科學技術(shù)史第九講

1、科學技術(shù)史第九講：二十世紀的科學,電子科技大學,目錄,日趨完美的物理學大廈,自從伽利略、牛頓等人創(chuàng)立近代力學以來, 經(jīng)過200多年的發(fā)展, 到19 世紀末, 在當時大多數(shù)物理學家眼里, 似乎已經(jīng)有了一幅清晰的世界圖景。他們看到:,世界萬物都是由80 多種元素的原子組成的, 原子是不可再分的最小微粒。 一切自然過程都是連續(xù)的。任何一個給定的狀態(tài)只能由緊接在它前面的那個狀態(tài)來解釋, 如果在前后兩個狀態(tài)之間出現(xiàn)間隙, 那就破壞了事物的因果性聯(lián)系。因此,“自然無飛躍”, 連能量的變化和轉(zhuǎn)化也應當是連續(xù)的。 不同原子之間的結(jié)合和分解就產(chǎn)生了化學反應。分子是原子組成的, 它保持著物質(zhì)最基本的物理和化學屬性

2、。,日趨完美的物理學大廈,熱現(xiàn)象是大量分子作混亂的機械運動的表現(xiàn), 用統(tǒng)計力學的方法可以解釋氣態(tài)和凝聚態(tài)物理體系的性質(zhì)。 存在兩種電荷; 電荷產(chǎn)生電場, 電荷的運動又產(chǎn)生磁場,電磁場的運動就是電磁波。熱輻射、可見光、紫外線等都只不過是不同波長的電磁波。 無論力、熱、聲、光、電、磁等現(xiàn)象多么復雜, 一切過程都要服從能量守恒和轉(zhuǎn)化定律。,目錄,19世紀的三大發(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）X射線的發(fā)現(xiàn),X射線的發(fā)現(xiàn)源自對陰極射線的研究。 在19世紀30年代，法拉第就發(fā)現(xiàn)真空中放電會產(chǎn)生輝光現(xiàn)象。 隨著真空技術(shù)的發(fā)展，物理學家進一步發(fā)現(xiàn)，真空管內(nèi)的金屬電極在通電時

3、，陰極會發(fā)出某種射線，這種射線受磁場影響，具有能量，被稱為“陰極射線”。,J.J.湯姆孫進行陰極射線研究的實驗裝置,1895年，倫琴對陰極射線產(chǎn)生極大興趣并深入研究，最終發(fā)現(xiàn)X射線。X射線很快在醫(yī)學界得到應用，使醫(yī)學診斷水平大大提高。 x射線的發(fā)現(xiàn)，被譽為19世紀末物理學的“三大發(fā)現(xiàn) ”之一， 倫琴因此在1901年成為諾貝爾物理學獎第一個獲得者。,倫琴 （1845-1923） 德國物理學家,1895年12月22日 攝于倫琴實驗室,X射線發(fā)現(xiàn)后，首先被用于人體透視方面，在疾病診斷上起到了重要作用；后來，X射線用于晶體結(jié)構(gòu)的分析方面，在工業(yè)和科學研究中得到了廣泛應用。,倫琴拍攝的第一張X光照片,X

4、射線用于對肺結(jié)核病的診斷,（二）放射性的發(fā)現(xiàn),放射性的發(fā)現(xiàn)來源于對X射線的研究。 1896年，法國物理學家貝克勒爾（Becquerel，18521908）用鈾鹽包（硫酸雙氧鈾鉀）進行實驗，開始探索X射線與熒光物質(zhì)的關(guān)系。 貝克勒爾首先發(fā)現(xiàn)了鈾的天然放射性。鈾是人類發(fā)現(xiàn)的第一個天然放射性元素。,貝克勒爾（18521908）,出生于波蘭的化學家居里夫人（Marie Sklodowska Curie，18671934）在放射線研究方面做出了重大貢獻。 居里夫人原名瑪麗斯克羅多夫斯卡 ，1893年以第一名的成績畢業(yè)于巴黎大學，并先后取得物理學和數(shù)學碩士學位。 1898年，居里夫婦共同研究放射性現(xiàn)象，發(fā)

5、現(xiàn)釙和鐳兩種天然放射性元素，其中鐳的放射強度要比鈾強200萬倍。,一是要判明放出的射線是什么？ 二是查清物質(zhì)放出射線以后變成了什么？,放射性物質(zhì)發(fā)明的重要意義,1898年，盧瑟福(E. Rutherford)通過吸收實驗證明鈾輻射穿透力弱的稱為射線，穿透力強的稱為射線。 1899年，貝克勒爾證實射線能被磁場偏轉(zhuǎn)，其行為與陰極射線相似。 1900年，法國化學家維拉德(P.Villard)發(fā)現(xiàn)在鈾輻射中還有另一種成分，穿透力更強，稱為射線。 從1902年起，盧瑟福和索第(FSoddy)等人研究。射線和放射性物質(zhì)的規(guī)律，終于導致原子核嬗變規(guī)律和原子核的發(fā)現(xiàn)。,放射性物質(zhì)發(fā)現(xiàn)的重要意義,電子也是在研究

