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宁波广播电视大学继续教育学院远程教育 自然科学发展简史 (5) 肖国群 E-MAIL： 一、20 世纪初的物理学革命 0. 1900年英国物理家凯尔文勋爵对物理学的展 望和新世纪物理学的新发展，电子、X射线、放 射性等的发现所带来的冲击与兴奋。 1. “电子”一词，最早使用在1891年，是英国科 学家斯托内在他的研究成果中提出的。电子是人 类发现的第一代基本粒子。 2. 1876年，德国物理学家戈德斯坦提出，玻璃 管壁上的辉光是由阴极产生的某种射线所引起的 ，他把这种射线命名为阴极射线。 3. 20世纪的热电子发射、光电效应的实验， 进一步证明了任何原子都包含着电子的结论。 4. 德国人伦琴致力于研究阴极射线所引起的 荧光现象。1895年，他发现了高真空管放电时 能产生X射线的现象。它的穿透性使人们看到 了许多过去没有见过的新东西。 5. 1896年，法国科学家贝克勒尔在一种铀盐 中发现了铀元素的天然放射性。它能使不透光 的底片暴光。 6. 著名的法国科学家皮埃尔居里和他 的妻子玛丽居里，经过多年的研究和实 验，发现了钍、钋、镭的放射性。 7. 电子、X射线和放射性现象，这三 大发现是19世纪末物理学的重要成就。 在此基础上，20世纪初产生了原子物理 学。 8. 英国物理学家汤姆生，在证实了电 子的存在以后，于1904年，提出了他关 于原子结构的“面包夹葡萄干”的原子模 型。 9. 英国人卢瑟福在1911年经过实验， 得出结论：原子中有一个非常非常小的 核，它集中了原子99.99%的质量。他提 出了原子有核模型-行星模型。 10. 爱因斯坦一生最重要的贡献就是相对 论。他在1905年发表的论动体的电动 力学一文中首先创立了狭义相对论。 第一，对于一切惯性系，一切自然定律 都同样适用，-相对性原理。 第二，对于任何惯性系，自由空间中的 光速都是相同的，-光速不变原理。 一系列结论：P232-233 普朗克的量子理论 物体在发射和吸收辐射时，能量不是连续 变化的，而是以一定数值的整数倍跳跃式 地变化； 能量也是由一份份“能量原子”构成。 普朗克常数 h “能量子” e = hv 光电效应 P237 19世纪80年代，赫兹等科学家发现，当 光照射到金属上会使金属表面有电子逸 出，这就是光电效应。 1. 入射光的强度越大，它从金属表面打 出的电子越多； 2. 被光辐射打出的电子的运动速度与入 射光的频率成正比，与光的强度无关； 3. 如果光的频率小于某一截止频率，无 论光的强度多大，照射时间多长，都不 会产生光电效应。 物质波和波粒二象性 法国物理学家德布罗意提出了实物粒子 也具有波动性-物质波的概念； 1927年，美国科学家戴维逊证实了电子 衍射-电子也是波； 入=h/p v=E/h P是动量，E是能量， “入 ”是波长 海森堡在1927年，推出了测不准原理和公式 薛定谔和海森堡所给出的量子力学的数学 方程，以令人满意的逻辑方式把不表现相 对论效应所有现象都概括在内。 由于薛定谔、海森堡、波恩、狄拉克以及 泡利等人的努力，量子力学在19世纪30年 代初已经形成完整的体系。 20世纪的物理革命，在时间、空间、运动 、质量、能量、连续与非连续、必然与偶 然、物质结构等一般的关系上都提出了许 多崭新的见解。 19世纪末和20世纪初，物理学发 展中的另一个重大的突破是量子论 的产生和在此基础上建立起来的量 子力学。 人们把能够全部吸收辐射而无任何 发射或透射的物体叫“理想黑体” 。 如何从“曼哈顿工程”去理解爱因斯坦“ 科学是一把双刃剑”的伟大意义。 P247 要点： 美国政府为了研究和制造原子弹，实施了代号为 “曼哈顿工程”的计划。 原子弹给人类带来了不幸；虽然它是20世纪以来 核物理学的重要成果的应用。 爱因斯坦“科学是一把双刃剑”的观点，是对科学 的滥用和恶用的有力批判。 第13章 现代自然科学的新进展 粒子世界的新发现 现代物理学的两大理论基石，是量子力 学和相对论。它们引起了物理学的重大变 革。 1930年1932年间，发明了能够获得高 速粒子的回旋加速器、静电加速器和高压 倍加器，为核物理研究提供了强有力的工 具。 美国的费米和德国的哈恩发现了人 工核裂变反应，铀裂变时又放出中 子，形成链式反应，发出大量能量 ，由此开始了原子能的利用。 “宇宙射线”是天然的“实验室” P252 第一，正电子的发现 第二，正负电子对与光子的相互转化 第三，介子的发现，日本的汤川秀树 费米的中微子 基本粒子 第一代基本粒子：光子、轻子、重子、 正负电子等，到1947年，约有14种。 第二代基本粒子：反中子、反质子等， 到1960年，约有30种。 第三代基本粒子：是一批寿命极短的共 振态的粒子。 1964年，美国物理学家盖尔曼提出“夸克 ”的新概念。 凝聚态物理固体物理学 凝聚态物理的新进展首先是与超高压、高真空 、超高温、超低温、强磁场等特殊条件的获得 有关。 