第七章-世纪之交的物理学

1、第七章,世纪之交物理学的发展,1 经典物理学的局限性 2 19世纪的物理学上的三大发现 3 经典物理学的两朵乌云,1 经典物理学的局限,一 经典力学基本概念和基本原理的固有局限性：,1.把经典力学建立在绝对时间和绝对空间的框架上； 2.把引力看作为直接的、即时传递的、超距的作用； 3.物体的质量恒定不变，与物体的运动和能量无关； 4.只适于宏观低速的范围，不适于高速和微观领域。 5.机械决定论,二 经典物理学与经典力学之间的矛盾,经典物理学是运用经典力学的基本概念和原理建立起 来的理论体系，但是，随着经典物理学的深入发展，却越 来越显露出他们与经典力学之间的裂痕，从而动摇了经典 力学的基础地位

2、。,1.与光学的不调和性：,主要表现在两个方面，一是对光的认识一直存在两种互相 矛盾的观点：微粒说和波动说；二是对于作为绝对空间和波的 载体的“以太”究竟是什么，如何对它进行检测？它到底具有哪 些性质？如从光速的巨大数值来看，“以太”应具有极大的刚 性。又由于天体不受阻碍的在太空中穿行，“以太”必须极其稀 薄且没有质量，等等。这些性质不但难以理解，有些甚至相互 矛盾。,2.与电磁学的矛盾：媒递作用-超距作用的矛盾；即时传播- 有限速度的矛盾；能量连续分布的场-质点是能量的唯一载体 的矛盾等等。,3.与热学的不协调：经典力学（包括电磁场理论）中的规律关 于时间都是对称的、可逆的，时间只是从外部描

3、述运动的一个 参量。它的变化对于运动的性质并无影响。而热学中熵增原理 的发现，却指出了自然过程的不可逆性和历史性。,三 马赫对经典力学的批判,1883年，奥地利的马赫出版了力学及其发展的批判历史 概论，从科学和哲学的角度对经典力学进行了尖锐的批判。 例如质量的概念，在牛顿的力学原理中，质量被定义为密 度和体积的乘积。马赫认为，按照这种定义的方法，不同种类 物体的质量无法比较，应当建立相对质量的概念：加速度是可 测量的量，如果测得两物体由于相互作用产生了彼此大小相 等、方向相反的加速度，那么这两个物体的质量就相等，如果 测得的加速度不相等，则用加速度的负反比来表示这两个物体 的质量之比。,马赫对

4、牛顿绝对时空和绝对运动进行了批判，马赫认为： “时间是一种抽象”，时间是不能独立自存的。空间也不能脱离 物体而存在。如果宇宙中没有物体，谈论空间就毫无意义。如 果宇宙中只有一个物体，这唯一的物体也无运动可言。,马赫批判了牛顿的“水桶实验”,爱因斯坦指出：马赫为相对论的发展铺平了道路。在狭义相 对论创立的过程中，正是马赫对绝对时间的批判，使爱因斯 坦“终于醒悟到时间是可疑的”，并从“同时性的相对性”这个 问题上取得了突破性的进展。马赫对水桶实验的批判，使人 们的思想从“绝对运动”的桎梏中解放出来，从而确立加速运 动的相对性的观念。马赫的科学哲学思想甚至还直接或间接 的影响了波尔、波恩、海森堡、泡

5、利、薛定谔等一大批量子 物理学家。,马赫的批判思想在世纪之交对物理学的革命性变革起到,了启蒙和推动作用。,2 19世纪物理学上的三大发现,一.电子的发现 二.X射线的发现,三.天然放射性的发现,一 电子的发现,背景：十九世紀末，了解电的本质成了当务之急，促成许多科学家研究,低压气体放电、阴极射线 及真空技术。,1.阴极射线的研究,德国学派的以太波的观点：普吕克尔，哥尔茨坦，赫兹等 英国学派的带电微粒说：瓦尔利，克鲁克斯，舒斯等。 佩兰(Perrin)实验： 1895年法国物理学家微粒说支持者佩兰(Perrin)将圆 桶电极安装在阴极射线管中，用静电计测圆桶接收到的电 荷。结果为负电。支持了带电

6、微粒说。,发 现 电 子 的 J J 汤 姆 逊,2.电子的发现： JJ汤姆逊 (1856-1940)简介 14岁进入曼彻斯特大学，1876年获数学奖金而进入剑 桥大学三一学院深造。1880年获二等史密斯奖金，进入卡 文迪什实验室，在瑞利教授的指导下进行电磁学研究。 1883年被选为英国皇家学会会员。1884年出任卡文迪什实 验室主任（这一年瑞利出任皇家学会会长），年仅28岁。 领导该室人员工作长达42年。1906年获得诺贝尔物理学 奖。培养的学生有卢瑟福、玻尔、威尔逊等多人，他们都 先后荣获了诺贝尔奖。 J.J.汤姆逊设计了一系列实验，以无可辩驳的事实确证了 阴极射线是带负电的粒子流。,实验