6、陰極射線的過程中發(fā)現(xiàn)的，是人類認識的第一個基本粒子。 1897年，英國物理學家J.J.湯姆孫（J.J.Thoms，18561940）用實驗證明，陰極射線不僅能被磁場偏轉(zhuǎn)，而且能被電場偏轉(zhuǎn)；比較精確地測出了這種帶電微粒的荷質(zhì)比（即電荷與質(zhì)量之比em）。,（三）電子的發(fā)現(xiàn),J.J.湯姆孫（18561940）,J.J湯姆孫因發(fā)現(xiàn)電子獲得1906年的諾貝爾物理學獎。先后擔任皇家學會會長、劍橋大學三一學院院長，曾獲得牛津、都柏林、倫敦、劍橋、格丁根等20多個大學的名譽學位。 在湯姆孫的組織領(lǐng)導下，卡文迪什實驗室成為全世界現(xiàn)代物理研究的一個重要中心。 近百年來，卡文迪什實驗室培養(yǎng)出的諾貝爾獎金獲得者已達2

7、6人。,三大實驗發(fā)現(xiàn)誘發(fā)了經(jīng)典物理學危機,三大實驗發(fā)現(xiàn)打開了經(jīng)典物理學的缺口 原來認為原子是不可分割的最小質(zhì)點現(xiàn)在從原子里發(fā)現(xiàn)了電子、X射線和射線； 原來認為元素是固定不變的，但放射現(xiàn)象表明一種元素可蛻變?yōu)榱硪环N元素； 原來認為物質(zhì)的質(zhì)量與運動無關(guān)，現(xiàn)今電子的質(zhì)量隨運動速度變化而變化，質(zhì)量似乎不守恒了；,三大實驗發(fā)現(xiàn)誘發(fā)了經(jīng)典物理學危機,三大實驗發(fā)現(xiàn)打開了經(jīng)典物理學的缺口 原來認為能量守恒只存在于機械能、熱能和電能相互轉(zhuǎn)化之中，現(xiàn)在一塊靜止的放射物質(zhì)本身就是熱源，即便沒有外力作用，能量也源源不斷地向外界釋放，能量好像也不守恒了； 原來認為質(zhì)量和能量不搭界，現(xiàn)在放射性物質(zhì)因能量不斷釋放，質(zhì)量也不

8、斷減小。,三大實驗發(fā)現(xiàn)猛烈地沖擊著牛頓力學的物質(zhì)質(zhì)量、能量、動量等基本概念，經(jīng)典物理學中質(zhì)量守恒、能量守恒、運動定律等基本定律也面臨嚴峻考驗。 面對物理學危機，一些抱殘守缺的物理學家悲觀失望，唯心主義趁虛而入。,三大實驗發(fā)現(xiàn)誘發(fā)了經(jīng)典物理學危機,目錄,第二節(jié) 相對論的創(chuàng)立,19世紀末20世紀初，物理學領(lǐng)域存在兩大棘手問題：“以太之謎”和“紫外災難”。 正是這兩個問題引發(fā)了20世紀的物理學革命，導致了相對論和量子力學的誕生。,一、邁克爾遜莫雷實驗,“以太”（aether）最早由亞里士多德提出，用以說明構(gòu)成天體的元素，后來笛卡兒認為宇宙中充滿以太，以太是傳播光的媒介。 19世紀時，以太理論的研究中

9、心是以開爾文勛爵為代表的英國劍橋大學派。他們構(gòu)造出以太模型，企圖把光學和電磁學歸結(jié)為以太學。,笛卡爾漩渦以太模型,為了搞清地球相對于以太的運動，19世紀末，物理學家做過各種各樣的實驗，其中精度最高的是邁克爾遜（Michelson，18521931）的實驗。 邁克爾遜因發(fā)明精密光學儀器和在光學測量中取得的成就，于1907年獲諾貝爾物理學獎，其代表性著作有光速度（1902）、光波及其利用（1903）等。,邁克爾遜（18521931）與邁克爾遜干涉儀,1887年，邁克爾遜同美國化學家莫雷（Morley，18381923）合作，以更高的精度重復了以太測定實驗，實驗精度達到40億分之一。 他們觀測了5天

