第五章打開微觀世界研究大門的三大發(fā)現(xiàn)

世界萬物是如何構(gòu)成的？

公元前400年，古希臘的哲學(xué)家德謨克里特認為，物質(zhì)是由最小的不可再分的粒子構(gòu)成。原子的英文名字：atom。原子的希臘文名字：atomos，意思是不能再分。最早原子這個詞傳入中國時嚴(yán)復(fù)把它翻譯成“莫破塵”。我國戰(zhàn)國時的公孫龍說過：“一尺之棰，日取其半，萬世不竭?！钡谝豁?，共三十四頁?？茖W(xué)原子論的創(chuàng)始人——英國科學(xué)家道爾頓在1807年，依據(jù)一系列實驗首先提出：“氣體、液體和固體都是由該物質(zhì)的不可分割的原子組成的”以及“同種元素的原子其大小、質(zhì)量和各種性質(zhì)都相同”。在這里，道爾頓的原子已不再是哲學(xué)術(shù)語，而是實實在在組成物質(zhì)的基本單元。

第二頁，共三十四頁。

在這以后，不少化學(xué)家和物理學(xué)家以大量實驗事實證明了科學(xué)原子論的正確。但是原子到底是否可分？若還可分，則如何分？物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最小層次又是什么？……這些任務(wù)落到了物理學(xué)家身上。第三頁，共三十四頁。

大約又過了100年，到19世紀(jì)末，物理學(xué)家的研究有了突破性的發(fā)現(xiàn)。這就是世紀(jì)之交的三大發(fā)現(xiàn)：X射線放射性電子的發(fā)現(xiàn)人類從此打開了奇妙的微觀世界研究的大門。

第四頁，共三十四頁?！?.1X射線的發(fā)現(xiàn)

一、陰極射線的發(fā)現(xiàn)及其本性的爭論

1858年，德國物理學(xué)家普呂克爾發(fā)現(xiàn)陰極射線。德國物理學(xué)家哥爾茨坦認為陰極射線應(yīng)該是一種類似于紫外光的以太波。赫茲和他的助手勒納德，通過實驗研究發(fā)現(xiàn)：從勒納德窗透出來的射線與放電管內(nèi)射線性質(zhì)完全相同。它能使熒光物質(zhì)發(fā)光，在磁場中能偏轉(zhuǎn)，可使照相底片感光，可使空氣電離。另一種觀點來自英國學(xué)派，他們主張陰極射線是粒子流。第五頁，共三十四頁。兩個學(xué)派，截然相反的兩種觀點，在當(dāng)時雙方爭持不下。最后對陰極射線本性作出正確而肯定答案的是英國劍橋大學(xué)卡文迪許實驗室教授J.J.湯姆孫。J.J.湯姆孫二、一種新射線的發(fā)現(xiàn)

倫琴用裝有勒納德窗的陰極射線管研究陰極射線，發(fā)現(xiàn)了X射線，于1901年獲得了第一個諾貝爾物理學(xué)獎。倫琴第六頁，共三十四頁。1．發(fā)現(xiàn)過程：抓住異?，F(xiàn)象不放過，一鼓作氣，深入研究，7周時間連續(xù)發(fā)現(xiàn)了一種奇特的新射線（X射線），這種射線：直線傳播，在磁場中不偏轉(zhuǎn)，有很強的穿透性，可使照相底片感光。

1895年12月28日，完成了具有歷史意義的論文《一種新射線——初步報告》，公布了歷史上第一張X射線的照片（他妻子的手骨照片）倫琴夫人手的照片

第七頁，共三十四頁。

2．重大意義：人類首次進入了微觀世界

3．在發(fā)現(xiàn)過程中幾個值得思考的問題（1）倫琴發(fā)現(xiàn)X射線是偶然的嗎？看來好像是偶然的，實際上又是“偶然中的必然”。在倫琴發(fā)現(xiàn)X射線之前的30年中，不少科學(xué)家已發(fā)現(xiàn)過類似倫琴所見到的異?，F(xiàn)象，可惜沒有抓住機會。成了恩格斯所說的“往往當(dāng)真理碰到鼻子尖上的時候，還是沒有得到真理”的人。

第八頁，共三十四頁。倫琴為什么能抓住呢？這歸功于他一貫對實驗工作十分熱愛和專注以及他敏銳的觀察和判斷能力，還有嚴(yán)謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度。機會只青睞有準(zhǔn)備的頭腦“實驗是最強有力的杠桿，我們可以利用這個杠桿去撬開自然界的秘密。在解決某一假說是保留還是摒棄這樣一個問題時，這個杠桿應(yīng)當(dāng)成為最高級的評審法院?！薄獋惽俚诰彭?，共三十四頁。柏林普魯士科學(xué)院在祝賀倫琴獲得博士學(xué)位50周年的賀信中，對倫琴做出了高度的評價：“科學(xué)史表明，在每一個發(fā)現(xiàn)中通常都在成就和機遇中間存在一種特殊的聯(lián)系，而許多不完全了解事實的人，可能會傾向于把這一特殊的事例大部分歸功于機遇。但是只要深入了解您獨特的科學(xué)個性，誰都會理解這一偉大發(fā)現(xiàn)應(yīng)歸功于您這位擺脫了任何偏見，將完美的實驗藝術(shù)和極端嚴(yán)謹自覺的態(tài)度結(jié)合在一起的研究者?！?/p>

