實驗在物理學發(fā)展中的作用

1、物理學史作業(yè)2021屆實驗在物理學開展中的作用學生姓名趙孟冬學號08103137院系數(shù)理信息學院專業(yè)物理學指導教師余國祥完成日期2021年12月19日實驗在物理學開展中的作用摘要物理學是一門以實驗為本科學.物理實驗不僅是物理學理論的根底,更是物理學開展的根本動力.伽利略的實驗研究特別是他把實驗和數(shù)學方法結(jié)合來研究物理規(guī)律使物理學開始走上了真正的科學道路.實驗在物理學的開展中有巨大的推動作用,在物理學中,每個概念的建立,每個規(guī)律的發(fā)現(xiàn),無不有堅實的實驗根底,而且在物理學史上,許多關(guān)鍵的問題的解決,最終都要訴諸實驗.本文介紹了近代物理學的開展中四個著名的實驗以及其在物理學開展中的作用.關(guān)鍵詞物理學

2、；物理實驗；開展；作用目錄摘要2弓I言.41.發(fā)現(xiàn)新事物.探索新規(guī)律4.X射線的發(fā)現(xiàn)4X射線的發(fā)現(xiàn)的過程4產(chǎn)生的影響52.驗證物理理論5.光電效應的研究5光電效應的發(fā)現(xiàn)6勒納德的新發(fā)現(xiàn)6密立根的光電效應實驗6研究光電效應的意義73 .測定物理常量7.根本電荷的測定7湯森德電解法7湯姆遜的膨脹云室法8威爾遜的平板電極法8密立根的水珠平衡法8密立根油滴平衡法8e的精確值94 .推廣應用新技術(shù)9.核磁共振9從核磁矩的研究談起9珀塞爾小組的共振吸收實驗9布洛赫的核感應實驗10實際中的應用12參考文獻12引言物理學是以實驗為本的科學,在物理學的開展中起來重要作用.在物理學的工作者中有90%A事實驗工作.

3、而從倫琴獲得諾貝爾獎以來的一百年,176位獲獎的物理學家中有67%的人因?qū)嶒灦@獎.張文裕說“科學實驗是科學理論的源泉,是自然科學的根本,也是工程技術(shù)的根底.他還說“根底啞巴你就、應用研究、開發(fā)研究和生產(chǎn)這四個方面緊密貫穿在一起,必然有一條紅線,這局勢科學實驗總之物理實驗的作用根本上就是發(fā)現(xiàn)事實,驗證理論,測定常數(shù),推廣應用四個方面.下面本文就從這四個方面進行淺談.1 .發(fā)現(xiàn)新事物探索新規(guī)律在經(jīng)典物理學的開展中,許多偉大物理學家們的實驗為經(jīng)典力學理論的提出與規(guī)律的發(fā)現(xiàn)提供了大量的實驗事實.例如,在力學方面的伽俐略的斜面實驗、胡克的彈性實驗、玻意耳的空氣壓縮實驗等都是如此.電學方面的庫侖定律、歐

4、姆定律、法拉第電磁感應定律等的建立,光學方面的有關(guān)光的干預、衍射、偏振等現(xiàn)象的定律也都是先在實驗中發(fā)現(xiàn),再通過總結(jié)而得出的.在19世紀末和20世紀初,當人們普遍認為物理學已開展到了頂峰,只是進一步把常數(shù)測得在準些的時候,人們發(fā)現(xiàn)了X射線、電子、光電效應,核磁共振等,這些用經(jīng)典物理學無法解釋的實驗現(xiàn)象,經(jīng)典物理遇到了空前的困惑,在偉大的物理學家們的努力下,近代物理學和現(xiàn)代物理學因此而誕生了,物理學得到了重大開展.這一事實充分說明了物理實驗,只有物理實驗才是物理學的根底射線的發(fā)現(xiàn)圖1-1年發(fā)現(xiàn)驗工黑紙包柏血化放電管1這個1901年,首屆諾貝爾物理理學獎授予德國物理學家倫琴(WilhelmKonra

