现代物理学革命(2011).ppt

现代物理学主讲：蒋淑丽1现代物理学革命世纪之交科学家眼中的物理学世纪之交科学家眼中的物理学• • 1919世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂会上汤姆森（一堂会上汤姆森（W. Thomson, 1824-1907W. Thomson, 1824-1907）发表新年祝词发表新年祝词• • 他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作2现代物理学革命世纪之交科学家眼中的物理学世纪之交科学家眼中的物理学• •开尔文的世纪回顾：开尔文的世纪回顾： 19001900年年4 4月月2727日开尔文（日开尔文（Lord KelvinLord Kelvin）在皇家）在皇家研究所（研究所（RIRI）发表了）发表了《《在热和光动力理论上空的在热和光动力理论上空的1919世纪乌云世纪乌云》》的演讲的演讲其中说道其中说道““动力学理论断言，热和光都是运动的方式在展望动力学理论断言，热和光都是运动的方式在展望2020世世纪物理学前景时，开尔文若有所思地讲道：动力理论肯定了热和光是纪物理学前景时，开尔文若有所思地讲道：动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮运动的两种方式，但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了蔽，显得黯然失色了…………第一朵乌云出现在光的波动理论上，第二朵第一朵乌云出现在光的波动理论上，第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦- -玻尔兹曼理论上。

玻尔兹曼理论上• •正是这正是这““两朵乌云两朵乌云””和和““三大实验发现三大实验发现””引起了引起了““物理学革命物理学革命””3现代物理学革命第一节 19、20世纪之交物理学三大发 现 vX射线的发现 v放射性的发现 v电子的发现4现代物理学革命现代物理学革命的开始v 1895年，物理学已经有了相当的发展，几个主要部门--牛顿力学、热力学和分子运动论、电磁学和光学，都已经建立了完整的理论，在应用上也取得了巨大成果这时物理学家普遍认为，物理学已经发展到顶了，以后的任务无非是在细节上作些补充和修正而已，没有太多的事好做了v X射线的发现唤醒了沉睡的物理学界它像一声春雷，引发了一系列重大发现，把人们的注意力引向更深入、更广阔的天地，从而揭开了现代物理学革命的序幕5现代物理学革命关于阴极射线本性的争论关于阴极射线本性的争论1.X1.X射线的发现起源于对阴极射线的研究，射线的发现起源于对阴极射线的研究，18561856年德国盖斯勒年德国盖斯勒放电管的发明为研究真空放电现象提供了实验手段；放电管的发明为研究真空放电现象提供了实验手段；18591859年德国普吕克发现了放电管阴极发出的绿色辉光，年德国普吕克发现了放电管阴极发出的绿色辉光，18761876年年德国戈尔茨坦指出绿色辉光是由阴极的某种射线引起的，德国戈尔茨坦指出绿色辉光是由阴极的某种射线引起的，命名为命名为““阴极射线阴极射线””。

2.2.围绕阴极射线的本性究竟是光波还是粒子，德国和英国科围绕阴极射线的本性究竟是光波还是粒子，德国和英国科学家展开了争论，最终导致了物理学的三大实验发现学家展开了争论，最终导致了物理学的三大实验发现6现代物理学革命一、一、X X射线的发现射线的发现18951895年年1111月月1010日，德国物理学家伦琴（日，德国物理学家伦琴（RontgenRontgen，，1854-19231854-1923））在做阴极射线实验时，偶然发在做阴极射线实验时，偶然发现了一种新的辐射，它能轻易穿透一些如纸张现了一种新的辐射，它能轻易穿透一些如纸张之类不透明的物质伦琴把它叫做之类不透明的物质伦琴把它叫做X X射线射线7现代物理学革命偶然性？偶然性？ØØ X X射线的发现过程在物理学史上是一个必然性通射线的发现过程在物理学史上是一个必然性通过偶然性开辟道路的典型例证过偶然性开辟道路的典型例证ØØ 在伦琴之前，英国克鲁克斯等人曾遇见过它，但在伦琴之前，英国克鲁克斯等人曾遇见过它，但均因疏忽而与重大发现擦肩而过均因疏忽而与重大发现擦肩而过ØØ 伦琴因发现伦琴因发现X X射线荣获射线荣获19011901年的首次颁发的诺贝尔年的首次颁发的诺贝尔物理学奖。