7、一 阴极射线的磁偏转实验：,1895年，汤姆逊将佩兰实验装置做了一些改进，他把阴 极A和法拉第圆桶F放在不在一条直线的方向上，如图示。,实验二：阴极射线的静电偏转实验：,J.J.汤姆逊重复了赫兹的静电场偏转实验，他改善真空 条件，并减小极间电压，终于获得了稳定的静电偏转。从而 否定了以太说。,实验三：荷质比e/m的测量：,方法一是在上一实验装置管子的两测各加一通电线圈，以 产生垂直于电场的磁场。然后根据电场和磁场分别造成的偏 转，计算出阴极射线的荷质比以及微粒子的运动速度。 v2.7109厘米/秒，e/m0.8107电磁单位/克。,物 理 革 命 的 新 曙 光,二 X射线的发现,1.伦琴 德

8、国物理学家。 1901年，伦琴获首届诺贝尔物理奖。 略,三 天然放射性的发现,1.铀盐的放射性的发现-贝克勒尔 2.钋和镭的发现-居里夫人 3.、射线的发现-卢瑟福,天 然 放 射 性 的 发 现,1.铀盐放射性的发现-贝克勒尔 贝克勒尔 生于法国巴黎，祖父和父亲都是固体磷光专家， 从事研究工作有60多年的历史，贝克勒尔早期从事光学研 究，43岁开始研究放射现象。 选择硫酸钾铀酰作为实验材料，并放在太阳底下暴晒 (暴晒可使荧光物质发出更强荧光)，底片感光了。后来由于 阴雨连绵，贝克勒尔用黑纸包上底片与铀盐一起锁进抽屉， 结果再次实验前检查底片时，底片仍旧被铀盐感光了。贝克 勒尔经过分析，认为：

9、使底片感光的射线与日晒和荧光无任 何关系，它是铀盐自身产生的辐射现象，于是第二天，他在 科学院的例会上公布了这一重大发现。 贝克勒尔获1903年诺贝尔奖,天 然 放 射 性 的 发 现,2.钋和镭的发现,.居里夫人(1867-1934) 波兰中学毕业获金质奖章，由于波兰当时女子不能上大 学，做了8年家庭教师，筹了费用，于1891年到法国巴黎，进 入法兰西共和国大学理学院学习。1893年获物理硕士学位，次 年又获得数学硕士学位。1894年与法国物理学家皮埃尔居里 结婚。1903年获诺贝尔物理奖，1911年获诺贝尔化学奖。 皮埃尔居里：法国物理学家，从小聪慧过人，16岁获学 士学位，18岁获硕士学

10、位，24岁担任巴黎市立理化学校物理实 验室主任。曾与哥哥约克共同发现了晶体的压电效应，发明了 测量微量电量的压电石英静电计-“居里计”。后来从事磁学 研究，发现磁性消失的温度-“居里点”。,天 然 放 射 性 的 发 现,.钋(po)的发现,首先居里夫人用石英静电计对铀发出的射线的电离性质进,行了精密测量。证实了铀的辐射强度只与化合物中铀的含量成,正比，而与化合物中其他元素以及铀所处的物理、化学状态无,关。居里夫人认为这说明辐射只是一种原子过程。,1897年7月，他们终于从铀矿渣中提炼出了钋，它比纯铀放,射性强400倍!,.镭的发现,但是钋的放射性比预期的仍然低，继续实验，1898年12月，,

11、又发现了比铀的放射性强900多倍的新元素-镭 (radium) !,1899年进一步提炼到放射性达7500倍铀的晶体，之后到10万倍，还不是,纯镭。,（雷：是埃及古代至高无上的神-太阳神，居里把它命名为“镭”，也亲,切地把它叫做放射性的“小太阳”。）,天 然 放 射 性 的 发 现,为了消除人们的怀疑， 他们决心提炼出纯镭，镭矿渣 非常贵，奥地利送了一吨，在 低矮的棚屋里，居里夫妇从 1899年至1902年，花了45个月 的时间，历时四年，经过几万 次的提炼，终于从8吨矿渣中 提炼出0.12克的氯化镭，从中 找到了两根特征光谱线，并宣 布镭的原子量为225!,1903年完成博士论文， 同年12

12、月获诺贝尔物理学奖。 1912年又成功分离出纯 金属镭，第二年获诺贝尔化学 奖。,居 里 夫 妇 在 工 作,天 然 放 射 性 的 发 现,.科学属于全人类 镭可以治狼疮和癌肿，0.1克镭就值75万金法郎!一个美 国公司想收买专利，都被生活并不富裕的居里夫妇谢绝了。 他们认为:我们发现了科学，又把它据为己有，这违反科 学精神，再说镭能治病，我们就更应该无条件地献出它的秘密! 然而，居里夫人由于长期接触放射性物质，患了恶性贫血症， 她的丈夫和战友居里1906年死于车祸，居里夫人在精神打击和 身体折磨的双重压力下，仍然初衷不改，献身于科学事业。她 的高风亮节，赢得了人们的敬重。她的女婿约里奥（1

