第七章 世紀(jì)之交的物理學(xué)

1、第七章世紀(jì)之交物理學(xué)的發(fā)展1 經(jīng)典物理學(xué)的局限性2 19世紀(jì)的物理學(xué)上的三大發(fā)現(xiàn)3 經(jīng)典物理學(xué)的兩朵烏云1 經(jīng)典物理學(xué)的局限一 經(jīng)典力學(xué)基本概念和基本原理的固有局限性：1.把經(jīng)典力學(xué)建立在絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間的框架上；2.把引力看作為直接的、即時(shí)傳遞的、超距的作用；3.物體的質(zhì)量恒定不變，與物體的運(yùn)動(dòng)和能量無(wú)關(guān)；4.只適于宏觀低速的范圍，不適于高速和微觀領(lǐng)域。5.機(jī)械決定論二 經(jīng)典物理學(xué)與經(jīng)典力學(xué)之間的矛盾經(jīng)典物理學(xué)是運(yùn)用經(jīng)典力學(xué)的基本概念和原理建立起來(lái)的理論體系，但是，隨著經(jīng)典物理學(xué)的深入發(fā)展，卻越來(lái)越顯露出他們與經(jīng)典力學(xué)之間的裂痕，從而動(dòng)搖了經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)地位。1.與光學(xué)的不調(diào)和性：主要表現(xiàn)

2、在兩個(gè)方面，一是對(duì)光的認(rèn)識(shí)一直存在兩種互相矛盾的觀點(diǎn)：微粒說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)；二是對(duì)于作為絕對(duì)空間和波的載體的“以太”究竟是什么，如何對(duì)它進(jìn)行檢測(cè)？它到底具有哪些性質(zhì)？如從光速的巨大數(shù)值來(lái)看，“以太”應(yīng)具有極大的剛性。又由于天體不受阻礙的在太空中穿行，“以太”必須極其稀薄且沒(méi)有質(zhì)量，等等。這些性質(zhì)不但難以理解，有些甚至相互矛盾。2.與電磁學(xué)的矛盾：媒遞作用-超距作用的矛盾；即時(shí)傳播-有限速度的矛盾；能量連續(xù)分布的場(chǎng)-質(zhì)點(diǎn)是能量的唯一載體的矛盾等等。3.與熱學(xué)的不協(xié)調(diào)：經(jīng)典力學(xué)（包括電磁場(chǎng)理論）中的規(guī)律關(guān)于時(shí)間都是對(duì)稱的、可逆的，時(shí)間只是從外部描述運(yùn)動(dòng)的一個(gè)參量。它的變化對(duì)于運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)并無(wú)影響。而熱學(xué)中

3、熵增原理的發(fā)現(xiàn)，卻指出了自然過(guò)程的不可逆性和歷史性。三 馬赫對(duì)經(jīng)典力學(xué)的批判1883年，奧地利的馬赫出版了力學(xué)及其發(fā)展的批判歷史概論，從科學(xué)和哲學(xué)的角度對(duì)經(jīng)典力學(xué)進(jìn)行了尖銳的批判。例如質(zhì)量的概念，在牛頓的力學(xué)原理中，質(zhì)量被定義為密度和體積的乘積。馬赫認(rèn)為，按照這種定義的方法，不同種類物體的質(zhì)量無(wú)法比較，應(yīng)當(dāng)建立相對(duì)質(zhì)量的概念：加速度是可測(cè)量的量，如果測(cè)得兩物體由于相互作用產(chǎn)生了彼此大小相等、方向相反的加速度，那么這兩個(gè)物體的質(zhì)量就相等，如果測(cè)得的加速度不相等，則用加速度的負(fù)反比來(lái)表示這兩個(gè)物體的質(zhì)量之比。馬赫對(duì)牛頓絕對(duì)時(shí)空和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了批判，馬赫認(rèn)為：“時(shí)間是一種抽象”，時(shí)間是不能獨(dú)立自存的

4、。空間也不能脫離物體而存在。如果宇宙中沒(méi)有物體，談?wù)摽臻g就毫無(wú)意義。如果宇宙中只有一個(gè)物體，這唯一的物體也無(wú)運(yùn)動(dòng)可言。馬赫批判了牛頓的“水桶實(shí)驗(yàn)”愛(ài)因斯坦指出：馬赫為相對(duì)論的發(fā)展鋪平了道路。在狹義相對(duì)論創(chuàng)立的過(guò)程中，正是馬赫對(duì)絕對(duì)時(shí)間的批判，使愛(ài)因斯坦“終于醒悟到時(shí)間是可疑的”，并從“同時(shí)性的相對(duì)性”這個(gè)問(wèn)題上取得了突破性的進(jìn)展。馬赫對(duì)水桶實(shí)驗(yàn)的批判，使人們的思想從“絕對(duì)運(yùn)動(dòng)”的桎梏中解放出來(lái)，從而確立加速運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性的觀念。馬赫的科學(xué)哲學(xué)思想甚至還直接或間接的影響了波爾、波恩、海森堡、泡利、薛定諤等一大批量子物理學(xué)家。馬赫的批判思想在世紀(jì)之交對(duì)物理學(xué)的革命性變革起到了啟蒙和推動(dòng)作用。2 19

