近代物理科學(xué)史.ppt

1、第六章 量子論與物質(zhì)觀,物理學(xué)作為一門科學(xué)，它的形成和發(fā)展經(jīng)歷了近四、五百年的歷史，到19世紀(jì)末，經(jīng)典物理學(xué)理論體系的大廈巍然聳立，使人們普遍產(chǎn)生了一種錯(cuò)覺，認(rèn)為物理學(xué)的發(fā)展已經(jīng)完成，人們對(duì)物理世界的解釋已經(jīng)達(dá)到了終點(diǎn)，宇宙萬物必然按照由精美的數(shù)學(xué)方程所表達(dá)的物理學(xué)定律永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去。 著名德國物理學(xué)家基爾霍夫曾表示：“物理學(xué)將無所作為了，至多只能在已知規(guī)律的公式的小數(shù)點(diǎn)后面加幾個(gè)數(shù)字罷了。”,在剛剛跨入20世紀(jì)的第一天，英國著名的物理學(xué)家開爾文在元旦獻(xiàn)詞中曾經(jīng)說過： “在已經(jīng)建成的大廈中，后輩物理學(xué)家只能做一些零碎的修補(bǔ)工作?！迸c眾不同的是他又敏銳地發(fā)現(xiàn)，在物理學(xué)晴朗的天空里，還有兩朵小小的令

2、人不安的烏云，這兩朵烏云指的是當(dāng)時(shí)物理學(xué)無法解釋的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，一個(gè)是熱輻射實(shí)驗(yàn)，另一個(gè)是邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)。 X射線、放射性和電子的三個(gè)發(fā)現(xiàn)，揭開了近代物理的序幕。當(dāng)物理學(xué)進(jìn)入20世紀(jì)，就誕生了量子論和相對(duì)論，開創(chuàng)了近代物理學(xué)。,6.1 十九世紀(jì)末物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn),自古到今，人們就在不斷地思索，世界萬物由什么構(gòu)成的？它有最小結(jié)構(gòu)嗎 哲學(xué)家亞里士多德等人則認(rèn)為物質(zhì)是連續(xù)的，世界萬物由土、空氣、水、火這四種元素組成的，而天則是第五種元素“以太”所組成的 古希臘哲學(xué)家德謨克利特等人認(rèn)為，物質(zhì)是不連續(xù)的，分到最后將由一些不可再分的東西所組成，他把這種物質(zhì)的基元命名為“atoms（“原子”）”，古希臘文的意

3、思是“不可再分的東西”。,英國科學(xué)家道爾頓是科學(xué)原子論的創(chuàng)始人，1807年他依據(jù)一系列實(shí)驗(yàn)，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”，“同種元素的原子，其大小、質(zhì)量及各種性質(zhì)都相同”，此后，大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)證明了原子論的正確性。 1895年德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)X射線， 1896年，法國物理學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)放射性， 1897年英國物理學(xué)家湯姆遜，發(fā)現(xiàn)了電子， 這三大發(fā)現(xiàn)揭開了原子存在內(nèi)部結(jié)構(gòu)，三大發(fā)現(xiàn)揭開了研究微觀世界的序幕。,1、X 射線的發(fā)現(xiàn) X 射線的發(fā)現(xiàn)也是起源于對(duì)陰極射線的研究 德國維爾茨堡大學(xué)校長、物理學(xué)家倫琴于1895年11月8日，在做放電管實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了避免可見光的影

4、響，他用黑 紙將放電管包起來，而且在 暗室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，他意外地 發(fā)現(xiàn)在離管一米以外的涂有 熒光物質(zhì)的屏上閃耀著微弱 的青綠色的熒光。,12月22日，倫琴 的夫人來到實(shí)驗(yàn)室， 倫琴讓夫人把左手放 在用黑紙包著的照相 底片上，然后用X射 線照射，為她拍攝了 一張帶著戒子的左手 手指骨骼照片，這是 歷史上第一張X光照片。,倫琴夫人手的X片,1895年12月28日倫琴寫出了一篇論文論一種新的射線，文章詳細(xì)總結(jié)了新射線的性質(zhì)： 新射線來自于被陰極射線擊中的固體，固體元素越重，產(chǎn)生出來的新射線越強(qiáng)； 新射線是直線傳播的，不被棱鏡反射和折射，也不被磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)； 新射線對(duì)所有物體幾乎都是透明的； 新射線可使熒光

