第七章-世紀之交的物理學

第七章世紀之交物理學的發(fā)展§1經(jīng)典物理學的局限性§219世紀的物理學上的三大發(fā)覺§3經(jīng)典物理學的兩朵烏云§1經(jīng)典物理學的局限一經(jīng)典力學基本概念和基本原理的固有局限性：1.把經(jīng)典力學建立在確定時間和確定空間的框架上；2.把引力看作為干脆的、即時傳遞的、超距的作用；3.物體的質(zhì)量恒定不變，與物體的運動和能量無關；4.只適于宏觀低速的范圍，不適于高速和微觀領域。5.機械確定論二經(jīng)典物理學與經(jīng)典力學之間的沖突 經(jīng)典物理學是運用經(jīng)典力學的基本概念和原理建立起來的理論體系，但是，隨著經(jīng)典物理學的深化發(fā)展，卻越來越顯露出他們與經(jīng)典力學之間的裂痕，從而動搖了經(jīng)典力學的基礎地位。1.與光學的不調(diào)和性： 主要表現(xiàn)在兩個方面，一是對光的相識始終存在兩種相互沖突的觀點：微粒說和波動說；二是對于作為確定空間和波的載體的“以太”原委是什么，如何對它進行檢測？它究竟具有哪些性質(zhì)？如從光速的巨大數(shù)值來看，“以太”應具有極大的剛性。又由于天體不受阻礙的在太空中穿行，“以太”必需極其稀薄且沒有質(zhì)量，等等。這些性質(zhì)不但難以理解，有些甚至相互沖突。2.與電磁學的沖突：媒遞作用---超距作用的沖突；即時傳播---有限速度的沖突；能量連續(xù)分布的場---質(zhì)點是能量的唯一載體的沖突等等。3.與熱學的不協(xié)調(diào)：經(jīng)典力學（包括電磁場理論）中的規(guī)律關于時間都是對稱的、可逆的，時間只是從外部描述運動的一個參量。它的變更對于運動的性質(zhì)并無影響。而熱學中熵增原理的發(fā)覺，卻指出了自然過程的不行逆性和歷史性。三馬赫對經(jīng)典力學的批判 1883年，奧地利的馬赫出版了《力學及其發(fā)展的批判歷史概論》，從科學和哲學的角度對經(jīng)典力學進行了尖銳的批判。例如質(zhì)量的概念，在牛頓的《力學原理》中，質(zhì)量被定義為密度和體積的乘積。馬赫認為，依據(jù)這種定義的方法，不同種類物體的質(zhì)量無法比較，應當建立相對質(zhì)量的概念：加速度是可測量的量，假如測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，那么這兩個物體的質(zhì)量就相等，假如測得的加速度不相等，則用加速度的負反比來表示這兩個物體的質(zhì)量之比。 馬赫對牛頓確定時空和確定運動進行了批判，馬赫認為：“時間是一種抽象”，時間是不能獨立自存的?？臻g也不能脫離物體而存在。假如宇宙中沒有物體，談論空間就毫無意義。如果宇宙中只有一個物體，這唯一的物體也無運動可言。馬赫批判了牛頓的“水桶試驗”愛因斯坦指出：馬赫為相對論的發(fā)展鋪平了道路。在狹義相對論創(chuàng)立的過程中，正是馬赫對確定時間的批判，使愛因斯坦“最終醒悟到時間是可疑的”，并從“同時性的相對性”這個問題上取得了突破性的進展。馬赫對水桶試驗的批判，使人們的思想從“確定運動”的桎梏中解放出來，從而確立加速運動的相對性的觀念。馬赫的科學哲學思想甚至還干脆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家。馬赫的批判思想在世紀之交對物理學的革命性變革起到了啟蒙和推動作用。§219世紀物理學上的三大發(fā)覺一.電子的發(fā)覺二.X射線的發(fā)覺三.