5、世紀(jì)物理學(xué)上的三大發(fā)現(xiàn)一.電子的發(fā)現(xiàn)二.X射線的發(fā)現(xiàn)三.天然放射性的發(fā)現(xiàn)一 電子的發(fā)現(xiàn)背景：十九世紀(jì)末，了解電的本質(zhì)成了當(dāng)務(wù)之急，促成許多科學(xué)家研究低壓氣體放電、陰極射線 及真空技術(shù)。1.陰極射線的研究德國(guó)學(xué)派的以太波的觀點(diǎn)：普呂克爾，哥爾茨坦，赫茲等英國(guó)學(xué)派的帶電微粒說(shuō)：瓦爾利，克魯克斯，舒斯等。佩蘭(Perrin)實(shí)驗(yàn)：1895年法國(guó)物理學(xué)家微粒說(shuō)支持者佩蘭(Perrin)將圓桶電極安裝在陰極射線管中，用靜電計(jì)測(cè)圓桶接收到的電荷。結(jié)果為負(fù)電。支持了帶電微粒說(shuō)。發(fā) 現(xiàn) 電 子 的 J J 湯 姆 遜2.電子的發(fā)現(xiàn)：JJ湯姆遜 (1856-1940)簡(jiǎn)介14歲進(jìn)入曼徹斯特大學(xué)，1876年獲數(shù)學(xué)

6、獎(jiǎng)金而進(jìn)入劍橋大學(xué)三一學(xué)院深造。1880年獲二等史密斯獎(jiǎng)金，進(jìn)入卡文迪什實(shí)驗(yàn)室，在瑞利教授的指導(dǎo)下進(jìn)行電磁學(xué)研究。1883年被選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。1884年出任卡文迪什實(shí)驗(yàn)室主任（這一年瑞利出任皇家學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)），年僅28歲。領(lǐng)導(dǎo)該室人員工作長(zhǎng)達(dá)42年。1906年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。培養(yǎng)的學(xué)生有盧瑟福、玻爾、威爾遜等多人，他們都先后榮獲了諾貝爾獎(jiǎng)。J.J.湯姆遜設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)，以無(wú)可辯駁的事實(shí)確證了陰極射線是帶負(fù)電的粒子流。實(shí)驗(yàn)一 陰極射線的磁偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)：1895年，湯姆遜將佩蘭實(shí)驗(yàn)裝置做了一些改進(jìn)，他把陰極A和法拉第圓桶F放在不在一條直線的方向上，如圖示。實(shí)驗(yàn)二：陰極射線的靜電偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)：J.J

7、.湯姆遜重復(fù)了赫茲的靜電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，他改善真空條件，并減小極間電壓，終于獲得了穩(wěn)定的靜電偏轉(zhuǎn)。從而否定了以太說(shuō)。實(shí)驗(yàn)三：荷質(zhì)比e/m的測(cè)量：方法一是在上一實(shí)驗(yàn)裝置管子的兩測(cè)各加一通電線圈，以產(chǎn)生垂直于電場(chǎng)的磁場(chǎng)。然后根據(jù)電場(chǎng)和磁場(chǎng)分別造成的偏轉(zhuǎn)，計(jì)算出陰極射線的荷質(zhì)比以及微粒子的運(yùn)動(dòng)速度。v2.7109厘米/秒，e/m0.8107電磁單位/克。物 理 革 命 的 新 曙 光二 X射線的發(fā)現(xiàn)1.倫琴德國(guó)物理學(xué)家。 1901年，倫琴獲首屆諾貝爾物理獎(jiǎng)。略三 天然放射性的發(fā)現(xiàn)1.鈾鹽的放射性的發(fā)現(xiàn)-貝克勒爾2.釙和鐳的發(fā)現(xiàn)-居里夫人3.、射線的發(fā)現(xiàn)-盧瑟福天 然 放 射 性 的 發(fā) 現(xiàn)1.鈾鹽放射性