5、物質(zhì)發(fā)光，使照相底片感光，當(dāng)把手放在放電管和熒光屏之間時(shí)，由于肌肉對(duì)新射線的吸收比骨質(zhì)弱得多，屏上便可看到手指的骨骼。,X 射線這個(gè)名稱也是倫琴最先采用的，他在給孔特的信中說：“我終于發(fā)現(xiàn)了一種光，我不知道是什么光，無以名之，就把它叫做 X 光吧”，后人為了紀(jì)念他，又把它稱為“倫琴射線”。 倫琴的發(fā)現(xiàn)震驚了整個(gè)科學(xué)界，許多物理學(xué)家轉(zhuǎn)向研究 X 射線，反應(yīng)之迅速和強(qiáng)烈是物理學(xué)史上罕見的，僅1896年一年內(nèi)，關(guān)于X射線研究的論文達(dá)1000多篇。,在X射線發(fā)現(xiàn)3個(gè)月后，維也納醫(yī)院中首次利用X射線對(duì)人體進(jìn)行拍片; 半年后，英國出版了第一本研究X射線的專業(yè)雜志射線臨床攝影資料; 此后，J. J. 湯姆遜

6、和盧瑟福證實(shí)X射線能使氣體電離； 1912年德國物理學(xué)家勞厄用晶體作光柵，得到 X 射線衍射圖，證明 X 射線是一種波長很短（約在10102 之間）的電磁波，同時(shí)證明了晶體具有空間點(diǎn)陣，勞厄因此獲得了1914 年度諾貝爾物理獎(jiǎng)。,X射線的發(fā)現(xiàn)使人們認(rèn)識(shí)的“電磁波譜”朝著短波方向拓廣了一大段； 1906年，英國物理學(xué)家巴克拉發(fā)現(xiàn)每種金屬都有自己的“特征X射線”，用它可以確定元素在周期表上的排位，巴拉克因此而獲得了1917年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)； 1915年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國物理學(xué)家布拉格父子，表彰他們?cè)趧诙蚬ぷ鞯幕A(chǔ)上，提出了布拉格公式，可以用它精確測(cè)定晶體的原子結(jié)構(gòu)；,1913年，英國年輕的物

7、理學(xué)家莫斯萊發(fā)現(xiàn)一個(gè)重要的規(guī)律：各種元素的波長非常有規(guī)律地隨著它們?cè)谥芷诒碇械呐帕许樞蚨f減，利用此規(guī)律可以準(zhǔn)確地確定各元素的原子序數(shù)，并且發(fā)現(xiàn)它們恰好與核電荷數(shù)相等，他的發(fā)現(xiàn)對(duì)認(rèn)識(shí)原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)有很大的意義； 瑞典物理學(xué)家西格本進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了一系列新的X射線，并精確測(cè)定了各種元素的射線譜，建立了射線光譜學(xué)，西格本的工作對(duì)于揭開原子內(nèi)電子殼層結(jié)構(gòu)狀況有重要的作用，他因此而榮獲了1924年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,X射線分析法的應(yīng)用： 19531959年，小布拉格的兩位助手佩魯茨和肯德羅，用改進(jìn)了的X射線分析法測(cè)定了肌紅蛋白及血紅蛋白的分子結(jié)構(gòu)，為此獲得1962年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。 1962年諾貝爾生理學(xué)

8、獎(jiǎng)及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予英國生物物理學(xué)家克里克、威爾金森、美國生物學(xué)家沃森，表彰他們發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，這是20世紀(jì)生物學(xué)的最偉大成就，他們依靠的也是X射線分析法。,因使用X射線分析法研究蛋白質(zhì)、核糖核酸、青霉素、維生素等生物大分子、有機(jī)高分子結(jié)構(gòu)而獲諾貝爾化學(xué)、生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家多達(dá)數(shù)10位。 X射線也用于軍事。 “星球大戰(zhàn)”中核心武器是高能X射線激光器，將它裝在軍事衛(wèi)星上能遠(yuǎn)距離摧毀對(duì)方的洲際導(dǎo)彈。 20世紀(jì)60年代，美國物理學(xué)家科馬克和英國電氣工程師洪斯菲爾德提出用計(jì)算機(jī)控制X射線斷層掃描原理，并發(fā)明X射線斷層掃描儀，使醫(yī)生能看到人體內(nèi)臟器官橫斷面圖象，從而準(zhǔn)確診斷病癥，他們兩人共享了1979