自然放射性的發(fā)覺一電子的發(fā)覺背景：十九世紀末，了解電的本質(zhì)成了當務之急，促成很多科學家探討低壓氣體放電、陰極射線及真空技術。1.陰極射線的探討①德國學派的以太波的觀點：普呂克爾，哥爾茨坦，赫茲等②英國學派的帶電微粒說：瓦爾利，克魯克斯，舒斯等。 佩蘭(Perrin)試驗： 1895年法國物理學家微粒說支持者佩蘭(Perrin)將圓 桶電極安裝在陰極射線管中，用靜電計測圓桶接收到的電 荷。結果為負電。支持了帶電微粒說。發(fā)現(xiàn)電子的——J·J·湯姆遜2.電子的發(fā)覺： J·J·湯姆遜(1856-1940)簡介 14歲進入曼徹斯特高校，1876年獲數(shù)學獎金而進入劍 橋高校三一學院深造。1880年獲二等史密斯獎金，進入卡 文迪什試驗室，在瑞利教授的指導下進行電磁學探討。 1883年被選為英國皇家學會會員。1884年出任卡文迪什實 驗室主任（這一年瑞利出任皇家學會會長），年僅28歲。 領導該室人員工作長達42年。1906年獲得諾貝爾物理學 獎。培育的學生有盧瑟福、玻爾、威爾遜等多人，他們都 先后榮獲了諾貝爾獎。 J.J.湯姆遜設計了一系列試驗，以無可辯駁的事實確證了 陰極射線是帶負電的粒子流。試驗一陰極射線的磁偏轉(zhuǎn)試驗： 1895年，湯姆遜將佩蘭試驗裝置做了一些改進，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。試驗二：陰極射線的靜電偏轉(zhuǎn)試驗： J.J.湯姆遜重復了赫茲的靜電場偏轉(zhuǎn)試驗，他改善真空條件，并減小極間電壓，最終獲得了穩(wěn)定的靜電偏轉(zhuǎn)。從而否定了以太說。試驗三：荷質(zhì)比e/m的測量： 方法一是在上一試驗裝置管子的兩測各加一通電線圈，以產(chǎn)生垂直于電場的磁場。然后依據(jù)電場和磁場分別造成的偏轉(zhuǎn)，計算出陰極射線的荷質(zhì)比以及微粒子的運動速度。v≈2.7×109厘米/秒，e/m≈0.8×107電磁單位/克。物理革命的新曙光二X射線的發(fā)覺1.倫琴

德國物理學家。1901年，倫琴獲首屆諾貝爾物理獎。

略三自然放射性的發(fā)覺1.鈾鹽的放射性的發(fā)覺----貝克勒爾2.釙和鐳的發(fā)覺----------居里夫人3.α、β、γ射線的發(fā)覺--盧瑟福天然放射性的發(fā)現(xiàn)1.鈾鹽放射性的發(fā)覺------貝克勒爾 貝克勒爾生于法國巴黎，祖父和父親都是固體磷光專家， 從事探討工作有60多年的歷史，貝克勒爾早期從事光學研 究，43歲起先探討放射現(xiàn)象。 選擇硫酸鉀鈾酰作為試驗材料，并放在太陽底下暴曬 (暴曬可使熒光物質(zhì)發(fā)出更強熒光)，底片感光了。后來由于 陰雨連綿，貝克勒爾用黑紙包上底片與鈾鹽一起鎖進抽屜， 結果再次試驗前檢查底片時，底片照舊被鈾鹽感光了。貝克 勒爾經(jīng)過分析，認為：使底片感光的射線與日曬和熒光無任 何關系，它是鈾鹽自身產(chǎn)生的輻射現(xiàn)象，于是其次天，他在 科學院的例會上公布了這一重大發(fā)覺。 貝克勒爾獲1903年諾貝爾獎天然放射性的發(fā)現(xiàn)2.釙和鐳的發(fā)覺①.居里夫人(1867-1934) 波蘭中學畢業(yè)獲金質(zhì)獎章，由于波蘭當時女子不能上大學，做了8年家庭老師，籌了費用，于1891年到法國巴黎，進入法蘭西共和國高校理學院學習。1893年獲物理碩士學位，次年又獲得數(shù)學碩士學位。1894年與法國物理學家皮埃爾·居里結婚。1903年獲諾貝爾物理獎，1911年獲諾貝爾化學獎。 