5、dRiSntgen,18451923),(圖1-1)以表彰他在1895了X射線.X射線的發(fā)現(xiàn)的過程1895年11月8日,正當倫琴繼續(xù)在實驗室里從事陰極射線的實作,一個偶然事件吸引了他的注意.當時,房間一片漆黑,放電管用嚴,并充分抽成真空.他忽然發(fā)現(xiàn)在不超過lm遠的小桌上有一塊亞鋼做成的熒光屏發(fā)出閃光.并且他發(fā)現(xiàn),產(chǎn)生的熒光與涂面是否朝著完全無關(guān),甚至當制品放在儀器裝置兩米外時,還可以看到這種熒光現(xiàn)象還有一個令人驚異的特點,就是這種能穿透黑紙版德爾成分,很多種物體對他來說都是透明的比方倫琴發(fā)現(xiàn)一千多頁的一本厚書對它幾乎沒有阻礙,二三厘米厚德松木板只有稍微的吸收.水,二氧化碳和各種別的液體也是透明

6、的,只有在銅金銀鉛和鋁板在一定厚度時才有較強的吸收.0倫琴意識到這可能是某種特殊的射線,它具有特別強的穿透力,從來沒有觀察到過.為了證實這一事實,倫琴用了六個星期,做了很多的實驗,對此進行了深入的研究.他把密封在木盒中的整碼放在這一射線的照射下拍照,得到了模糊的整碼照片；他把指南針拿來拍照,得到金屬邊框的深跡；他把金屬片拿來拍照,拍出了金屬片內(nèi)部不均勻的情況.1895年12月22日,他邀請夫人來到實驗室,用他夫人的手拍下了第一張人手X射線照片圖12.圖1-21895年年底,他以通信方式將這一發(fā)現(xiàn)公之于眾.題為?一種新射線初步通信»0倫琴在通信中把這一新射線成為X射線冏產(chǎn)生的影響由于X

7、射線有強大的穿透力,能夠透過人體顯示骨骼和薄金屬中的缺陷,在醫(yī)療上和金屬檢測上有重大的應用價值,在倫琴宣布這一發(fā)現(xiàn)的極短時間內(nèi),全世界的醫(yī)院都把X射線診斷作為常規(guī)手段,成為透視人體、檢查傷病的有力工具.后來又開展到用于金屬探傷,對工業(yè)技術(shù)也有一定的促進作用.X射線的發(fā)現(xiàn)對自然科學的開展更有極為重要的意義,它像一根導火線,引起了一連串的反響.由于科學家探索X射線的本質(zhì),發(fā)現(xiàn)了X射線的衍射現(xiàn)象,并由此翻開了研究晶體結(jié)構(gòu)的大門；根據(jù)晶體衍射的數(shù)據(jù),可以精確地求出阿伏加德羅常量.在研究X射線的性質(zhì)時,還發(fā)現(xiàn)X射線具有標識譜線,其波長有特定值,和X射線管陽極元素的原子內(nèi)層電子的狀態(tài)有關(guān),由此可以確定原子

8、序數(shù),并了解原子內(nèi)層電子的分布情況.此外,X射線的性質(zhì)也為波粒二象性提供了重要證據(jù).42 .驗證物理理論物理學的主體是理論.而理論是否正確,必須經(jīng)過物理實踐的檢驗.即使最權(quán)威的理論也必須通過實驗的檢驗才能得到公認,實踐是檢驗真理的唯一標準.例如,麥克斯韋的又如,電磁場理論,只是當電磁波被赫茲的實驗證實后才成為舉世公認的電磁理論的根底;直到密立根在1916年用嚴密的光電效應實驗證實后,愛因斯坦的光量子論,才被人們接受;同樣,赫茲的電磁波證實了麥克斯韋的電磁場理論.就是理論的適用范圍,也是由實驗在檢驗理論的過程中來確定.理論和實驗是物理學的兩大局部.沒有物理實驗,物理理論就沒有了根底的；沒有了物理