9、年諾貝爾生物學(xué)及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。,值得一提的是在倫琴發(fā)現(xiàn)X射線之前，人們已在實(shí)驗(yàn)室操作陰極射線管達(dá)30多年之久，也有一些人如克魯克斯、勒納德都曾碰到過陰極射線管附近的照片底片感光或物體發(fā)出熒光的現(xiàn)象，但是，他們都沒有仔細(xì)審查這個(gè)奇怪的現(xiàn)象而失去了“機(jī)遇”，正如恩格斯所描述的：“當(dāng)真理碰到鼻子尖上的時(shí)候還是沒有得到真理”，在科學(xué)發(fā)展史上這類事實(shí)是屢見不鮮的。但是倫琴1869年蘇黎世大學(xué)獲博士學(xué)位，他治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，一貫重視基本實(shí)驗(yàn)，從不放過任何一個(gè)可疑現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)苗子反復(fù)試驗(yàn)，終于發(fā)現(xiàn)了X射線。倫琴榮獲1901年諾貝爾物理獎(jiǎng)，成為諾貝爾物理獎(jiǎng)的第一個(gè)獲獎(jiǎng)?wù)?，他是?dāng)之無愧的。,第一張諾貝爾物理獎(jiǎng) ( 1901年倫

10、琴 ),2、電子的發(fā)現(xiàn) 1858年德國物理學(xué)家普魯克利用蓋斯勒放電管研究氣體放電時(shí)發(fā)現(xiàn)了對(duì)著陰極的管壁上出現(xiàn)了美麗的綠色光輝； 1876年德國物理學(xué)家哥爾德斯坦證實(shí)這種綠色光輝是由陰極上所產(chǎn)生的某種射線射到玻璃上產(chǎn)生的，他把這種射線命名為“陰極射線”。 法國物理學(xué)家大多認(rèn)為陰極射線是一種電磁波，英國物理學(xué)家則認(rèn)為是一種帶電粒子流，這一爭論持續(xù)了一、二十年，促使許多物理學(xué)家進(jìn)行很有意義的實(shí)驗(yàn)，推動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展，這場(chǎng)爭論最后由J.J.湯姆遜解決了。,J. J. 湯姆遜，1856年12月18日生于英國，1884年任卡文迪許實(shí)驗(yàn)室教授，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室在他的領(lǐng)導(dǎo)下，成了全世界引人注目的物理實(shí)驗(yàn)中心，世界各

11、地的科學(xué)家常來這里開展研究工作，其中有八位后來獲得諾貝爾獎(jiǎng)，如盧瑟福、威爾遜、巴克拉）、G. P. 湯 姆遜等，如后表所 示，這八位獲獎(jiǎng)?wù)?是他直接培養(yǎng)過的， 卡文迪許實(shí)驗(yàn)室獲 得諾貝爾獎(jiǎng)的共有 25人次。,1897年，J. J. 湯姆遜發(fā)現(xiàn)，不管怎樣改變放電管中的氣體的種類，也不管怎樣改變電極的材料，陰極射線粒子的荷質(zhì)比始終保持不變，這就意味著陰極射線是一種荷質(zhì)比完全確定的粒子流所組成的，由此斷定，這種粒子應(yīng)是電極材料原子的基本組成部分。 1897年8月，J. J. 湯姆遜把他的發(fā)現(xiàn)寫成論文“陰極射線”，10月發(fā)表在哲學(xué)雜志上。,19091917年間美國科學(xué)家羅伯特密立根在利用有名的油滴實(shí)驗(yàn)

12、測(cè)定電子電荷量 e 值，他以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和追求精確的測(cè)量而受到人們的贊譽(yù)。,1909年密立根油滴實(shí)驗(yàn)證明一切荷電物質(zhì)都只能帶有e 的整數(shù)倍的電量，而一個(gè)陰極射線粒子所帶的電量（e）是負(fù)電荷的最小單位，e / m 是不變的，e 也不變，表示陰極射線粒子的質(zhì)量m也是確定的，這種粒子便稱為電子，因此陰極射線就是高速電子流。,電子的發(fā)現(xiàn)再一次否定了原子不可分的觀念，電子是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的微觀粒子，電子的發(fā)現(xiàn)對(duì)原子組成的了解起了極為重要的作用。 J. J. 湯姆遜由于發(fā)現(xiàn)電子而于1906年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，J. J. 湯姆遜被譽(yù)為“一位最先打開通向基本粒子物理學(xué)大門的偉人”。 電子的發(fā)現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)上誘