10、，看不到一點兒以太漂移的跡象。 實驗的“零”結(jié)果否定了以太風的存在，否定了絕對運動。這就著名的以太漂移實驗，邁克爾遜一莫雷以太漂移實驗的結(jié)果轟動了物理界 。,以太漂移實驗,1892年，荷蘭物理學家、數(shù)學家洛倫茲（Lorentz，18531928）提出了收縮假說。 洛倫茲認為物質(zhì)是由帶電粒子組成，物質(zhì)在帶有磁性的以太中運動時，在其運動方向上會發(fā)生收縮，其收縮程度正好與光速的減慢相抵消。 洛倫茲因研究磁場對輻射現(xiàn)象的影響取得重要成果，與塞曼共獲1902年諾貝爾物理學獎金。,二、愛因斯坦與相對論,真正突破舊理論，開辟現(xiàn)代物理學新篇章的是德國青年物理學家愛因斯坦（Einstein，18791955）。

11、 在1905年3月6月四個月內(nèi)，愛因斯坦在輻射理論、分子動理論、力學和電動力學的基本理論等物理學的三個不同領(lǐng)域，發(fā)表了4篇具有歷史意義的論文。,1905年，愛因斯坦在伯爾尼專利局的辦公室,1905年，愛因斯坦發(fā)表了一篇具有劃時代意義的論文論動體的電動力學，即“狹義相對論”。 愛因斯坦通過洛倫茲變換得出了如尺度縮短、時鐘變慢、光速不可逾越、質(zhì)量隨運動速度而改變等一系列重要結(jié)論。 相對論還提供了質(zhì)能關(guān)系式（Emc2），從理論上預示了原子能利用的前景。,（一）狹義相對論的提出,同時的相對性,時間延緩,狹義相對論的主要推論,狹義相對論的理論體系,狹義相對論的基本原理： 1、狹義相對性原理（物理定律在一

12、切慣性參考系中是平權(quán)的）。物理體系的狀態(tài)據(jù)以變化的定律，同描述這些狀態(tài)變化時所參照的坐標系究竟是用兩個互相勻速移動著的坐標系中的哪一個并無關(guān)系。 2、光速不變原理（真空中光速不因光源的運動而變，永遠是30萬km/s，即邁克爾遜莫雷實驗結(jié)果）。,整個狹義相對論就建筑在這兩條基本原理上,雙生子宇航悖論,“天上方一日， 人間已一年”,乘坐“光子火箭”以光速作星際旅行，回到地球時，我們會發(fā)現(xiàn)什么變化？,（四）廣義相對論的驗證,1845年，法國天文學家發(fā)現(xiàn)水星近日點的進動。 根據(jù)牛頓理論計算，在考慮到所有可能影響之后，仍有每百年43秒的差異無法解釋。 于是，天文學家根據(jù)發(fā)現(xiàn)海王星的經(jīng)驗又預言“火神星”的

13、存在。,（1）第一個驗證是水星近日點的進動,水星近日點運動示意圖,在廣義相對論等效原理中，具有動質(zhì)量的光子與其他靜止質(zhì)量不為零的粒子一樣也應參與一切引力效應，光子要產(chǎn)生引力場也要受到引力場的作用。 1911年，愛因斯坦根據(jù)等效原理預言光線在太陽引力場中將要發(fā)生偏折，并給出0.83秒的偏折值。 1914年，德國天文學家率隊到俄國的克里米亞半島觀測8月的日全食，但因第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)而停止。,（2）第二個驗證是光線在引力場中的偏轉(zhuǎn),1915年愛因斯坦將偏轉(zhuǎn)值修正為1.7秒。 1916年，英國天文學家愛丁頓（Eddington，18821944）決定利用1919年5月29日的日全食來驗證廣義相對論關(guān)

14、于光線在引力場中的偏折效應，并推動英國皇家天文學會著手日全食觀測的準備工作。 1919年11月，皇家天文學會宣布觀測結(jié)果為1.610.30秒，證實了光線在引力場的彎曲效應。,廣義相對論的理論指出：光線在穩(wěn)定引力場中傳播時，頻率要發(fā)生改變，從引力場強的地方向引力場弱的地方傳播，光子頻率將變小，相應的波長將增加，即譜線紅移，這種引力紅移也稱相對論紅移。 1925年，美國天文學家亞當斯（Adams，18761956 ）對天狼星伴星的光譜線觀測證實了引力紅移。,（3）第三個驗證是引力紅移（光譜線的紅向移動）,亞當斯（18761956）,思考,1.狹義相對論的主要結(jié)論是什么？作為物理學理論，它的主要局限

