世纪之交的物理学(2).pdf

第七章 世纪之交的物理学 2 第七章 世纪之交的物理学 2 2 19 世纪的三大发现 2 19 世纪的三大发现 一 电子的发现 一 电子的发现 1 阴极射线的研究 阴极射线是由德国物理学家普吕克尔于 1858 年在观察放电管中低压气体的放电现象时 发现 1876 年同是德国物理学家的哥尔茨坦认为这是从阴极发出的某种射线 并从此命名 为阴极射线 但它认为阴极射线是类似于紫外线的以太波 后来赫兹等人也都坚持以太说 1871 年 英国物理学家瓦尔利 Varley 从阴极射线在磁场中受到偏转的事实 提出阴 极射线是由带负电的微粒组成的设想 并且他的主张得到本国人克鲁克斯和舒斯特的支持 于是对于阴极射线的性质 19 世纪的后 30 年 形成了两种对立的观点 德国学派的以太说 和英国学派的带电微粒说 微粒说派的克鲁克斯认为阴极射线是由于残留气体分子撞到阴极 因而带上负电 又在 电场中运动形成 分子流 因此它既能传递能量 也能传递动量 舒斯特认为 气体分子自然分解成两部分 带正电的部分被阴极俘获 电极间只留下带负电 的部分 因而形成阴极射线 并且在 1890 年 他根据磁偏转的半径和电极间的电位差 估 算带电微粒的荷质比为 5 106 1 1010 库仑 千克之间 与电解所得氢离子的荷质比 108 库仑 千克相比 数量级相近 为了反驳微粒说观点 哥尔茨坦作了一个光谱实验 如图 他用一个 L 形放电管 电极 A 和 B 可以互换轮流做阴极 用光谱仪观察光谱 如果阴极射线是分子流 它发出的光应产 生多普勒效应 即光的频率应与分子流速度方向有关 但结果是不管是那一端发出阴极射线 谱线的波长都没有改变 从而否定了分子流之说 并认为这是对以太说的一个支持 赫兹和其学生勒纳德 Lenard 做了真空管中电流分布的实验 证明 阴极射线的走向 与真空管中电流的分布无关 他还在阴极射线管中加垂直于阴极射线的电场 由于没有看到 阴极射线的偏转 管中真空度太低 而认为阴极射线不带电 1891 年 赫兹和勒纳德又做 了铝窗实验 他在阴极射线管的末端嵌上厚度约 0 000265cm 的薄铝箔作为窗口 如下图 发现阴极射线能从铝窗口逸出 并能在空气中穿行约 1cm 的行程 他们认为这是以太说的有 力证据 因为只有波才能穿越实物 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 支持了带电微粒说 对阴极射线本性做出正确答案的是英国剑桥大学卡文迪什实验室教授 J J 汤姆逊 他 从 1890 年起 就带领自己的学生研究阴极射线 并通过实验证实了阴极射线的带电微粒说 并进一步确定了粒子的荷质比 e m 发现了电子 2 电子的发现 J J 汤姆逊 1856 1940 简介 曾任剑桥大学卡文迪什实验室主任 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 汤姆逊出生于英国曼彻斯特 父亲是苏格兰人 幼年家境贫困 经奋斗后成为一名专印大学教材的著名书商 由于父亲职 业的关系 J J 汤姆逊从小就结识了一些大学教授 在他们的影响下 打下了坚实的学习基 础 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 J J 汤姆逊既是实验物理学家 又是理论物理学家 1883 年他首创了原子结构论 1897 年发现了电子 他对气体的导电进行了深入研究 1903 年写成 气体电行为 一书 并因 此获得 1906 年诺贝尔物理学奖 1912 年指出元素有同位素存在 在电学理论方面著有 电 与磁的现代研究 并被誉为麦克斯韦的第三卷 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 实验一 1894 年汤姆逊用旋转镜法测得阴极射线的速度为 1 9 10 7 cm s 远小于他曾测 得过的电脉冲在低压气体中传播的速度 1 6 10 10cm s 排斥了阴极射线是一种电磁辐射的 可能 实验二 测量阴极射线所带电荷的实验 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 阴极射线从 A 发出 经过 与阳极 B 相连的小孔射到正对的管壁 D 上 产生荧光斑点 当用磁铁使射线偏转 进入法拉 第圆桶 这就保证了圆桶内收集到的一定是阴极射线 实验结果表明 收集到的是负电荷 证实了阴极射线的负电性 实验三 静电偏转实验 J J 汤姆逊重复了赫兹的静电场偏转实验 起初也得不到偏转 但注意到在刚加上电压的瞬间 阴极射线轻微的摆动了一下 他马上认识到 这是由于残余 气体分子在电场作用下发生了电离 正负离子把电极上的电压抵消掉了 于是他改善真空条 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 实验四 荷质比e m的测量 方法有二 其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 v 2 7 他从勒纳德实验结果知道 阴极射线在空气中的穿行距离可达 1 厘米 而空气分子的平 均自由程仅有 10 5厘米 