关键，要是那一次进不了初一，非常可能的一个结果是：他从此根本就不能再上学，就会像村里许多穷苦家庭的小伙伴一样失学。因此汤定元总是带着感激的心情怀念韩大受校长，也总是对母校梦牵魂绕。
实践启蒙步入科学圣殿

初中毕业后，汤定元考进了提供免费食宿的无锡师范学校，想在将来当一名小学教师。有一次，他遇然看到一个矿石收音机——那么简单的一个匣子，却能从耳机里听到来自天空的声音。汤定元很想弄懂它的原理，于是，他一有空就钻进图书馆，从报刊杂志上收集介绍矿石收音机的文章，将要点摘录下来。一年下来，他写满了好几本练习本，并开始研读《无线电收音机入门》之类的书。１９３７年夏，汤定元回家度暑假，被一本萨本栋编写的《普通物理学》迷住了，他似乎被带进了一个五彩缤纷的力学世界。譬如书中讲力的合成时举的例子是乘小船到对岸渡口，不能正对着渡口方向行驶，而必须斜向渡口上游方向航行，才能顺利抵达渡口。奇妙的力学世界开阔了汤定元的科学视野。汤定元说，制作矿石收音机是他热爱科学的实践启蒙，而自学《普通物理学》则是他步入科学圣殿的理论指引。
终生受用的大学经历

原以为进了师范，以后就能谋生。没有想到抗日战争爆发，学校遭敌机轰炸，无法继续上学，汤定元只能和一些同学一起向大后方“逃难”。历经艰难，他在重庆北碚读完了师范。在那兵荒马乱的年代，想找一个小学教员的职位也很难，汤定元准备报考大学。可是对于一个从农村出来的师范生，没有读过英语，想考上大学谈何容易？！鉴于汤定元的物理和其他科目成绩相当好，尽管他的英语试卷几乎空白，但当时在重庆的中央大学校方仍破格录取他就读该校物理系——那是１９３８年７月，大学的学习改写了汤定元一生，从此，他终生与物理为伴。

在大学里，汤定元以惊人的毅力攻克了英语关，凭着极强的自学能力和广泛的兴趣，他不但如期完成了学业，而且旁听了不少数学课，还自学了诸如“普通气象学”等其他课程。汤定元认为，大学生活给了他自信和力量，也培养了他对知识的广泛兴趣，这些在他今后的科学研究中是受益无穷的。
不寻常的留美生活

历尽抗战的艰辛，１９４２年汤定元大学毕业，留校任助教。１９４８年初，他通过考试，公费留美，先入美国明尼苏达大学，暑期后转入芝加哥大学物理系，在高压物理实验室劳森教授指导下，用Ｘ射线穿越金属铍Ｂｅ制高压容器，研究金属铈Ｃｅ晶体的高压相变。在这期间，他受到严格的科研训练，并取得初步的科研成果：发现了一种新型的相变。

Ｂｅ金属高压容器是一个创新技术，但Ｂｅ的机械强度不够高，要想得到更高的压力，必须采取机械强度更高的材料。金刚石自然是最佳的选择，但它太硬，不可能在上面钻孔。于是，汤定元想出了一个巧妙的方法：用两片大小相同的金刚石，在每片上硬磨出一个半圆形槽，合起来就是一个圆形孔道，用来置放活塞的样品。他还做了一个小巧的施压设备，限于所能得到的金刚石，这个高压容器很小，最长一边只有４毫米。他获得这个小设备后，就用碲粉（Ｔｅ）作样品，很快就取得了Ｔｅ的Ｘ射线的衍射线，实验证明这个设备是可用的。从测量的晶格常数来估计，这个容器至少可以用到３万个大气压，是当时所能达到的最高压力。该论文后来发表在１９５０年的《科学仪器评论》上。自那以后，金刚石高压容器又经过几次重要改进，现在能得到的静压力最高已达到２００万大气压，最低温度可以用到５Ｋ，成为高压物理研究中常用的重要仪器。汤定元认为，在科学发展历史上，实验手段的创新常常会促进学科的发展。

在芝加哥大学的这两项成果可以算得上是当时实验室的最重要的成果之一，劳森教授把汤定元作为作者之一，就是承认汤定元在工作中有创造性贡献。作为研究生，能够做出这样的成绩是很不容易的。汤定元则认为，初入研究领域的工作者能够碰上一位高水平的导师，在一个创新团队里从事前沿的研究工作，是件很幸运的事。

１９５０年，汤定元顺利地通过学位考试，取得硕士学位，并准备继续攻读博士学位。课题是用他新发明的高压容器研究矿石碳酸钙的相变，这种矿石的相变对于地质学研究意义重大。同时，他还在进行着硅在超高压下导电性能的研究。
新中国的吸引力是大于一切的。不久，汤定元毅然中断了在美国的研究工作，怀着满腔报国热情回到祖国。
献身国家红外科研事业