皮埃爾·居里：法國物理學家，從小聰慧過人，16歲獲學 士學位，18歲獲碩士學位，24歲擔當巴黎市立理化學校物理實 驗室主任。曾與哥哥約克共同發(fā)覺了晶體的壓電效應，獨創(chuàng)了 測量微量電量的壓電石英靜電計---“居里計”。后來從事磁學 探討，發(fā)覺磁性消逝的溫度---“居里點”。天然放射性的發(fā)現(xiàn)②.釙(po)的發(fā)覺首先居里夫人用石英靜電計對鈾發(fā)出的射線的電離性質(zhì)進行了精密測量。證明白鈾的輻射強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、化學狀態(tài)無關。居里夫人認為這說明輻射只是一種原子過程。1897年7月，他們最終從鈾礦渣中提煉出了釙，它比純鈾放射性強400倍!③.鐳的發(fā)覺但是釙的放射性比預期的仍舊低，接著試驗，1898年12月，又發(fā)覺了比鈾的放射性強900多倍的新元素----鐳(radium)!1899年進一步提煉到放射性達7500倍鈾的晶體，之后到10萬倍，還不是純鐳。（雷：是埃及古代至高無上的神--太陽神，居里把它命名為“鐳”，也親切地把它叫做放射性的“小太陽”。）天然放射性的發(fā)現(xiàn) 為了消退人們的懷疑，他們決心提煉出純鐳，鐳礦渣特別貴，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個月的時間，歷時四年，經(jīng)過幾萬次的提煉，最終從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月獲諾貝爾物理學獎。 1912年又成功分別出純金屬鐳，其次年獲諾貝爾化學獎。居里夫婦在工作天然放射性的發(fā)現(xiàn)④.科學屬于全人類 鐳可以治狼瘡和癌腫，0.1克鐳就值75萬金法郎!一個美國公司想收買專利，都被生活并不富有的居里夫婦謝絕了。 他們認為:我們發(fā)覺了科學，又把它據(jù)為己有，這違反科學精神，再說鐳能治病，我們就更應當無條件地獻出它的隱私!然而，居里夫人由于長期接觸放射性物質(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熬煎的雙重壓力下，仍舊初衷不改，獻身于科學事業(yè)。她的高風亮節(jié)，贏得了人們的敬重。她的女婿約里奧（1900-1958）在50年頭用儀器檢測她當年的試驗記錄本，發(fā)覺全部污染了放射性物質(zhì)，她當年用過的烹調(diào)書，50年后再檢查，仍舊有放射性。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給了這壯麗的宏大事業(yè)。3.α、β、γ射線的發(fā)覺 鐳的發(fā)覺促進了對放射性的進一步探討，其中貢獻最大的是J.J.湯姆遜的學生----盧瑟福 ①盧瑟福發(fā)覺α射線和β射線：在獲知居里夫婦發(fā)覺鐳輻射 后，馬上轉(zhuǎn)向放射性對氣體電離作用的探討，1898年，盧瑟 福用強磁鐵使鈾射線偏轉(zhuǎn)，發(fā)覺射線分為方向相反的兩股， 一股極易被吸取，他稱之為α射線；另一種具有較強的穿透 力，稱之為β射線。②維拉德(P.Villard)發(fā)覺γ射線：法國人，1900年,維拉德將鐳放入一個鉛罐中，鉛罐一側(cè)開一小口，放射性射線可從今射出，射線經(jīng)磁場后用底片記錄。在底片和射線口之間加一層鋁箔，用于阻擋α射線而讓β射線通過，結果發(fā)覺在正對發(fā)射口的方向有暴光的痕跡，后來維拉德又加了一層鋁箔，射線仍能穿透。