8、的發(fā)現(xiàn)-貝克勒爾貝克勒爾 生于法國(guó)巴黎，祖父和父親都是固體磷光專家，從事研究工作有60多年的歷史，貝克勒爾早期從事光學(xué)研究，43歲開始研究放射現(xiàn)象。選擇硫酸鉀鈾酰作為實(shí)驗(yàn)材料，并放在太陽(yáng)底下暴曬(暴曬可使熒光物質(zhì)發(fā)出更強(qiáng)熒光)，底片感光了。后來(lái)由于陰雨連綿，貝克勒爾用黑紙包上底片與鈾鹽一起鎖進(jìn)抽屜，結(jié)果再次實(shí)驗(yàn)前檢查底片時(shí)，底片仍舊被鈾鹽感光了。貝克勒爾經(jīng)過(guò)分析，認(rèn)為：使底片感光的射線與日曬和熒光無(wú)任何關(guān)系，它是鈾鹽自身產(chǎn)生的輻射現(xiàn)象，于是第二天，他在科學(xué)院的例會(huì)上公布了這一重大發(fā)現(xiàn)。貝克勒爾獲1903年諾貝爾獎(jiǎng)天 然 放 射 性 的 發(fā) 現(xiàn)2.釙和鐳的發(fā)現(xiàn).居里夫人(1867-1934)波蘭

9、中學(xué)畢業(yè)獲金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)?，由于波蘭當(dāng)時(shí)女子不能上大學(xué)，做了8年家庭教師，籌了費(fèi)用，于1891年到法國(guó)巴黎，進(jìn)入法蘭西共和國(guó)大學(xué)理學(xué)院學(xué)習(xí)。1893年獲物理碩士學(xué)位，次年又獲得數(shù)學(xué)碩士學(xué)位。1894年與法國(guó)物理學(xué)家皮埃爾居里結(jié)婚。1903年獲諾貝爾物理獎(jiǎng)，1911年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。皮埃爾居里：法國(guó)物理學(xué)家，從小聰慧過(guò)人，16歲獲學(xué)士學(xué)位，18歲獲碩士學(xué)位，24歲擔(dān)任巴黎市立理化學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)室主任。曾與哥哥約克共同發(fā)現(xiàn)了晶體的壓電效應(yīng)，發(fā)明了測(cè)量微量電量的壓電石英靜電計(jì)-“居里計(jì)”。后來(lái)從事磁學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)磁性消失的溫度-“居里點(diǎn)”。天 然 放 射 性 的 發(fā) 現(xiàn).釙(po)的發(fā)現(xiàn)首先居里夫人用石英靜電計(jì)

10、對(duì)鈾發(fā)出的射線的電離性質(zhì)進(jìn)行了精密測(cè)量。證實(shí)了鈾的輻射強(qiáng)度只與化合物中鈾的含量成正比，而與化合物中其他元素以及鈾所處的物理、化學(xué)狀態(tài)無(wú)關(guān)。居里夫人認(rèn)為這說(shuō)明輻射只是一種原子過(guò)程。1897年7月，他們終于從鈾礦渣中提煉出了釙，它比純鈾放射性強(qiáng)400倍!.鐳的發(fā)現(xiàn)但是釙的放射性比預(yù)期的仍然低，繼續(xù)實(shí)驗(yàn)，1898年12月，又發(fā)現(xiàn)了比鈾的放射性強(qiáng)900多倍的新元素-鐳 (radium) !1899年進(jìn)一步提煉到放射性達(dá)7500倍鈾的晶體，之后到10萬(wàn)倍，還不是純鐳。（雷：是埃及古代至高無(wú)上的神-太陽(yáng)神，居里把它命名為“鐳”，也親切地把它叫做放射性的“小太陽(yáng)”。）天 然 放 射 性 的 發(fā) 現(xiàn)為了消除人

11、們的懷疑，他們決心提煉出純鐳，鐳礦渣非常貴，奧地利送了一噸，在低矮的棚屋里，居里夫婦從1899年至1902年，花了45個(gè)月的時(shí)間，歷時(shí)四年，經(jīng)過(guò)幾萬(wàn)次的提煉，終于從8噸礦渣中提煉出0.12克的氯化鐳，從中找到了兩根特征光譜線，并宣布鐳的原子量為225!1903年完成博士論文，同年12月獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1912年又成功分離出純金屬鐳，第二年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。居里夫婦在工作天 然 放 射 性 的 發(fā) 現(xiàn).科學(xué)屬于全人類鐳可以治狼瘡和癌腫，0.1克鐳就值75萬(wàn)金法郎!一個(gè)美國(guó)公司想收買專利，都被生活并不富裕的居里夫婦謝絕了。他們認(rèn)為:我們發(fā)現(xiàn)了科學(xué)，又把它據(jù)為己有，這違反科學(xué)精神，再說(shuō)鐳能治病，我們