汤定元回国时，半导体的应用前景已很明朗，国外这方面的研究正在兴起。那时，汤定元在中国科学院应用物理研究所选择了半导体物理作为自己的研究方向。他首先在国内筹备提纯及制备硅单晶，并从事硫化铅和氧化亚铜的光学和光电导研究。为了紧跟国际研究的前沿，由黄昆带头，汤定元和王守武、洪朝生等专家坚持深入研讨如何发展我国半导体事业的重要课题，并决定由黄昆、汤定元等四位专家合作，在北京大学物理系固体物理专业讲授《半导体物理学》课程。与此同时，由中国物理学会牵头，汤定元负责实际操作，进行了三项工作——应用物理研究所召开一次全国性“半导体讨论会”并出版会议文集；翻译出版约飞的《近代物理学中的半导体》；举办半导体短期讲习班。

从１９５８年１２月起，汤定元领导了一个来自９个单位的１８人组成的小组，从事硫化铅红外线探测器的研制工作，他和同事们采用化学沉淀和高温敏化处理方法制备硫化铅探测器。经过半年的艰苦努力，终于研制出性能优良的硫化铅红外探测器，同时建立起一套测试设备。１９５９年，美国的《无线电工程师学会学报》和《美国光学学会杂志》刊物上第一次以专刊形式公布了美国在高度保密条件下，经过１０多年发展起来的红外技术的内容，而汤定元对红外探测器主要参数所建立的测试系统正好与之不谋而合。这套测试系统成为以后国内建立红外探测器实验室的样板。

中国科学院于１９６４年初决定由上海技术物理研究所和昆明物理研究所专门发展红外技术。那年５月，汤定元带领中国科学院半导体研究所１３位科研人员来到上海技术物理研究所。他认为，根据当时的国内科研状况，红外技术发展必须重点抓好红外探测器以及红外技术发展中的专用部件研究，还要做一些高水平的应用研究。基于此，上海技术物理研究所决定按照这一指导思想，根据学科发展方向、社会实际需要调集人力和资源。

１９７８年，汤定元预计到碲镉汞红外探测器在今后红外技术发展中的重要性，就把科研力量逐步集中到碲镉汞材料器件的攻关和研制上来。同时组建物理研究室，其主要研究内容之一是碲镉汞的物理研究，解决碲镉汞红外探测器发展过程中所遇到的问题；其次是固体光学性质与光电过程的研究，为红外技术的新发展开辟道路。

汤定元认为，在重视应用的同时也要关注基础理论问题，特别是具有普遍性并对应用有重要意义的理论问题，抓住了就不能放松，尽力揭示其普遍规律。例如，在研制材料和器件的长期实践中，汤定元认为材料的检测是一个极其重要的问题，它直接影响对材料和器件的评价。当时，碲镉汞晶体的禁带宽度在国际上已经发表了好几个准确度各不相同的经验公式。汤定元想，不能人云亦云，不能简单地认为杂志上发表的就一定是正确的。他坚持认为应当有自己第一手的实验数据和自己导出的经验公式。为了在实验上求得真正的禁带宽度，他鼓励和指导学生克服了制备极薄样品的困难，找到了吸收光谱的转折点——这是物理意义上的禁带宽度。经过对大量样品的测量，进一步通过计算和分析，归纳成了经验公式。这个经验公式所根据的样品组分范围和测量温度范围，都大大超过２０世纪８０年代国外出现的那几个经验公式，而且与实验符合的程度比那些公式更好。国际窄禁带半导体物理会议主席、美国著名学者Ｓｅｉｌｅｒ先生，以三位中国学者姓氏第一字母将其命名为ＣＸＴ公式（褚君浩、徐世秋、汤定元），国内外学者广泛引用该公式，并且应用于实际研究工作中。

２０年来，汤定元在上海技术物理所带领一个科研群体，对碲镉汞材料、器件及物理机制作出了全面系统的研究，在国内外发表了１００多篇学术论文，涉及碲镉汞半导体的能带参数、光学常数、杂质缺陷、材料物理和器件物理等方面。他和同事们还先后开创研制了硅太阳能电池，温差电制冷器，硅ＰＩＮ结粒子计数器，硫化铅红外探测器，热敏电阻红外探测器，锑化铟、锗掺汞和碲镉汞红外探测器以及焦平面列阵红外探测器。这些器件先后用于各种军用和工业装备、科研设备以及航天遥感系统。我国的红外技术从无到有，科研技术队伍日益壮大，汤定元为此贡献卓著。由于汤定元的开创与领导，红外物理国家重点实验室在窄禁带半导体物理性质研究方面取得了多项国际创新的结果，被国际上广泛引用，并被写进多本科学手册和专著。１９９３年汤定元领导的“窄禁带半导体的光学和电学性质研究”获得国家“自然科学奖”三等奖。汤定元主持撰写和编译出版了１０本科技专著和科普书籍，他本人撰写了１００万字，翻译了１２０万字。近年来他还培养了２０多名博士和３０多名硕士，活跃在红外物理和技术研究的许多领域。他被多次评为中国科学院优秀导师。１９９９年５０周年国庆节前夕，汤定元应邀参加了在北京举行的“表彰为研制‘两弹一星’作出突出贡献的科技专家大会”，受到中央领导同志的接见。
科普工作义不容辞