13、900- 1958）在50年代用仪器检测她当年的实验记录本，发现全部污 染了放射性物质，她当年用过的烹调书，50年后再检查，仍然 有放射性。1934年，居里夫人去世；1956年她的女儿伊伦居里 （1897-1956）也死于恶性贫血；1958年女婿约里奥也因放射性 辐射而去世。居里夫人的一家全部都献给了这壮丽的伟大事 业。,3.、射线的发现,镭的发现促进了对放射性的进一步研究，其中 贡献最大的是J.J.汤姆逊的学生-卢瑟福 卢瑟福发现射线和射线：在获知居里夫妇发现镭辐射 后，立即转向放射性对气体电离作用的研究， 1898年，卢瑟 福用强磁铁使铀射线偏转，发现射线分为方向相反的两股， 一股极易被吸

14、收，他称之为射线；另一种具有较强的穿透 力，称之为射线。,维拉德(P.Villard)发现射线：法国人，1900年,维拉德将镭 放入一个铅罐中，铅罐一侧开一小口，放射性射线可从此射 出，射线经磁场后用底片记录。在底片和射线口之间加一层 铝箔，用于阻挡射线而让射线通过，结果发现在正对发 射口的方向有暴光的痕迹，后来维拉德又加了一层铝箔，射 线仍能穿透。因此表明，这一射线肯定不是、 射线，而 是一种不受磁场偏转的辐射能力更强的一种新射线。与X射 线非常类似，后来被卢瑟福称为射线。,原子的嬗变理论：对放射性过程的研究，使他们意识到 “放射性既是原子现象，又能产生新的化学变化的伴生物”。 于是1902

15、年提出了放射性元素的嬗变理论。,卢瑟福简介,新西兰人，祖籍英国苏格兰，1871年生于新西兰，18岁 进入新西兰大学学习，1893年大学毕业，1895年被选送到剑桥 大学深造，在J.J.汤姆逊领导的卡文迪什实验室当研究生(J.J. 汤姆逊的第一位研究生)。1898年应邀担任加拿大麦吉尔大学 物理学教授。,在获知居里夫妇发现镭辐射后，转向放射性对气体电离作 用的研究，提出原子的嬗变理论。1907年返回英国，任曼彻斯 特大学物理学教授。主要研究粒子的散射作用，提出了原子 的核式模型。1908年因对放射化学的研究荣获诺贝尔化学奖。 1919年任剑桥大学教授，并任卡文迪许实验室主任。,上述三大发现打破了

16、几百年来形成的物 质不灭、能量守恒、原子不可分等传统观 念，揭开了物理学革命的序幕，它标志着物 理学的研究由宏观进入到微观。,卡文迪什实验室：,始建于1871年，建成于1874年，是英国剑桥大学的前身，,麦克斯韦为第一任实验室主任。,卡文迪什实验室，作为世界上最著名的物理学教育和科研,中心之一，培养了一大批世界级的著名物理学家，26位诺贝尔,奖金获得者。,18851919年，由J.J.汤姆逊主持实验室工作，在这34年,间，主要进行了电学、磁学、光学等方面的基本测量工作。这,期间科学研究硕果累累，人才辈出，走在世界的前列，有10位,工作人员获得诺贝尔奖。,19191937年卢瑟福主持卡文迪什实验

17、室工作，主要进行,放射性和核物理研究，先后取得了发现中子、验证了正电子的,预言、人工打破原子核的重大成就。尤其在19321933年间，,卡文迪什实验室达到其科学成就的高峰。在卢瑟福主持工作的,18年间，实验室中共有12人获诺贝尔奖，这18年是该实验室的,黄金时期，这期间它成为世界实验物理的研究中心。,3 经典物理学的两朵乌云,19世纪的最后一天，在欧洲著名的科学家 年会上，英国 著名物理学家W汤姆生（开尔文）发表了新年祝词。他在回 顾物理学所取得的伟大成就时说，物理学大厦已经落成，所 剩只是一些修饰工作。同时，他在展望20世纪物理学前景时 讲道：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它

18、 美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，” “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-玻尔兹曼理论上。”,他所说的第一朵乌云，主要是指：“迈克耳逊莫雷实,验”与“以太漂移说”的矛盾；,第二朵乌云，主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以 及辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果，其中尤以 黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。,第二朵乌云黑体辐射与“紫外灾难”,黑体辐射实验：19世纪末，卢梅尔等人在做实验时发 现：黑体辐射的能量不是连续的，它按波长的分布仅与黑体 的温度有关。（与经典物理学能量连续的观点严重矛盾）。 对上述实验结果解释的三个典型人物： 一.维恩 二.瑞利和金斯 三.普朗克,紫,外,灾,难,和,普,朗,克,的,量,子,假,说,1.维恩定律 1896年，德国物理学家维恩通过半理论半经验的方法， 得到一个辐射能量分布公式： 3 A / T 但这个公式只在短波区、温度较低时和实验结果符合， 而在长波区不符。 2.瑞利金斯