（2）倫琴淡薄名利的高尚品德值得稱頌。他將發(fā)現(xiàn)和發(fā)明全部奉獻給了人類。

第十頁，共三十四頁。三、X射線的本性和應(yīng)用X射線與通常的光波一樣，是電磁波，只是波長很短（0.001～1nm）。圍繞X射線的性質(zhì)和應(yīng)用的研究，除倫琴外，還有15項獲諾貝爾獎的課題與X射線有關(guān)。獲獎年代人物成就1914勞厄提出了用天然晶體的晶格作為衍射光柵，觀察到了X射線的衍射現(xiàn)象，證明X射線是電磁波1915布拉格父子利用X射線衍射進行晶體結(jié)構(gòu)分析1927康普頓康普頓散射，揭示了X射線光子的粒子性第十一頁，共三十四頁。在應(yīng)用方面值得指出的是：用X射線衍射可以對晶體表面進行分析，尤其值得一提的是用此方法，沃森和克里克獲得了DNA分子結(jié)構(gòu)，從而提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。用特征X射線可對材料的元素成分做出分析，在考古、醫(yī)學(xué)診斷、材料研究等方面有重要應(yīng)用。

DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)第十二頁，共三十四頁?！?.2放射性的發(fā)現(xiàn)

一、貝克勒爾的一個驚人的意外發(fā)現(xiàn)

1．發(fā)現(xiàn)過程起因是彭加勒對X射線來源的一個錯誤推測：他認為X射線可能是從熒光物質(zhì)發(fā)出的。貝克勒爾是研究熒光現(xiàn)象的世家子弟，他用熒光物質(zhì)鈾鹽做實驗，事隔一周后，所給出的兩次報告的結(jié)果截然不同。

貝克勒爾第十三頁，共三十四頁。

他發(fā)現(xiàn)鈾鹽本身就會放出一中肉眼看不見的射線，它與熒光完全無關(guān)，是一中穿透能力很強的神秘射線。這種射線還可以使空氣電離。這一性質(zhì)為后來對射線強度的定量研究打下了實驗基礎(chǔ)。2．重大意義：人類第一次接觸到核現(xiàn)象，下章我們將會知道放射性是來自原子核，這使人類的認識又深入一個層次。第一張鈾輻射照片

第十四頁，共三十四頁。3．在發(fā)現(xiàn)過程中幾個值得思考的問題（1）偶然中的必然：家族幾代人對鈾鹽的研究，使貝克勒爾積累了豐富的實踐經(jīng)驗，培養(yǎng)了他嚴(yán)謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度和科學(xué)家的“靈感”。（2）“靈感”是一種創(chuàng)造性思維?？茖W(xué)思維包括邏輯思維（歸納、演繹、類比等）和超邏輯思維（科學(xué)想象、直覺和靈感）。人們的科學(xué)思維是這兩種思維的綜合運用。但超邏輯思維能打破常規(guī)思路、突破思維定式、洞察事物本質(zhì)，更具創(chuàng)造性作用?！办`感”是一種頓悟式的、突發(fā)性的直覺。它是以創(chuàng)造者善于思考、不斷探索和實踐經(jīng)驗的積累為前提的，決不是憑空想象和心血來潮的結(jié)果。第十五頁，共三十四頁。（3）從簡單的甚至錯誤的假設(shè)出發(fā)，通過實驗檢驗不斷修正，甚至推翻原有的假設(shè)，使人們的認識逐步走向真理，最終得到世人公認的重大發(fā)現(xiàn)，這正是科學(xué)研究的一種常見模式。

二、貝克勒爾的“先驗觀念”和居里夫人的新的突破

1．貝克勒爾為什么“保守”了？

貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鈾鹽的放射性后，沒有將研究拓寬和深入下去，而是僅僅只限于鈾鹽。各種原因正如他多年后所說：“因為放射線是通過鈾認識的，所以有一種先驗的觀念，認為其他已知物體的放射性可比鈾還要大很多是不大可能的，于是對這個新現(xiàn)象的普遍性的研究似乎就沒有對它的本質(zhì)的物理研究來的緊迫。”第十六頁，共三十四頁。2．居里夫人的創(chuàng)新思維居里夫人根據(jù)其丈夫的建議，將剛被發(fā)現(xiàn)的放射性的研究作為她的博士論文。有膽識，極具挑戰(zhàn)性（1）她毫不保守，毅然將測量對象從一種鈾鹽擴展到她所能找到的各類礦石。（2）通過高精度定量化的測量弱電離電流來測量放射性的強度。第十七頁，共三十四頁。