12、就更應(yīng)該無(wú)條件地獻(xiàn)出它的秘密!然而，居里夫人由于長(zhǎng)期接觸放射性物質(zhì)，患了惡性貧血癥，她的丈夫和戰(zhàn)友居里1906年死于車禍，居里夫人在精神打擊和身體折磨的雙重壓力下，仍然初衷不改，獻(xiàn)身于科學(xué)事業(yè)。她的高風(fēng)亮節(jié)，贏得了人們的敬重。她的女婿約里奧（1900-1958）在50年代用儀器檢測(cè)她當(dāng)年的實(shí)驗(yàn)記錄本，發(fā)現(xiàn)全部污染了放射性物質(zhì)，她當(dāng)年用過(guò)的烹調(diào)書，50年后再檢查，仍然有放射性。1934年，居里夫人去世；1956年她的女兒伊倫居里（1897-1956）也死于惡性貧血；1958年女婿約里奧也因放射性輻射而去世。居里夫人的一家全部都獻(xiàn)給了這壯麗的偉大事業(yè)。3.、射線的發(fā)現(xiàn)鐳的發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了對(duì)放射性的進(jìn)一步

13、研究，其中貢獻(xiàn)最大的是J.J.湯姆遜的學(xué)生-盧瑟福盧瑟福發(fā)現(xiàn)射線和射線：在獲知居里夫婦發(fā)現(xiàn)鐳輻射后，立即轉(zhuǎn)向放射性對(duì)氣體電離作用的研究， 1898年，盧瑟福用強(qiáng)磁鐵使鈾射線偏轉(zhuǎn)，發(fā)現(xiàn)射線分為方向相反的兩股，一股極易被吸收，他稱之為射線；另一種具有較強(qiáng)的穿透力，稱之為射線。維拉德(P.Villard)發(fā)現(xiàn)射線：法國(guó)人，1900年,維拉德將鐳放入一個(gè)鉛罐中，鉛罐一側(cè)開一小口，放射性射線可從此射出，射線經(jīng)磁場(chǎng)后用底片記錄。在底片和射線口之間加一層鋁箔，用于阻擋射線而讓射線通過(guò)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在正對(duì)發(fā)射口的方向有暴光的痕跡，后來(lái)維拉德又加了一層鋁箔，射線仍能穿透。因此表明，這一射線肯定不是、 射線，而是一種

14、不受磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)的輻射能力更強(qiáng)的一種新射線。與X射線非常類似，后來(lái)被盧瑟福稱為射線。原子的嬗變理論：對(duì)放射性過(guò)程的研究，使他們意識(shí)到“放射性既是原子現(xiàn)象，又能產(chǎn)生新的化學(xué)變化的伴生物”。于是1902年提出了放射性元素的嬗變理論。盧瑟福簡(jiǎn)介新西蘭人，祖籍英國(guó)蘇格蘭，1871年生于新西蘭，18歲進(jìn)入新西蘭大學(xué)學(xué)習(xí)，1893年大學(xué)畢業(yè)，1895年被選送到劍橋大學(xué)深造，在J.J.湯姆遜領(lǐng)導(dǎo)的卡文迪什實(shí)驗(yàn)室當(dāng)研究生(J.J.湯姆遜的第一位研究生)。1898年應(yīng)邀擔(dān)任加拿大麥吉爾大學(xué)物理學(xué)教授。在獲知居里夫婦發(fā)現(xiàn)鐳輻射后，轉(zhuǎn)向放射性對(duì)氣體電離作用的研究，提出原子的嬗變理論。1907年返回英國(guó)，任曼徹斯特大學(xué)物

15、理學(xué)教授。主要研究粒子的散射作用，提出了原子的核式模型。1908年因?qū)Ψ派浠瘜W(xué)的研究榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1919年任劍橋大學(xué)教授，并任卡文迪許實(shí)驗(yàn)室主任。上述三大發(fā)現(xiàn)打破了幾百年來(lái)形成的物質(zhì)不滅、能量守恒、原子不可分等傳統(tǒng)觀念，揭開了物理學(xué)革命的序幕，它標(biāo)志著物理學(xué)的研究由宏觀進(jìn)入到微觀。卡文迪什實(shí)驗(yàn)室：始建于1871年，建成于1874年，是英國(guó)劍橋大學(xué)的前身，麥克斯韋為第一任實(shí)驗(yàn)室主任?？ㄎ牡鲜矊?shí)驗(yàn)室，作為世界上最著名的物理學(xué)教育和科研中心之一，培養(yǎng)了一大批世界級(jí)的著名物理學(xué)家，26位諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者。18851919年，由J.J.湯姆遜主持實(shí)驗(yàn)室工作，在這34年間，主要進(jìn)行了電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)