２０世纪５０年代，汤定元所在的应用物理研究所收到了大量的群众来信。人们对北京天坛回音壁、三音石和圜丘的一些奇特声学现象迷惑不解，请求专家加以解释。汤定元想，作为一名科学工作者，有义务也有责任对此进行研究和总结。于是，他便在１９５２年夏天来到天坛。

他发现，回音壁是一座高约６米的圆形围墙，砌得整齐、光滑，是一个优质的声音反射体。一个人站在回音壁前，面壁轻声讲话，远在回音壁另一端的人可以听得很清楚，似乎声音是从墙壁传过来似的。围墙内有三座建筑，由北面建筑“皇穹宇”的台阶下至围墙的大门有一条白石头铺成的路，从台阶向南数起，第三块白石头即为“三音石”，它正在围墙中心。人站在“三音石”鼓一掌，可以听到“拍，拍，拍”三响。经过反复考察和研究，运用波动理论，汤定元解释了“回音壁”的声学现象，确认“三音石”是声音反射作用所致。

汤定元又来到圜丘。这是一个占地很大、由青石建筑的圆形平台，东西南北各有一石阶梯，最高层的平台离地面约５米，圆半径超过１１米，除４个出入口之外，周围有高达７０厘米的石栏杆。站在台中心叫一声，听到自己的声音比平时要响得多，甚至耳朵震得有些难受。他想，这应该是声音的反射现象所致吧。

怎么通过实验来证明圜丘的声音反射现象呢？汤定元苦苦地思索着。突然，他的耳畔传来一阵阵整齐的“一、二、一”呼喊声，一队身着军装的士兵从圜丘附近跑过。刹那间，他的脑际闪出一个绝妙的念头：人体！人体不就是一个很好的吸声体么？

于是，他找到了驻扎在此的部队营长王琦。说明来意后，王营长同意帮助他进行这一试验——全营官兵迅速集合，来到圜丘平台上。几百名士兵沿着石栏杆一字儿排开，汤定元和王营长伫立在圜丘正中，王营长大呼一声，由于人体的屏障作用，反射回来的声音果真小多了。但这还不能完全说明问题。汤定元锐利的目光向四周一扫，突然，他发现战士们穿的是短裤，空隙确实不小。于是他向王营长耳语了几句。只见王营长一声口令“全体坐下！”几百名士兵就沿着石栏杆席地而坐了。此时，王营长再大喊一声，就几乎听不到自己的回声了。因为石栏杆被人体遮没后，就不能产生声音反射作用了。

经过对圜丘平台的观察研究，汤定元终于发现这声音奇特的反射效应是由于台面巧妙的结构所致。平台的表面并非真正的水平面，台中心略高，四周略向下倾斜，栏杆与平台面所成的角度略小于９０度。这样的结构，使发出的声音经过两次反射后到达说话者的耳朵。他欣喜地得出结论：人在平台中心发出的声音向各方扩散出去，经各栏杆反射回来的声音，走了同样的距离，正好在台中心汇集。声音从嘴发出又回到耳朵约走２３米，需时０．０７秒。人的耳朵不能分辨出原来的声音与反射回来的回声之间的差异，所以在台中心呼叫时听到的声音，比平时要响得多，持续时间也要长一些。又因为自台中心发出的声音，无论是先经栏杆或后经栏杆的反射作用，回来的路径总是由下向上，听上去似乎声音从地下发出来似的。怪不得有人误以为平台下面有一口井呢！

汤定元后来把他的考察结果写成了《天坛中的几个建筑物声学问题》一文，他在这篇科普文章中的科学假说，被１９９５年国家自然科学基金项目详细测量所证实。汤定元还曾编写了《红外技术——基础与应用》、《红外辐射加热技术》等科普读物，他始终实践着这样一个信念：把科学成就告诉普通老百姓是科学家应尽的责任，科普工作义不容辞。

如今，年过八旬的汤定元院士还在努力著书立说、培养研究生，还在继续关注着红外物理与技术研究的方向，为祖国的科学技术事业作贡献。

[ Last edited by seekerboy on 2007-1-16 at 01:25 ]

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