因此阴极射线的质量一定比空气分子小的多 其他实验验证 1 光电效应中产生的光电流 1887 年赫兹发现光电效应 但对产生的光电流的本质不清楚 1899 年 J J 汤姆逊用 磁场偏转法测量了产生的光电流的荷质比 结果与阴极射线近似 2 热电效应中的负离子 热电效应是 1884 年爱迪生发现的 他在研制白炽灯时 发现灯泡里的白炽碳丝加热后 有负电逸出 1899 年 J J 汤姆逊同样用磁场截止法测量了荷质比 结果也和阴极射线一 致 3 射线的测定 1898 年卢瑟福发现了 射线 不久 贝克勒尔用磁场和电场偏转法测得 射线的荷质 比和速度 证明和阴极射线相同 J J 汤姆逊在掌握大量实验事实的基础上 于 1899 年果断地做出结论 不论是阴极射线 射线还是光电流 都是电子组成的 不论是由于强电场的电离 正离子的轰击 紫外光的照射 金属受灼热还是放射 性物质的自发辐射 都发射出同样的带电粒子 电子 这种带电粒子比原子小千倍 可见 电子是原子的组成部分 是物质的最基本电 位 文章中 J J 汤姆逊用 电子 一词来表示构成阴极射线的这些 载荷子 电子 一词原是由斯坦尼 1891 年提出 用来表示电的自然单位 3 电子电量和质量的测量 油滴实验 J J 汤姆逊的研究生 汤森德 H A 威尔逊 C T R 威尔逊等在测量阴极射线粒子带电 量方面都做出了贡献 但最有说服力的是罗伯特 密立根的油滴实验 密立根在 1906 年重复H A 威尔逊的实验时测得 e 4 03 10 10静电单位 1913 年 他 用油滴实验测得 e 4 774 0 009 10 10静电单位 后来经不断改进和重复测量 1917 年 公布的结果为 e 4 770 0 009 10 10静电单位 于是由荷质比得 电子的质量为 me 1 1830 mH 1901 年考夫曼 Walther Kaufmann 1871 1947 用 射线作实验 证实电子的质荷比随 速度的增大而增大 证明了电子质量随速度变化的事实 4 意义 宣告了原子是可分的 为进行电子和原子的研究开创了新的实验技术 J J 汤姆逊于 1906 年获诺贝尔奖 二 X 射线的发现 二 X 射线的发现 1 伦琴 Wilhellm Konrad Rontgen 1845 1923 德国物理学家 1865 年进入瑞士 苏梨士工艺学院学习机械工程 曾跟著名物理学家克 劳修斯及孔脱学习 1869 年获博士学位 先后在几所大学从事教学和晶体 光学 电磁学 的研究工作 1888 年任维尔茨堡大学教授 1894 年担任校长 19 世纪末 阴极射线的研究 正方兴未艾 一向治学严谨的伦琴教授 也致力于这个问题的研究 2 X 射线的发现过程 当赫兹和勒纳德发表了论阴极射线穿透力的论文后 德国物理学家伦琴重复了勒纳德的 实验 发现阴极射线确实能穿透铝箔在空气中穿行几厘米 并使涂有铂氰化钡的荧光屏产生 荧光 后来 他又改用没有铝箔窗口的克鲁克斯管进行实验 也发现了荧光 可是根据勒纳 德实验 阴极射线是不能穿透玻璃的 这一现象促使伦琴将实验进行下去 1895 年 11 月 8 日晚 为了防止外界紫外线和可见光的影响 他把实验室的窗户用黑布 遮好 为防止管内可见光漏出管外 又用黑纸将放电管包起来 他意外的发现一米外的荧光 屏上发出闪光 将荧光屏移远继续做实验 荧光屏上的闪光仍随放电过程的节拍断续出现 他用书 木版 铝片等物挡在放电管和荧光屏之间 荧光屏上仍能发出不同强度的闪光 伦 琴意识到这是一种不同于阴极射线的新射线 为了确证这一新射线 并尽可能的了解其特性 伦琴用了 6 个星期深入研究这一现象 并于 1895 年 12 月 28 日写成论文 论一种新的射线 递交给维尔茨堡物理医学学会 这一 论文在三个月内被印行了五次 第五版同时用英 法 意 俄等文印出 1896 年 3 月送出第二篇 论一种新的射线 续 1897 年 3 月又送出第三篇 关于 X 射线性质的进一步观察 在论文中伦琴总结了射线的性质 新射线由阴极射线打在固体表面产生 固体元素越 重产生的射线越强 新射线沿直线传播 不被棱镜反射和折射 不被磁场偏转 新射线 具有很强的穿透力 对所有的物质几乎都是透明的 新射线可使荧光物质发光 使底片感 光 具有透视的功能 由于这种射线的本质尚无人所知 故将其称为 X 射线 直到 1912 年 德国物理学家劳厄从晶体衍射的发现才判定 X 射线是频率极高的电磁波 不久 莫塞莱证实 它是由原子中内层电子跃迁所发出的辐射 1901 年 伦琴获首届诺贝尔物理奖 他是当之无愧的 3 伦琴射线发现的意义 由于 X 射线与原子中内层电子的跃迁有关 这说明了物理学还存在亟待搜索的未知领 域 X 射线本身在医疗 研究物质结构等方面都有很多的实用价值 4 严谨的科学态度所结出的丰硕之果 哥尔茨坦 E Goldstein 1880 年 哥尔茨坦在研究阴极射线时就注意到在阴极射 线的管壁上会发出一种特殊的辐射 使管内的荧光屏发光 但他认为这就是以太波动 克鲁克斯 1887 年 克鲁克斯发现放在阴极射线管旁边的底片变黑了 他认为是底 片质量问题 把底片退还给了厂家 J J 汤姆逊 1894 年 J J 汤姆逊在测量阴极射线的速度时 也作了观察到 X 射线的 记录 他当时没有时间研究这一问题 只是在论文中提了一句 