物理学奖8现代物理学革命二、放射性的 发现ØØ 伦琴发现的伦琴发现的X X射线引起法国物理学家贝克勒尔（射线引起法国物理学家贝克勒尔（A.H. Becquerel, 1852 -1908A.H. Becquerel, 1852 -1908））的兴趣ØØ 因为伦琴是通过荧光材料所发出的荧光而发现因为伦琴是通过荧光材料所发出的荧光而发现X X射射线的，所以贝克勒尔想知道是否有荧光材料放出线的，所以贝克勒尔想知道是否有荧光材料放出X X射线9现代物理学革命太阳光下实验ØØ 18961896年年2 2月，贝克勒尔把感光片包在黑纸里放到太阳月，贝克勒尔把感光片包在黑纸里放到太阳下，再把荧光物质的晶体压在上面下，再把荧光物质的晶体压在上面ØØ 他的设想是：他的设想是：太阳光照射晶体产生荧光，如果荧光太阳光照射晶体产生荧光，如果荧光中有中有X X射线，那么它就能穿透黑纸使底片暴光射线，那么它就能穿透黑纸使底片暴光ØØ 结果：结果：底片冲洗后，上面有了阴影这证明有放射底片冲洗后，上面有了阴影这证明有放射线穿透了黑纸，贝克勒尔断定荧光确实放出线穿透了黑纸，贝克勒尔断定荧光确实放出X X射线10现代物理学革命阴天的实验ØØ 贝克勒尔只好把包好的底片放进抽屉，上面还是贝克勒尔只好把包好的底片放进抽屉，上面还是压着那块荧光物质的晶体。

压着那块荧光物质的晶体ØØ 结果：底片上有很多的阴影显然，这阴影与太结果：底片上有很多的阴影显然，这阴影与太阳无关、与荧光无关，而与晶体本身有关阳无关、与荧光无关，而与晶体本身有关ØØ 贝克勒尔用的晶体是一种铀的化合物贝克勒尔用的晶体是一种铀的化合物————硫酸双硫酸双氧铀钾，这样他便发现了铀能自发辐射出能量氧铀钾，这样他便发现了铀能自发辐射出能量居里夫人在居里夫人在18981898年把这种现象命名为放射性年把这种现象命名为放射性11现代物理学革命ØØ X X射线和铀的放射性激发了居里夫人（射线和铀的放射性激发了居里夫人（Marie Marie CurieCurie，，1867-19341867-1934））对放射线的研究兴趣对放射线的研究兴趣ØØ 居里夫人首先证实了贝克勒尔关于铀盐辐射的强居里夫人首先证实了贝克勒尔关于铀盐辐射的强度与化合物中铀的含量成正比的结论，但她不满度与化合物中铀的含量成正比的结论，但她不满足于局限在铀盐，决定对已知的各种元素进行普足于局限在铀盐，决定对已知的各种元素进行普查12现代物理学革命钋和镭的发现ØØ 18981898年年7 7月居里夫妇从铀矿中分离出放射性比铀强月居里夫妇从铀矿中分离出放射性比铀强数百倍的物质。

向巴黎科学院提交数百倍的物质向巴黎科学院提交““论沥青铀矿中论沥青铀矿中的一种新物质的一种新物质””，， 命名为命名为““钋钋” ” PoloniumPolonium（（Poland)Poland)ØØ 18981898年年1212月居里夫妇检测出了放射性更强的物质，月居里夫妇检测出了放射性更强的物质，并把它命名为镭并把它命名为镭 19021902年他们经过了无数次的结年他们经过了无数次的结晶处理，终于成功地制出晶处理，终于成功地制出0.10.1克的克的镭镭13现代物理学革命ØØ 因对放射线的研究，因对放射线的研究，19031903年居里夫人和她的丈年居里夫人和她的丈夫、贝克勒尔分享了该年度的诺贝尔物理学奖；夫、贝克勒尔分享了该年度的诺贝尔物理学奖；ØØ 19111911年她又因发现两种新元素而获得诺贝尔化年她又因发现两种新元素而获得诺贝尔化学奖14现代物理学革命放射性物质发现的重要意义放射性物质发现的重要意义一是要判明放出的射线是什么？一是要判明放出的射线是什么？二是查清物质放出射线以后变成了什么？二是查清物质放出射线以后变成了什么？15现代物理学革命放射性物质发现的重要意义放射性物质发现的重要意义• 1898年，卢瑟福(E. Rutherford)通过吸收实验证明铀辐射穿透力弱的称为α射线，穿透力强的称为β射线。