因此表明，這一射線確定不是α、β射線，而是一種不受磁場偏轉(zhuǎn)的輻射實力更強的一種新射線。與X射線特別類似，后來被盧瑟福稱為γ射線。③原子的嬗變理論：對放射性過程的探討，使他們意識到“放射性既是原子現(xiàn)象，又能產(chǎn)生新的化學變更的伴生物”。于是1902年提出了放射性元素的嬗變理論。盧瑟福簡介 新西蘭人，祖籍英國蘇格蘭，1871年生于新西蘭，18歲進入新西蘭高校學習，1893年高校畢業(yè)，1895年被選送到劍橋高校深造，在J.J.湯姆遜領導的卡文迪什試驗室當探討生(J.J.湯姆遜的第一位探討生)。1898年應邀擔當加拿大麥吉爾高校物理學教授。 在獲知居里夫婦發(fā)覺鐳輻射后，轉(zhuǎn)向放射性對氣體電離作用的探討，提出原子的嬗變理論。1907年返回英國，任曼徹斯特高校物理學教授。主要探討α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的探討榮獲諾貝爾化學獎。1919年任劍橋高校教授，并任卡文迪許試驗室主任。 上述三大發(fā)覺打破了幾百年來形成的物質(zhì)不滅、能量守恒、原子不行分等傳統(tǒng)觀念，揭開了物理學革命的序幕，它標記著物理學的探討由宏觀進入到微觀。卡文迪什試驗室：始建于1871年，建成于1874年，是英國劍橋高校的前身，麥克斯韋為第一任試驗室主任?？ㄎ牡鲜苍囼炇遥鳛槭澜缟献钪奈锢韺W教化和科研中心之一，培育了一大批世界級的著名物理學家，26位諾貝爾獎金獲得者。1885～1919年，由J.J.湯姆遜主持試驗室工作，在這34年間，主要進行了電學、磁學、光學等方面的基本測量工作。這期間科學探討碩果累累，人才輩出，走在世界的前列，有10位工作人員獲得諾貝爾獎。1919～1937年盧瑟福主持卡文迪什試驗室工作，主要進行放射性和核物理探討，先后取得了發(fā)覺中子、驗證了正電子的預言、人工打破原子核的重大成就。尤其在1932～1933年間，卡文迪什試驗室達到其科學成就的高峰。在盧瑟福主持工作的18年間，試驗室中共有12人獲諾貝爾獎，這18年是該試驗室的黃金時期，這期間它成為世界試驗物理的探討中心?！?經(jīng)典物理學的兩朵烏云 19世紀的最終一天，在歐洲著名的科學家年會上，英國著名物理學家W．湯姆生（開爾文）發(fā)表了新年祝詞。他在回顧物理學所取得的宏大成就時說，物理學大廈已經(jīng)落成，所剩只是一些修飾工作。同時，他在展望20世紀物理學前景時講道：“動力理論確定了熱和光是運動的兩種方式，現(xiàn)在，它美麗而晴朗的天空卻被兩朵烏云覆蓋了，”“第一朵烏云出現(xiàn)在光的波動理論上，”“其次朵烏云出現(xiàn)在關于能量均分的麥克斯韋-玻爾茲曼理論上?！彼f的第一朵烏云，主要是指：“邁克耳遜－莫雷實驗”與“以太漂移說”的沖突；其次朵烏云，主要是指熱學中的能量均分定則在氣體比熱以及輻射能譜的理論說明中得出與試驗不等的結果，其中尤以黑體輻射理論出現(xiàn)的“紫外災難”最為突出。其次朵烏云——黑體輻射與“紫外災難” 黑體輻射試驗：19世紀末，盧梅爾等人在做試驗時發(fā)現(xiàn)：黑體輻射的能量不是連續(xù)的，它按波長的分布僅與黑體的溫度有關。（與經(jīng)典物理學能量連續(xù)的觀點嚴峻沖突）。 對上述試驗結果說明的三個典型人物： 一.維恩 二.瑞利和金斯 三.普朗克紫外災難和普朗克的量子假說1.維恩定律 1896年，德國物理學家維恩通過半理論半閱歷的方法，得到一個輻射能量分布公式： 3?Aν/T 但這個公式只在短波區(qū)、溫度較低時和試驗結果符合， 而在長波區(qū)不符。 2.瑞利——金斯定律 2 ρ(ν,T)=3