9、理論,物理實驗也就失去了方向.兩者相輔相成,缺一不可.光電效應的研究1905年愛因斯坦圖2-1在題為?關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個試點?的論文里,認為,指出只要把光的能量看成是不連續(xù)分布的,就釋黑體輻射的規(guī)律,以及光電效應,電離現(xiàn)象等一些些事實.并且提因斯坦光電效應方程：在光電方程里,遏止電壓U應與頻率v成正比,在愛因斯坦發(fā)表文時,當時并沒有充分的實驗依據(jù).在20世紀初,在不同頻率的光包括紫外光照射下產(chǎn)生的光電流,件容易的事.而且由于經(jīng)典理論的傳統(tǒng)觀念的束縛,因此愛因探性觀可以解出了愛要精確測并不是一這篇論斯坦的理論并沒有得到人們的普遍成認,甚至一些著名的物理學家也持否認態(tài)度.知道1914年密立根

10、作出了關(guān)鍵性的實驗,況的.光電效應的發(fā)現(xiàn)1887年,H赫茲(HeinrichHertz才改變了這一情,18571894)圖2-2在進行電磁波實驗時,注意到電極之間的放電,會受光輻射的影響.赫茲的發(fā)現(xiàn)以論文?紫外線對放電的影響?發(fā)表于1887年隨即引起了廣泛的反響勒納德的新發(fā)現(xiàn)勒納德用不同材料做陰極,用不同的光源照射,發(fā)現(xiàn)都對遏制電壓有影響,唯獨改變光的強度對遏制電壓沒有影響,電子逸出金屬外表的最大速度與光強無關(guān),這就是勒納德根據(jù)實驗結(jié)果做出的重要結(jié)論.5密立根的光電效應實驗圖3-2密立根從1910年開始光電效應實驗,他設計和制作了一套極其精致的實驗裝置圖2-3.在一個真空管內(nèi),安裝了精密的實驗

11、裝置.由于是在真空中工作,密立根稱之為“真空機械車間.使用這種裝置可以使密立根在排除了氧化物薄膜的電極外表上同時測量真空中的光電效應和接觸電勢差.實驗樣品是三種堿金屬Li、NaK,都做成圓柱形,分別固定在小輪W上,用電磁鐵從k限制小輪的轉(zhuǎn)動.剃刀K可沿管軸方向前后移動也由真空管外的電磁鐵帶動旋轉(zhuǎn),使剃刀在圓柱電極外表不斷切削,刮掉電極外表上極薄的一層氧化了的表皮.然后將光電極對準電極的位置測量接觸電勢差；再轉(zhuǎn)一個角度,對準窗口以接受單色紫外光的照射,同時測量其光電流.密立根總共選擇了六種不同頻率的單色光進行了實驗.1916年密立根發(fā)表了兩張實驗曲線圖.研究光電效應的意義密立根的實驗結(jié)果,為愛因

12、斯坦的光量子理論提供了第一個直接而求安眠的實驗證據(jù),后來又有許多的物理學家為光量子理論進行了實驗驗證.光量子理論成功了解釋了光電效應,而光電效應的事實也有力的支持了光量子理論.而光量子理論以及光電效應實驗不僅證實了量子現(xiàn)象在一般物理過程中都有表現(xiàn)以及解釋了“光的波粒二象性而且光電效應在科學技術(shù)中也得到了廣泛的應用,譬如制造了光電管等光電器件.3,測定物理常量在物理學中,大量的實驗是圍繞常量的測量和研究進行的,特別是根本常數(shù)的測量和研究,在物理學開展史上占有更重要的地位.例如,萬有引力常數(shù)G,從牛頓發(fā)現(xiàn)萬有引力定律以來一直是人們試圖準確測量的對象.根本物理常數(shù)之間的協(xié)凋是檢驗物理理論的重要途徑,