13、發(fā)了電子時(shí)代的來臨，1904年，A.弗萊明發(fā)明了二極電子管，1906年，L.德弗萊斯特(L.de Forest)發(fā)明了三極管。真空管的發(fā)明，使電力通訊、控制合自動(dòng)化生產(chǎn)很快發(fā)展。晶體管集成電路的發(fā)明，使人類進(jìn)入微電子科技時(shí)代。,3、放射性的發(fā)現(xiàn) 在X射線發(fā)現(xiàn)不久，貝克勒爾對(duì)一種稱為硫酸雙氧鈾鉀的熒光物質(zhì)進(jìn)行了研究，他把這種鈾化合物放在用黑紙包起來的照相底片上，然后放在太陽光下曝曬幾小時(shí)，把底片取出來進(jìn)行沖洗，他發(fā)現(xiàn)了“熒光物質(zhì)在底片上的黑色輪廓”，他又在熒光物質(zhì)和紙之間放一塊玻璃，繼續(xù) 進(jìn)行試驗(yàn)，也得到了同樣的結(jié) 果。這就是最早發(fā)現(xiàn)的放射性 現(xiàn)象，鈾是貝克勒爾發(fā)現(xiàn)的第 一個(gè)放射性元素。,法國科

14、學(xué)泰斗彭加勒在閱讀倫琴發(fā)現(xiàn)X射線的實(shí)驗(yàn)報(bào)告后，腦子里浮現(xiàn)出一種想法：既然X射線發(fā)生在熒光現(xiàn)象特別強(qiáng)烈的地方，那么，一切強(qiáng)烈的熒光物質(zhì)都可能發(fā)射X 射線。 貝克勒爾是在這種情況下去做實(shí)驗(yàn)的，但是，他不迷信權(quán)威，通過實(shí)驗(yàn)他發(fā)現(xiàn)彭加勒關(guān)于熒光物質(zhì)產(chǎn)生X射線的理論是錯(cuò)誤的。 自然現(xiàn)象紛紜復(fù)雜，假象和真象交織，現(xiàn)象合本質(zhì)對(duì)立，原因合結(jié)果互變，要探索它的規(guī)律，怎能一點(diǎn)也不犯錯(cuò)誤？貝克勒爾的初衷也是證實(shí)彭加勒的設(shè)想，后來卻否定了它。因此，從錯(cuò)誤的理論出發(fā)，通過實(shí)驗(yàn)，揭示錯(cuò)誤，走向真理也是科學(xué)研究的一種正常模式。,放射性發(fā)現(xiàn)公布后不久，瑪麗居里很快投入了這一新的研究領(lǐng)域，她發(fā)現(xiàn)瀝青鈾礦中的放射性比已測(cè)得的鈾的

15、放射性強(qiáng)得多。她大膽假定瀝青鈾礦中存在一種比鈾放射性強(qiáng)得多的未知元素。為了尋找這個(gè)未知元素，她的丈夫皮埃爾居里通過繁重的勞動(dòng)，從大量的瀝青礦渣中去提取那個(gè)未知元素，最后發(fā)現(xiàn)了兩種新的放射性元素，一種取名為“釙”（Polorium），以紀(jì)念自己的祖國波蘭，另一種取名為“鐳”。,居里夫婦繼續(xù)奮斗了近四年，在簡陋的工棚里，在原始的條件下，歷盡千辛萬苦，終于在1902年3月，從數(shù)以噸計(jì)的瀝青鈾礦殘?jiān)刑釤挸?.12克氯化鐳，并測(cè)得了鐳的原子量為225（現(xiàn)公認(rèn)為226），其放射性比鈾強(qiáng)200萬倍。1903年，居里夫婦和貝克勒爾共享了諾貝爾物理獎(jiǎng)。 1910年完成了她的名著論放射性，由于她的杰出貢獻(xiàn)，19

