文科物理第5講課件

科學(xué)對(duì)于人類的影響有兩種方式，第一種是大家熟知的：科學(xué)直接的并在更大程度上間接地產(chǎn)生出完全改變?nèi)祟惿畹墓ぞ撸坏诙N方式是教育的性質(zhì)——它作用于心靈。——愛因斯坦第二章微觀世界一、世界萬(wàn)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(rèn)為，物質(zhì)是由最小的不可再分的原子構(gòu)成原子：atom原子的希臘文：atomos，“不能再分”最早“原子”傳入中國(guó)時(shí)，嚴(yán)復(fù)翻譯為“莫破塵”

“一尺之棰，日取其半，萬(wàn)世不竭?！?戰(zhàn)國(guó)時(shí)公孫龍)科學(xué)原子論創(chuàng)始人：英國(guó)科學(xué)家道爾頓在1807年，依據(jù)一系列實(shí)驗(yàn)首先提出：1、氣體、液體和固體都是由不可分割的原子組成2、同種元素的原子大小、質(zhì)量和各種性質(zhì)都相同化學(xué)家和物理學(xué)家以大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)證明了科學(xué)原子論的正確性二、科學(xué)原子論在這里，道爾頓的原子已不再是哲學(xué)術(shù)語(yǔ)，而是實(shí)實(shí)在在組成物質(zhì)的基本單元。原子原子核電子質(zhì)子中子盧瑟福預(yù)言了“中子”的存在，查德維克發(fā)現(xiàn)了中子神奇美麗的細(xì)菌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.大約又過(guò)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)：一、陰極射線的發(fā)現(xiàn)及其本性的兩種爭(zhēng)論1858年，德國(guó)物理學(xué)家普呂克爾發(fā)現(xiàn)陰極射線X射線的發(fā)現(xiàn)１．德國(guó)物理學(xué)家哥爾茨坦：陰極射線是一種類似于紫外光的以太波.對(duì)陰極射線兩種爭(zhēng)論：2.另一觀點(diǎn)來(lái)自英國(guó)學(xué)派：他們主張陰極射線是粒子流.赫茲和他的助手勒納德，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：從勒納德窗投射出來(lái)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(chǎng)中能偏轉(zhuǎn)，使照相底片感光，使空氣電離。1.X射線發(fā)現(xiàn)過(guò)程：抓住異?，F(xiàn)象不放過(guò)，一鼓作氣，深入研究，7周時(shí)間連續(xù)發(fā)現(xiàn)了一種奇特的新射線（X射線）.倫琴夫人手的照片

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(bào)告》，公布了歷史上第一張X射線的照片（他妻子的手骨照片）2.X射線特性：直線傳播，在磁場(chǎng)中不偏轉(zhuǎn)，有很強(qiáng)的穿透性，可使照相底片感光.X光透視倫琴為什么能抓住呢？這歸功于他一貫對(duì)實(shí)驗(yàn)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(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。機(jī)會(huì)只青睞有準(zhǔn)備的頭腦“實(shí)驗(yàn)是最強(qiáng)有力的杠桿，我們可以利用這個(gè)杠桿去撬開自然界的秘密。在解決某一假說(shuō)是保留還是摒棄這樣一個(gè)問(wèn)題時(shí)，這個(gè)杠桿應(yīng)當(dāng)成為最高級(jí)的評(píng)審法院?！薄獋惽偃?、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(zhǎng)很短（0.001～1nm）。

圍繞X射線發(fā)現(xiàn)、發(fā)展和應(yīng)用而進(jìn)行科研工作的科學(xué)家獲諾貝爾獎(jiǎng)的就有近三十人之多1901年倫琴(英)獲諾貝爾物理獎(jiǎng)1914年勞埃(德)獲諾貝爾物理獎(jiǎng)1915年布拉格父子(英)獲諾貝爾物理獎(jiǎng)1936年德拜(英/荷)獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)1962年奧森等3人獲諾貝爾生物獎(jiǎng)1964年霍奇金(英/埃)獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)1985年豪普特曼等2人獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)…………X射線的發(fā)現(xiàn)和廣泛應(yīng)用是二十世紀(jì)科學(xué)發(fā)展中最偉大成就之一用途測(cè)量射線的波長(zhǎng)研究X射線譜，或測(cè)定晶體的晶面間距，進(jìn)而研究原子結(jié)構(gòu)；研究晶體的結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步研究材料性能.例如對(duì)大分子DNA晶體的成千張的X射線衍射照片的分析，顯示出DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu).DNA晶體的X衍射照片DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)在應(yīng)用方面用X射線衍射可以對(duì)晶體表面進(jìn)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(duì)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)

放射性的發(fā)現(xiàn)

1．發(fā)現(xiàn)過(guò)程起因是彭加勒對(duì)X射線來(lái)源的一個(gè)錯(cuò)誤推測(cè)：他認(rèn)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(shí)驗(yàn)，事隔一周后，所給出的兩次報(bào)告的結(jié)果截然不同。