• 1899年，贝克勒尔证实ρ射线能被磁场偏转，其行为与阴极射线相似• 1900年，法国化学家维拉德(P.Villard)发现在铀辐射中还有另一种成分，穿透力更强，称为γ射线• 从1902年起，卢瑟福和索第(F．Soddy)等人研究射线和放射性物质的规律，终于导致原子核嬗变规律和原子核的发现16现代物理学革命三、电子的发现v阴极射线：大的波动还是带电粒子流？vJ.J.汤姆生(J.J.Thomson)• 直接测阴极射线携带的电荷 • 使阴极射线受静电偏转 • 用不同方法测阴极射线的荷质比 • 证明电子存在的普遍性 17现代物理学革命• J．J．汤姆生把联到静电计的电荷接受器(法拉第圆桶)安装在真空管的一侧，平时没有电荷进入接收器• 用磁场使射线偏折，当磁场达到某一值时，接收器接收到的电荷猛增，说明电荷来自阴极射线直接测阴极射线携带的电荷18现代物理学革命使阴极射线受静电偏转 Ø汤姆生重复了赫兹的静电场偏转实验，注意到在刚加上电压的瞬间，射束轻微摆动这是由于残余气体分子在电场的作用下发生了电离，正负离子把电极上射线所带电荷的实验装置的电压抵消掉了显然这是由于真空度不够高的原因Ø他在实验室技师的协助下努力改善真空条件，并且减小极间电压，终于获得了稳定的静电偏转。

19现代物理学革命用不同方法测阴极射线的荷质比 • 测量阳极的温升，因为阴极射线撞击到阳极，会引起阳极的温度升高• J．J．汤姆生把热电偶接到阳极，测量它的温度变化根据温升和阳极的热容量可以计算粒子的动能，再从阴极射线在磁场中偏转的曲率半径，推算出阴极射线的荷质比与速度20现代物理学革命Ø汤姆生还用不同的阴极和不同的气体做实验，所得荷质比数量级相同，证明各种条件下的粒子流都是相同的，不因电极材料和气体成分而异ØThomson被认为是电子的发现者，并因此获得1906年诺贝尔物理学奖此后他的七个助手先后都获得过诺贝尔奖 证明电子存在的普遍性21现代物理学革命三大实验发现诱发了经典物理学危机三大实验发现诱发了经典物理学危机vv三大实验发现打开了经典物理学的缺口三大实验发现打开了经典物理学的缺口ØØ 原来认为原子是不可分割的最小质点现在从原子里发现了原来认为原子是不可分割的最小质点现在从原子里发现了电子、电子、X X射线和射线和γγ射线；射线；ØØ 原来认为元素是固定不变的，但放射现象表明一种元素可原来认为元素是固定不变的，但放射现象表明一种元素可蜕变为另一种元素；蜕变为另一种元素；ØØ 原来认为物质的质量与运动无关，现今电子的质量随运动原来认为物质的质量与运动无关，现今电子的质量随运动速度变化而变化，质量似乎不守恒了；速度变化而变化，质量似乎不守恒了；22现代物理学革命三大实验发现诱发了经典物理学危机三大实验发现诱发了经典物理学危机vv三大实验发现打开了经典物理学的缺口三大实验发现打开了经典物理学的缺口ØØ 原来认为能量守恒只存在于机械能、热能和电能相互转化原来认为能量守恒只存在于机械能、热能和电能相互转化之中，现在一块静止的放射物质本身就是热源，即便没有之中，现在一块静止的放射物质本身就是热源，即便没有外力作用，能量也源源不断地向外界释放，能量好像也不外力作用，能量也源源不断地向外界释放，能量好像也不守恒了；守恒了；ØØ 原来认为质量和能量不搭界，现在放射性物质因能量不断原来认为质量和能量不搭界，现在放射性物质因能量不断释放，质量也不断减小。