超导现象； 钕铁硼强磁铁； 半导体材料和晶体管的发明； 大陆板块和漂移学说； 大陆漂移说在被冷落了40-50年后，又重新被人们所重视。而板块学说指 明了地球形成和发展的基本面貌，使大陆漂移学说以新的形式出现。 太阳，地球等天体的形成和演变。 宇宙探测器和宇宙飞船对科学研究的贡献 1959年前苏联发射第一颗月球探测器； 太阳的热核反应和核聚变； 美国天文学家哈勃和哈勃望远镜； 宇宙大爆炸学说 P262 1931年1932年，人们第一次接收到宇宙射电 的信号，并在1936年研制成功射电望远镜，打 开了观测宇宙的又一个窗口。 量子力学建立以后，人们开始用量子力学的 原理来研究分子的微观结构，由此而产生了一门 新的学科-量子化学。 20世纪30年代，人们把量子力学的原理推广 到多原子分子的研究上来。建立了两种化学键理 论，它们是 价键理论和分子轨道理论 。 量子化学的推广和应用，“分子设计”出新材 料、新药物。 晶体化学的诞生。 有机合成化学和高分子化 学的建立，是现代化学发展的又一重要内容。 有机物的提取，维生素A.B.C.D.E.K.的合成。 1909年，美国生物学家摩尔根在孟德尔遗 传学说的基础上，提出了基因说，把基因看作 是位于染色体上的 球状颗粒。 从19世纪发现细胞并把它作为生命的基本单位以 后，人们便开始研究细胞内部的结构和功能 。 在生物化学、生物物理、细菌学、病毒学等的相 互渗透中，诞生了一门新的学科-分子生物学 1868年瑞士科学家米希尔首先从细胞核中发现了 一种物质叫核酸。它又可以分为去氧核糖核酸 DNA和 核糖核酸RNA 。 蛋白质是生命系统中最重要的物质 1926年，美国科学家指出： 生物催化剂酶是蛋白质； 生物分泌的激素也是蛋白质； 核酸DNA，RNA也是蛋白质。 促成分子生物学诞生的几个方面 P270 第一，1945年，美国生化学家用实验的 方法证明了基因与酶的关系。 第二，关于DNA是携带遗传信息载体的 发现。 DNA双螺旋结构的发现被称为是20世纪生物学 最伟大的发现，是分子生物学诞生的标志。 诺贝尔奖得主中生物学家多；1965年，我国的 科学家人工合成含有51个氨基酸的胰岛素。 第14章 现代科学的技术化与技术的科学化 原子能技术：美国科学家费米用中子轰 击铀，实现了核裂变以后。在第二次世 界大战期间，爱因斯坦建议美国试制原 子弹。“曼哈顿工程”。 1954年，苏联和美国建造了试验性核电 站，揭开了核电应用的序幕。到60年代 ，核发电逐步进入使用阶段。核电站是 现代“知识工业”的一个典型，它需要大 量高深的科学知识。 空间技术： 在第二次世界大战期间，在德国的贝尼明恩迪 建立了火箭研究所，1942年试验发射了重达13 吨的V-2火箭，最大时速5500公里。 1957年，前苏联发射了第一颗人造地球卫星。 1960年，美国第一次回收从卫星上弹射出来的 回收仓。 1969年，“阿波罗登月计划” 20世纪70年代，通信卫星、气象卫星、资源卫 星为代表的空间技术开始转为民用。 激光技术： 1960年，美国加利福尼亚的休斯研究所的 梅曼，使用人造红宝石创造出第一个红宝 石激光器。 受激辐射输出的光将使入射光得到补充和 加强，即实现了光放大。 所谓激光，就是受激辐射光放大的简称。 后来人们把它叫做莱塞。 激光的应用：激光制导，激光加工，激光 传输等方面。 生物工程： 四个方面： P282-283 A 遗传工程； B 细胞工程也叫细胞融合技术； C 发酵工程也叫发酵技术； D 生物转化工程也叫酶工程。 克隆技术：“多利”羊；“艾米”牛 生物制药技术：干扰素等 电子技术和计算机技术的发展 1945年，美国的莫尔研究小组制造出了世界上第 一台电子计算机，被命名为“电子数值积分和计 算机”，又称为 ENIAC 。 美国德克萨斯仪器公司的年轻电子工程师基尔比 ，首先发明了能够包容晶体管和电阻、电容等元 件的集成电路 。 第二次世界大战后，电子计算机的出现，为机械 工业注入了新的活力。自动化机床中的数控机床 出现在 1952年 。 在电子计算机的发展过程中，经过了五代：P287 第一代，电子管计算机； 第二代，晶体管计算机； 第三代，集成电路计算机； 第四代，大规模集成电路计算机； 目前正在进入第五代，用超大规模集成 电路装备的具有人工智能的巨型计算机 和微型机。 在高度自动化的企业中，以从事脑力活动 为主的“白领工人”的人数比例大于从事体 力劳动为主的蓝领工人。 1948年，美国数学家维纳发表了控制论 一书，并称控制论是关于在动物和机器 中控制和通讯的科学。 工业发达国家的机械业都很重视材料的质量 ，同时认真研究成型方法。以节约原材料。 20世纪初，人工制造的高分子材料已经开始 生产。由于有机化学、固体物理、合成化学 、高分子化学等学科的发展，使高分子材料 随工农业生产和日常生活的需要而迅猛发展 。 现代化生产在农业上也有了大发展，现 在许多国家的种植业的产值已经同畜牧 业产值相等，有的国家后者还超过了前 者。 农业是最古老的产业。在法国、丹麦等 农业发达国家，只有受过中学教育和农 业基础学校教育，并在农场经过实践， 再通过考试取得“绿色教育