13、而每次協(xié)調(diào)都是在大量實驗、在取得了眾多新的研究成果的根底上做出的.,根本電荷的測定J.J.湯姆生通過陰極射線的荷質(zhì)比實驗肯定了電子的存在,為近代物理學的開展奠定了實驗根底.然而,僅僅從比荷質(zhì)比的數(shù)據(jù)還缺乏以確定電子的性質(zhì),由于由此無法直接獲得出電子電荷比的數(shù)據(jù)還缺乏以確定電子的性質(zhì).湯森德電解法J.J.湯姆生有一位研究生,名叫湯森德(J.S.E.Townsend),他創(chuàng)造了電解法.他讓氧氣從水中發(fā)泡產(chǎn)生云霧,霧滴帶有電荷,測量云霧下降的速度,借速度與霧滴半徑的關(guān)系求出霧滴的平均重量,再根據(jù)水分的總重量求出霧滴的個數(shù).另一方面,他收集這些氧氣所帶電量,用靜電計進行測量,所得電量被霧滴個數(shù)除,即得

14、每顆霧7的電荷.由此求得電子的電荷e.1897年當森德宣布了他的結(jié)果是e+=xi0-19esu,從帶負電的氧得e-=xi0-10esu這個結(jié)果雖然粗略,單卻是第一次直接測定帶電粒子的電量.湯姆遜的膨脹云室法大約與此同時,J.J.湯姆遜的另一名研究而生在一密閉容器A中混有水蒸氣和空氣,其溫度氣壓可以直接測出,從而求出其飽和度.用X射線作為電離劑,使里面的空氣電離.一輔助圓筒C中的活塞P可是密室的氣壓和溫度在忽然膨脹的過程中迅速下降,得到過飽和蒸汽,并立即以粒子為核心形成云霧.霧滴總數(shù)沿用湯森德方法,電量用靜電計得出,然后算出單個離子的電量.這個方法比湯森德略有改善,得到的結(jié)果大約是x10-19e

15、su.威爾遜的平板電極法1903年,J.J.湯姆生的另一名研究生H.A.威爾遜又將J.J.湯姆生的方法做了改良.改進的主要地方是在密閉容器中加了兩塊水平極板,通上電壓,使極板中產(chǎn)生電場,觀察云層頂端在重力作用下得下降速度V1以及在重力和電力共同作用下得下降速度V2其中,刀為空氣的粘滯系數(shù),E為電場強度,p水蒸氣的密度威爾遜測得的電子電荷e值在x10-10esu至x10-10esu之間,平均為x10-10esuo6密立根的水珠平衡法密立根是芝加哥大學教授(圖3-1),1906年開始,和他得學生濟曼一起使用鐳作為電離劑重復威爾遜的實驗,并在1908年2月宣讀于美國物理學會了.這一結(jié)果得到盧瑟福的肯

16、定,并指出,這一實驗還可以改良,減小水滴蒸發(fā),由于水滴蒸發(fā)會使得離子數(shù)偏大,從而造成e偏小.于是密立根改良了自己的實驗,設法讓法讓帶電云霧的頂層穩(wěn)定在某一高度,以便連續(xù)進行觀察.這件事很容易辦到,只要改變電場力的方向使其和重力方向相反,并適當加大電壓就可以了.圖3-11909年夏,密立根將電壓加到10000V,當他合上電閘時,奇跡出現(xiàn)了.云層哪里穩(wěn)定得住,在電場的作用下,帶電霧粒以不同速度散開,他得到這一啟發(fā),想到對單個液滴進行測量,于是他創(chuàng)造了水珠平衡法.1909年,密立根利用水珠平衡法測得電子電荷結(jié)果為e=x10-10esu密立根油滴平衡法1909年12月至1910年5月,密立根用油做了近

17、兩百顆液滴粒電子電荷實驗.他宣稱,在所有情況下液滴從空氣中不活的電荷都是最小電荷的整數(shù)倍.于1913年宣布從油滴測得電子電荷為1910年以后密立根在平衡油滴法的根底上,步改良實驗方法他讓油滴在電場力和重力的共用下,上上下下的運動,從上下運動的速度求油帶電量圖3-2.如果用X射線或鐳照射油滴,滴所帶電量發(fā)生改變,就會看到油滴的速度忽然變化,從而求出電荷量的改變的差值.密立根進研究了斯托克斯定律的有效性對實驗結(jié)果做了修正,7:e=土x10-10esue的精確值1973年開始采用的國際標準值e=x10-19C=x10-10esu4,推廣應用新技術(shù)無論是蒸汽機技術(shù)還是電工技術(shù),都離不開實驗.很多的創(chuàng)造