一、貝克勒爾的一個(gè)驚人的意外發(fā)現(xiàn)他發(fā)現(xiàn)鈾鹽本身就會(huì)放出一種肉眼看不見的射線，它與熒光完全無(wú)關(guān)，是一種穿透能力很強(qiáng)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(lái)對(duì)射線強(qiáng)度的定量研究打下了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。2．發(fā)現(xiàn)放射性的重大意義：人類第一次接觸到核現(xiàn)象，放射性是來(lái)自原子核，這使人類的認(rèn)識(shí)又深入一個(gè)層次。（3）從簡(jiǎn)單的甚至錯(cuò)誤的假設(shè)出發(fā)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)不斷修正，甚至推翻原有的假設(shè)，使人們的認(rèn)識(shí)逐步走向真理，最終得到世人公認(rèn)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(yàn)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(méi)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(shuō)：“因?yàn)榉派渚€是通過(guò)鈾認(rèn)識(shí)的，所以有一種先驗(yàn)的觀念，認(rèn)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(duì)這個(gè)新現(xiàn)象的普遍性的研究似乎就沒(méi)有對(duì)它的本質(zhì)的物理研究來(lái)的緊迫?！?．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(shí)，極具挑戰(zhàn)性（1）她毫不保守，毅然將測(cè)量對(duì)象從一種鈾鹽擴(kuò)展到她所能找到的各類礦石。（2）通過(guò)高精度定量化的測(cè)量弱電離電流來(lái)測(cè)量放射性的強(qiáng)度。

3．居里夫人的高尚品德居里夫婦克服困難，歷時(shí)4年堅(jiān)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(shuō)：“在這樣的設(shè)備條件下，我們開始了令任何人都會(huì)疲乏不堪的工作。然而，就是在這陳舊不堪的棚子里，度過(guò)了我們一生中最美好和最幸福的年月?！弊鳛榈谝晃粌色@諾獎(jiǎng)的科學(xué)家，功名、財(cái)富近在咫尺。然而居里夫人不為所動(dòng)，不把自己的發(fā)明申請(qǐng)專利，將制鐳技術(shù)奉獻(xiàn)給全人類。她說(shuō)：“物理學(xué)家總是把研究成果全部發(fā)表的。不能因?yàn)槲覀兊陌l(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(qǐng)專利，這是違背科學(xué)精神的?！?/p>

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(chǎng)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(shí)質(zhì)是一種原子核衰變?nèi)?、、和三種射線氡Rn鐳Ra鉛Pb釙Po衰變：原子核自發(fā)地放射出電子或俘獲一個(gè)軌道電子而發(fā)生的轉(zhuǎn)變?cè)诳脊派铣Ｓ玫暮说乃プ優(yōu)椋涸卺t(yī)學(xué)上常用的核的衰變?yōu)椋浩渲小⑹琴|(zhì)量很接近零的中微子。它們是電中性的，有很強(qiáng)的穿透力。衰變：或衰變后，留下的子核處于激發(fā)態(tài)時(shí)，它可以通過(guò)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，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.伽瑪()刀2.放射性活度和衰變常數(shù)的意義在實(shí)際應(yīng)用中，放射性強(qiáng)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：考古電子的發(fā)現(xiàn)

一位最先打開通向基本粒子物理學(xué)大門的偉人——湯姆孫湯姆孫在測(cè)荷質(zhì)比湯姆孫：連續(xù)擔(dān)任卡文迪許實(shí)驗(yàn)室教授（即負(fù)責(zé)人）長(zhǎng)達(dá)35年，為實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、人才培養(yǎng)、國(guó)際合作交流做出了重要貢獻(xiàn).一、電子發(fā)現(xiàn)過(guò)程三個(gè)關(guān)鍵性實(shí)驗(yàn)：第一個(gè)實(shí)驗(yàn)：通過(guò)提高真空度，完成了陰極射線在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，證明陰極射線是帶電粒子流.第二個(gè)實(shí)驗(yàn)：利用湯姆孫管，定量測(cè)出陰極射線的荷質(zhì)比約為1011C/kg，這要比氫原子的荷質(zhì)比大1000倍左右。他結(jié)合了其他人的實(shí)驗(yàn)，尤其是陰極射線能穿過(guò)勒納德窗（鋁箔）的實(shí)驗(yàn)，提出這種微粒應(yīng)比原子、分子小得多，且是原子的組成部分。而且由于與陰極物質(zhì)材料無(wú)關(guān)，他進(jìn)一步得出結(jié)論：這種粒子應(yīng)是各種物質(zhì)不同原子所包含的普適成分。湯姆孫管

第三個(gè)實(shí)驗(yàn)：利用威爾遜所發(fā)明的云霧室，測(cè)定這種微粒所帶電荷為1.1×10-19C，有力地證明了此微粒的質(zhì)量要比氫離子小約1000倍。這種微粒后來(lái)被命名為“電子”，電子的發(fā)現(xiàn)使關(guān)于陰極射線本質(zhì)的爭(zhēng)論宣告結(jié)束。

二、電子發(fā)現(xiàn)的啟示:要敢于突破傳統(tǒng)觀念在繼承中發(fā)展，這是科學(xué)研究的正確方法。但是在認(rèn)識(shí)發(fā)展的過(guò)程中要有敢于創(chuàng)新，敢于突破傳統(tǒng)觀念束縛的勇氣。正如英國(guó)科學(xué)家貝爾納所說(shuō)：“發(fā)現(xiàn)的最大困難，在于擺脫一些傳統(tǒng)的觀念?！泵鎸?duì)荷質(zhì)比的測(cè)定結(jié)果，只有湯姆孫認(rèn)為它可