在極端困難情況下，她在1898年接連發(fā)現(xiàn)了新的放射性元素：釷、釙和鐳。其中鐳的放射性要比鈾強約100萬倍。1903年居里夫婦與貝克勒爾共享了諾貝爾物理學(xué)獎。

居里夫婦第十八頁，共三十四頁。3．居里夫人的高尚品德居里夫婦克服困難，歷時4年堅持不懈地工作，在幾噸礦渣中提煉出了0.1克純氯化鐳。居里夫人的健康受到很大損害，體重減輕了10公斤。然而回憶這段歷史，她說：“在這樣的設(shè)備條件下，我們開始了令任何人都會疲乏不堪的工作。然而，就是在這陳舊不堪的棚子里，度過了我們一生中最美好和最幸福的年月。”居里夫人第十九頁，共三十四頁。

作為第一位兩獲諾獎的科學(xué)家，功名、財富近在咫尺。然而居里夫人不為所動，不把自己的發(fā)明申請專利，將制鐳技術(shù)奉獻給全人類。她說：“物理學(xué)家總是把研究成果全部發(fā)表的。不能因為我們的發(fā)現(xiàn)偶有商業(yè)前途而從中牟利，特別是，鐳有治病的功效……我們不能申請專利，這是違背科學(xué)精神的?！钡诙?，共三十四頁。討論與思考：在強調(diào)保護“知識產(chǎn)權(quán)”的今天，如何認識和看待居里夫人的舉動？

愛因斯坦在悼詞中說：

“在像居里夫人這樣一位崇高人物結(jié)束她的一生的時候，我們不要僅僅滿足于回憶她的工作成果對人類做出的貢獻。第一流人物對于時代和歷史進程的意義，在其道德品質(zhì)方面，也許比單純的才智成就方面還要大。第二十一頁，共三十四頁。

三、、和三種射線

射線：射線：e-電子流射線：中性的電磁輻射1．三種射線在磁場中可以分開：

衰變：原子核自發(fā)地放射出粒子而發(fā)生的轉(zhuǎn)變

2．放射性現(xiàn)象實質(zhì)是一種原子核衰變第二十二頁，共三十四頁。

衰變：原子核自發(fā)地放射出粒子或俘獲一個軌道電子而發(fā)生的轉(zhuǎn)變軌道電子俘獲：

在考古上常用的核的衰變?yōu)椋涸卺t(yī)學(xué)上常用的核的衰變?yōu)椋旱诙?，共三十四頁?/p>

其中、是質(zhì)量很接近零的中微子。它們是電中性的，有很強的穿透力。表示從最靠近核的K層電子軌道上俘獲的電子。衰變：或衰變后，留下的子核處于激發(fā)態(tài)時，它可以通過放出射線而退激。子核放出的射線不止一種，可能含有幾種不同能量的射線，例如

處于激發(fā)態(tài)的子核可以再放出的射線有1.17MeV和1.33MeV兩種。第二十四頁，共三十四頁。

四、放射性衰變規(guī)律

1．指數(shù)衰變規(guī)律

為衰變常數(shù)，是反映衰變快慢的物理量第二十五頁，共三十四頁。

2．

放射性活度和衰變常數(shù)的意義在實際應(yīng)用中，放射性強弱應(yīng)是與放射性核的數(shù)目及衰變快慢有關(guān)，所以定義放射性活度：

其物理意義是：在t時刻，放射性核素的衰變率，即在 時刻內(nèi)發(fā)生衰變的放射性核素數(shù)目與時間之比。第二十六頁，共三十四頁。

證明：當(dāng)足夠小時，，所以

由，可得的物理意義是：單位時間放射性核素的衰變概率（單位是s-1）第二十七頁，共三十四頁。3．半衰期與的關(guān)系某放射性核素的數(shù)目衰變掉一半所需的時間放射性核素指數(shù)衰變規(guī)律圖

衰變規(guī)律可以改寫為：第二十八頁，共三十四頁。4．已知放射性活度隨時間的變化，可以測得相應(yīng)的時間

于是有第二十九頁，共三十四頁。

例題：有一古尸，現(xiàn)測得此古尸1

g碳中的的活度是0.121Bq。問此人已死亡多少年了？此人剛死亡時1g碳中的放射性活度A0的計算如下：

應(yīng)用舉例：考古第三十頁，共三十四頁。

已知12g（1摩爾質(zhì)量）碳中含有的碳原子數(shù)為阿伏加德羅常數(shù)個，所以1g碳中的原子數(shù)為個，相應(yīng)的原子數(shù)目為