16、等方面的基本測(cè)量工作。這期間科學(xué)研究碩果累累，人才輩出，走在世界的前列，有10位工作人員獲得諾貝爾獎(jiǎng)。19191937年盧瑟福主持卡文迪什實(shí)驗(yàn)室工作，主要進(jìn)行放射性和核物理研究，先后取得了發(fā)現(xiàn)中子、驗(yàn)證了正電子的預(yù)言、人工打破原子核的重大成就。尤其在19321933年間，卡文迪什實(shí)驗(yàn)室達(dá)到其科學(xué)成就的高峰。在盧瑟福主持工作的18年間，實(shí)驗(yàn)室中共有12人獲諾貝爾獎(jiǎng)，這18年是該實(shí)驗(yàn)室的黃金時(shí)期，這期間它成為世界實(shí)驗(yàn)物理的研究中心。3 經(jīng)典物理學(xué)的兩朵烏云19世紀(jì)的最后一天，在歐洲著名的科學(xué)家 年會(huì)上，英國(guó)著名物理學(xué)家W湯姆生（開爾文）發(fā)表了新年祝詞。他在回顧物理學(xué)所取得的偉大成就時(shí)說(shuō)，物理學(xué)大廈

17、已經(jīng)落成，所剩只是一些修飾工作。同時(shí)，他在展望20世紀(jì)物理學(xué)前景時(shí)講道：“動(dòng)力理論肯定了熱和光是運(yùn)動(dòng)的兩種方式，現(xiàn)在，它美麗而晴朗的天空卻被兩朵烏云籠罩了，” “第一朵烏云出現(xiàn)在光的波動(dòng)理論上，”“”“第二朵烏云出現(xiàn)在關(guān)于能量均分的麥克斯韋-玻爾茲曼理論上?！彼f(shuō)的第一朵烏云，主要是指：“邁克耳遜莫雷實(shí)驗(yàn)”與“以太漂移說(shuō)”的矛盾；第二朵烏云，主要是指熱學(xué)中的能量均分定則在氣體比熱以及輻射能譜的理論解釋中得出與實(shí)驗(yàn)不等的結(jié)果，其中尤以黑體輻射理論出現(xiàn)的“紫外災(zāi)難”最為突出。第二朵烏云黑體輻射與“紫外災(zāi)難”黑體輻射實(shí)驗(yàn)：19世紀(jì)末，盧梅爾等人在做實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)：黑體輻射的能量不是連續(xù)的，它按波長(zhǎng)的分

18、布僅與黑體的溫度有關(guān)。（與經(jīng)典物理學(xué)能量連續(xù)的觀點(diǎn)嚴(yán)重矛盾）。對(duì)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果解釋的三個(gè)典型人物：一.維恩二.瑞利和金斯三.普朗克紫外災(zāi)難和普朗克的量子假說(shuō)1.維恩定律1896年，德國(guó)物理學(xué)家維恩通過(guò)半理論半經(jīng)驗(yàn)的方法，得到一個(gè)輻射能量分布公式：3 A / T但這個(gè)公式只在短波區(qū)、溫度較低時(shí)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合，而在長(zhǎng)波區(qū)不符。2.瑞利金斯定律2 ( , T ) = 3 KTC這一公式卻只有在長(zhǎng)波區(qū)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合，而在短波區(qū)不符。由于輻射能量與頻率的平方成正比，因此當(dāng)波長(zhǎng)接近紫外時(shí)，能量為無(wú)限大!即在紫色端發(fā)散。紫外災(zāi)難和普朗克的量子假說(shuō)但瑞利、金斯兩人得出的共識(shí)，是根據(jù)經(jīng)典物理的理論嚴(yán)密推導(dǎo)的，瑞利和金斯也是物理學(xué)界公認(rèn)的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娜?，理論值與實(shí)驗(yàn)值在短波區(qū)的北轍南轅，揭示了經(jīng)典物理學(xué)面臨的嚴(yán)重困難，使人們不得不稱之為“紫外災(zāi)難”。悲觀情緒：物理學(xué)的新發(fā)現(xiàn)和舊原理之間的矛盾引起物理學(xué)家認(rèn)識(shí)上的嚴(yán)重分歧。在人們提出波粒二象性新概念時(shí)，洛侖茲哀嘆到：“在今天，人們提出了完全相反的主張；這樣一來(lái)，