15、是什么？ 2、狹義相對論是否徹底終結(jié)了從古希臘以來不斷演化的以太理論？你認為，現(xiàn)代科學還有沒有復興以太理論的任何可能？原因是什么？ 3、狹義相對論討論的兩個主要問題（1）時間、空間、物質(zhì)及其運動的內(nèi)在聯(lián)系（2）運動規(guī)律在不同慣性系中絕對，但時間、質(zhì)量、空間由于參照系不同而相對 ， a.第二個問題在認識論上是否矛盾？ b.如果承認相對論，我們眼中的世界圖景會發(fā)生什么樣的變革？ C.現(xiàn)代理論物理描繪的宇宙圖景徹底遠離了人類的直覺,是否意味著普通人再難以進一步認識客觀世界？你如何看待這個問題？,量子論革命,我以前同現(xiàn)在一樣，相信物理定律越帶普遍性，就越是簡單。 M.普朗克，M.普朗克物理論文和演講集

16、 當一個人尋求生活的和諧時，必須永不忘記，在生活的偉大戲劇中，我們既是觀眾，又是演員，這是一個古老的真理。 N.玻爾，原子物理學與自然的描述,一個密閉的空腔上開一個小孔，則此小孔就可近似地看成為黑體。只吸收，不反射。 研究它的輻射本領(lǐng)的好處是與空腔材料無關(guān)。,黑體輻射,2黑體輻射本領(lǐng)與輻射波長的關(guān)系,維恩位移定律，即不同溫度時， 的極值位置不同,紫外災難,（2）瑞利-金斯根據(jù)經(jīng)典電動力學和統(tǒng)計物理導出了瑞利-金斯公式：,此式在 較大時能與實驗很好符合，而 小時則根本不對。 特別是當波長趨近0時，輻射能量也趨近無窮大，這不僅與實際觀測不符，本身也是十分荒謬的。這就是“紫外災難”（“紫外”指的就是

17、短波部分）,（3）普朗克 普朗克將兩個公式綜合起來，湊出一個與整個實驗曲線符合的經(jīng)驗公式：,普朗克,稱為普朗克公式。其中，h是普朗克常數(shù)，c是光速，k是玻爾茲曼常數(shù)。,當 很小 維恩公式,普朗克的基本假設(shè)： 在輻射場中有大量包含各種頻率的諧振子，一個頻率為 的諧振子的能量不能是連續(xù)的，只能是能量元（又稱能量子） 的整數(shù)倍，即 ，其中n只能取正整數(shù)。能量元 ，h為普朗克常數(shù)。這就是著名的“能量量子化”假設(shè)。,一、湯姆孫的原子模型 電子的發(fā)現(xiàn)者湯姆孫本人所提出的一種原子模型： 原子的正電荷是均勻分布在整個原子球體內(nèi)，而電子是一個個嵌在其中，并保持整個原子的電中性。當時這種模型被稱之為“葡萄干布丁模

18、型”。 1904年又作進一步假設(shè)：原子中電子是分布在一個個同心圓環(huán)上，作著旋轉(zhuǎn)，每個環(huán)中只能包含,有限個電子。這是閃光點！,這個假設(shè)可解釋元素周期表。,葡萄干布丁模型,二、粒子探針的奇跡 盧瑟福1871年8月13日生于 新西蘭一個蘇格蘭移民后裔家庭。 1894年大學畢業(yè)，考入劍橋大學三 一學院，成為J.J.湯姆孫第一個外 國研究生。后來成為卡文迪許實驗 室的第四任教授。,二、玻爾原子結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)（科學背景） 1普朗克和愛因斯坦提出了“量子化”概念 2盧瑟福提出了“原子核核式結(jié)構(gòu)”模型 3描寫氫原子可見光譜線的波長的經(jīng)驗公式巴耳末公式(1885年)：,三、玻爾模型及其發(fā)展 1玻爾模型的基本假設(shè) 玻爾的目的：要解決盧瑟福原子模型的穩(wěn)定性問題及給出原子大小。在他所發(fā)表的劃時代的關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的論文中首先對氫原子提出了玻爾模型的兩個基本假定：,（1）定態(tài)條件假定原子可以保持穩(wěn)定性 作繞核圓周運動的電子只能處在一些分立的允許軌道上運動，且不存在能量輻射。也就是說電子只允許在一些有確定分立半徑和分立能量大小的“定態(tài)”軌道上運動。,（2）頻率條件假定 當電子從一定態(tài)能量為 的允許軌道躍遷到另一定態(tài)能量為 的允許軌道時，會以電磁波形式 釋放能量（當 ）,吸收能量（當 ） 若 ，則所放出的電磁波所相應的光子能量為,玻爾的