16、11年又榮獲了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。居里夫人成了第一個(gè)兩次獲諾貝爾獎(jiǎng)殊榮的人物，,射線、 射線和 射線發(fā)現(xiàn)： 放射性發(fā)現(xiàn)后不久，英國劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的研究生盧瑟福也投入了對(duì)放射性的研究，在科學(xué)家的共同努力下，沒幾年就發(fā)現(xiàn)了天然放射性核素能夠自發(fā)地放出各種射線，從而衰變?yōu)榱硪环N核素，衰變方式很多，放出的射線也有多種，主要的有 射線是帶兩個(gè)正電荷的氦核（ ）； 射線是帶負(fù)電荷的高速電子流； 射線是從原子核內(nèi)放出來的電磁波，它實(shí)際上是一束能量極高的光子流，它的波長比X射線還要短，穿透本領(lǐng)比X射線更強(qiáng)。,放射性應(yīng)用： 利用放射性鈷源（60Co）的 射線輻照，可以進(jìn)行食品（如肉類、水果等）保鮮、輻照消毒（

17、如對(duì)醫(yī)療器械、流通貨幣等）以及輻照育種等。尤其在醫(yī)藥上利用它來殺傷人體內(nèi)的腫瘤細(xì)胞，這是目前治療腫瘤的一種常用方法。在發(fā)達(dá)國家中放射性藥物使用已相當(dāng)普及。在發(fā)展中國家中，我國的核醫(yī)藥水平名列前茅。國內(nèi)已有1000多家醫(yī)院開展了放射性藥物的診治工作。 影視資料片：放射性,三大發(fā)現(xiàn)，使物理學(xué)發(fā)生了深刻的變化： 電子比最輕的原子氫原子還要輕1836倍； 電磁波除有無線電波、紅外線、可見光、紫外線，還有波長更短的X射線； 一個(gè)原子在化學(xué)變化中釋放出來的能量只有幾個(gè)電子伏特eV（ ），而天然放射性現(xiàn)象中一個(gè)原子放出的能量竟可達(dá)到幾百萬電子伏特MeV（ ）； 化學(xué)變化不會(huì)引起原子性質(zhì)的根本變化，然而原子經(jīng)

18、過放射 或 射線后卻完全變了。,6.2 量子論和量子力學(xué)的誕生,6.2.1熱輻射與“紫外災(zāi)難”一、基爾霍夫輻射定律黑體：理想的熱輻射體是“絕對(duì)黑體”，簡稱“黑體”，它是在任何溫度下都能全部吸收落在它上面的一切輻射的理想物體。,1895年，維恩首先指出，絕對(duì)黑體可以用一個(gè)帶有小孔的輻射空腔（見圖)來實(shí)現(xiàn),左圖是黑體的 單色發(fā)射 本領(lǐng)與 、 T關(guān)系的實(shí)驗(yàn)曲線。 為了從理論上導(dǎo)出 符合實(shí)驗(yàn)曲線的函 數(shù)式，19世紀(jì)末， 許多物理學(xué)家在經(jīng)典物理的基礎(chǔ)上作了相當(dāng)大的努力，但是他們都遭到了失敗，理論公式和實(shí)驗(yàn)結(jié)果不相符合、其中最典型的是維恩公式和瑞利一金斯公式：,1維恩公式 1896年，維恩通過半理論半經(jīng)驗(yàn)的方法，得到一個(gè)黑體輻射的理論公式為 維恩公式在短波方面與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得很好，但是在長波方面則理論與實(shí)驗(yàn)不一致。 2瑞利金斯公式 1900年，瑞利和金斯根據(jù)經(jīng)典物理中能量按自由度均分原則導(dǎo)出了黑體輻射的理論公式,這公式在波長很長的情況下與實(shí)驗(yàn)曲線還比較相近，但是在短波紫外光區(qū)方面，按公式看來，將趨向無窮大，完全與實(shí)驗(yàn)曲線不符，這就是物理學(xué)史上著名的“紫外光災(zāi)難”。 下圖表示出這兩個(gè)公式（虛曲線）與實(shí)驗(yàn)值（用 表示）的比較。,二黑體輻射經(jīng)驗(yàn)定律導(dǎo)致“紫外災(zāi)難” 由于瑞利金斯公式完全是根據(jù)經(jīng)典物理