18、創(chuàng)造,比方制冷機,電燈,電報等,無不是經(jīng)過了大量的實驗才逐步完善的.在計入20世紀后,物理實驗對新技術(shù)的推廣作用增加名下.從電子管都晶體管,從無線電到雷達都是大量實驗的結(jié)果.事實證實,現(xiàn)代的許多新技術(shù)的推廣與應用都是物理實驗的奉獻比方：核磁共振.核磁共振所謂核磁共振,是指具有磁矩的原子核在恒定磁場中由電磁波引起的共振躍遷現(xiàn)象.從核磁矩的研究談起核磁共振的發(fā)現(xiàn),跟核磁矩的研究緊密相關(guān).1911年,盧瑟福根據(jù)a粒子散射實驗提出核原子模型后,直到原子光譜的超精細結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)以后,1924年泡利才正式提出,原子光譜的超精細結(jié)構(gòu)是核自旋與外電子軌道運動相互作用的結(jié)果；原子核應具有自旋角動量和磁矩.1926年

19、斯特恩提出了分子束方法測定核磁矩.1933年他和弗利胥()、愛斯特曼()等人用分子束實驗裝置測量氫分子中質(zhì)子和笊核的磁矩.所得結(jié)果說明質(zhì)子磁矩比理論預言的大倍而笊核磁矩那么在到1個核磁子之間.笊核是由質(zhì)子和中子組成的,由此即可推測中子也有磁矩.1938年美國物理學家拉比把射頻共振的方法應用于分子束技術(shù),創(chuàng)立了分子束磁共振方法.分子束共振法能夠精確的測定原子核的磁矩,并首次實現(xiàn)了磁共振的思想,核磁共振的起始從某種意義上來說是從分子束共振法開始的.珀塞爾小組的共振吸收實驗945年夏,珀塞爾、托雷(H.C.Torrey)和龐德(R.V.Pound)等組成一個小組,親自修復并改裝了哈佛大學十年前研究宇

20、宙射線的工作中證實小介子存在所留下的一臺磁鐵,用來做核磁共振的研究.從能量關(guān)系考慮在靜磁場H0中核磁矩的能量處于量子化能級,即核磁矩與角動量之比.在熱平衡狀態(tài)下,粒子按玻耳茲曼定律分布,低能級的粒子數(shù)目多于高能級的.假設在共振條件的射頻電磁場作用下,處于低能級的粒子吸收射頻場能量而躍遷到高能級；處于高能級的粒子又可把能量交給品格而回到低能級來.如果樣品的弛豫時間不太長,足以建立新珀塞爾把這樣的實驗的平衡,保持低能級粒子數(shù)多于高能級的,便可觀察到持續(xù)的核磁共振信號稱為“核磁共振吸收".8由于核磁共振信號是微弱的,在室溫和幾千高斯的磁場作用下,熱平衡時兩能級的粒子數(shù)之差與總粒子數(shù)之比,只

21、到達ICT的量級.為了提升觀測的靈敏度,珀塞爾等人采用了橋式電路圖圖4-14-1.個諧振路的線中,另一別為橋吸收射變化,橋號送到或相信號.射頻信號由發(fā)生器送到兩回路的輸入端,其中一個諧振回圈LC環(huán)繞著樣品置于靜磁場HC諧振回路那么在磁場之外,它們分路的兩臂.當發(fā)生共振時,樣品頻場能量使該諧振回路的阻抗路便失去平衡,從而有相應的信接收系統(tǒng).根據(jù)不平衡的幅值位,便可得到吸收或發(fā)射珀塞爾在諧振腔內(nèi)填充了850立方厘米的石蠟作為樣品,置于共振產(chǎn)生的磁場在7100高斯和頻率兆赫茲上.共振頻率經(jīng)過放大和檢波系統(tǒng),在微安計上顯示出來.這是珀塞爾等人的首次成功實驗.1945年12月24日,珀塞爾等人將在凝聚態(tài)