说看到放电管几英尺远处的 玻璃管上也发出了荧光 斯密士 G Smith 1895 年英国牛津一位物理学家斯密士发现放在克鲁克斯管旁的盒 子里的底片变黑了 但他只是让助手把盛底片的盒子放在别处保存 勒纳德 是研究阴极射线的权威之一 在研究阴极射线时也遇到了 X 射线 但他却认 为是速度无限大的阴极射线 三 天然放射性的发现 三 天然放射性的发现 1 铀盐放射性的发现 贝克勒尔 1852 1909 生长在法国巴黎 家庭中有许多学者 祖父和父亲都是固体磷光专家 从事研究工作有 60 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 铀盐的实验 伦琴的发现 使贝克勒尔联想到 天然荧光物体是否也能产生 X 光那样的放射现象呢 a 首先他将照相底片用黑纸包好 然后放在荧光物质下面 结果底片并没有感光 b 后来 他又选择了硫酸钾铀酰作为实验材料 并且放在太阳底下暴晒 暴晒可使荧光物质发出更强 的荧光 结果发现底片感光了 用玻璃挡在该铀盐和底片之间 底片同样暴光 1896 年 2 月 24 日 他向科学院报告 磷光物质能射出穿透不透光的黑纸的辐射 c 后来由于 天气连续阴雨连绵 贝克勒尔不得不把用黑纸包的感光底片与铀盐一起锁进了抽屉 结果在 3 月 1 日实验前检查底片时 底片仍旧被铀盐感光了 贝克勒尔认真分析了这一现象 得出 结论 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 进一步的研究发现 只要有铀元素存在 就有这种贯穿辐射产生 与采用哪种铀的化合 物无关 与温度等外界因素无关 这种射线和 X 射线一样 能穿透一切物质 并使气体电离 人们称之为 贝克勒尔射线 意义 贝克勒尔射线的发现 是人类第一次发现某些元素自身也具有自发辐射现象 引起了人 们对原子核问题的关注 贝克勒尔获 1903 年诺贝尔奖 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 居里相恋 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 岁获硕士学位 24 岁被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 钋的发现 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 化学条件 无关 居里夫人认为这说明辐射只是一种原子过程 居里夫人认为 不应只有一种元素能自发辐射 其他元素也可能有同样的性质 居里夫 人系统的研究了当时已知的各种元素和化合物 1898 年她与德国德施莱特同时发现 钍 也具有与铀类似的辐射 并建议把这种性质叫做 放射性 在对铀和钍的混合物进行测量时 辐射强度比预期的要强的多 她认为混合物中一定含 有其他目前尚未知道的放射性元素 于是先将矿物进行化学分离 再用石英静电计分别测量 各组成部分的辐射强度 在此过程中居里意识到这项工作的重要性 放下自己正在从事的晶 体研究工作 与妻子一起投入到放射性的研究中 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 居里夫人自传中写到 为达到这样的目的 设备是极其简陋的 我们没有资金 没有 适宜的实验室 没有任何帮助 就好像平地起家一样 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 又发现了比铀的放射性强 200 多万倍的新元素 镭 radium 有人不相信 镭的原子量是多少 镭在哪里 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 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 1900 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 并相继发现了一些新的放射性元素 如锕等 进一步的工作就是要探索放射性的本质及其规律 更多的科学家开始了这方面的研究 其中贡献最大的是 J J 汤姆逊的学生 卢瑟福 卢瑟福 Ernest Rutherford 1871 1937 新西兰人 祖籍英国苏格兰 1871 年生于新西兰的一户农村家庭 生活贫苦 但聪明 好学 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 曾同汤姆逊一起研究 X 射线对气体的电离作用 在获知居里 夫妇发现镭辐射后 立即转向放射性对气体的电离作用的研究 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 1931 年英王授予他勋爵的桂冠 1937 年 10 月 19 日逝世 卢瑟福发现 射线和 射线 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管中 铅 管一侧开一小口 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