22、中觀察到的賀詞共振現(xiàn)象寫在了?固體中核磁共振吸收的一封心中?投給了?物理評論?的編輯部.被觀測得物質(zhì)是置于強度布洛赫的核感應實驗就在珀塞爾等人發(fā)表題為?固體中核磁矩的共振吸收?的論文一個月之后,布洛赫也在?物理評論?雜志上發(fā)表了?核感應?的論文,報道了斯坦福小組觀測到的水中的核磁共振信號.兩個小組對核磁共振現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)完全是獨立的,方法也有所不同.布洛赫1934年到斯坦福大學任教后,對斯特恩1933年的實驗結(jié)果發(fā)生了興趣,想為中子磁矩的存在尋找直接證實.1936年布洛赫指出,這樣的證實可以通過觀測慢中子在鐵中的散射來到達.1939年,阿爾瓦雷斯和布洛赫用伯克利加州大學的盤旋加速器直接求得了中子的

23、磁矩,但測量的精度不過約為百分之一,主要原因是受限于磁場測量的精度.為了檢驗笊核磁矩跟中子與質(zhì)子磁矩疊加的偏差,把測量中子磁矩的精確度提升到千分之幾就顯得非常的必要了.而找到一種精確測量磁場的方法卻不是那么的容易.二戰(zhàn)期間布洛赫打算通過射頻接收的一般方法來檢測核磁矩的重新取向,進而可解決磁場定標問題.于是他進行了大量的理論計算工作.他確信在1c云的水中,質(zhì)子在幾千高斯的磁場中共振時,將會在圍繞的線圈上感應出超過接收機噪聲的射頻電壓,信噪比不小于3.戰(zhàn)爭結(jié)束后,他找到了漢森這個以從事調(diào)管工作文明的人,并回到斯坦福大學開展了這個研究.1945年秋,柏卡德(M.Packard)的研究生要求參加這項研

24、究,柏卡德協(xié)助漢森管發(fā)射和接收,布洛赫管直流磁場.為了完成這項研究他們借到了一臺示教用的磁鐵并進行了改裝.(圖4-2)在這個裝置的磁鐵兩極之間,有兩個軸線相互垂直的線圈其中一個是發(fā)射線圈,與射兩線圈的軸線均與主磁場垂直.布洛赫頻源相連,另一個是接收線圈,與接收系統(tǒng)相連,認為,核磁共振的根本領實在于核磁矩取向的改變.當核磁矩在射頻場作用下轉(zhuǎn)向時,宏觀磁化矢量隨之改變.根據(jù)電磁感應定律,這時在接收線圈上便產(chǎn)生一感應電動勢.“核感應這個術(shù)語就是由此而來.考慮到射頻場比探測的信號強得多,所以發(fā)射線圈和接收線圈之間的耦合必須相當微弱,因此把它們安排成互相垂直的位置.在共振條件下,射頻場使核磁矩轉(zhuǎn)向,并弱耦合到接收線圈作為載波.發(fā)射線圈的端部還安裝兩塊半圓形導電片,以調(diào)節(jié)漏感的幅值和相位,從而可檢測到吸收信號或發(fā)射信號.9布洛赫首先決定拿水用作樣品.為了縮短弛豫時間他在樣品中加了可溶于水的鐵硝酸鹽.經(jīng)過幾個月的準備,試驗開始了.他們把事前處理過的水樣品放入裝置內(nèi),然后接通所有的開關(guān).當射頻機構(gòu)已經(jīng)工作時,布洛赫去調(diào)節(jié)磁鐵的的電流到預期值,漢森和柏卡德在幾碼遠處盯著示波器,但他們在噪聲起伏上面沒看到任何信號.因此,漢森想去調(diào)整一下放大器,并要布洛赫關(guān)掉電源.正當布洛赫翻開開關(guān)時,他們?nèi)匀蛔⒁曔@示波器.正