第十二章__20世纪初的物理学

第十二章20世纪初的物理学革命 第一节电子 X射线和天然放射性的发现第二节爱因斯坦的相对论第三节量子论与量子力学第四节物理学革命的意义和后果 世纪之交物理学的三大发现 1895年伦琴 德 发现X射线1896年贝克勒尔 法 发现天然放射性现象1897年J J汤姆孙 英 发现电子X射线和电子的发现都源于对阴极射线的研究 而对X射线的研究又引出了放射性的发现 关于阴极射线的研究阴极射线是在研究真空放电中发现的 1836年法拉第发现 在稀薄气体中放电会产生出美丽的辉光 气压越低 越利于辉光的产生 并发现在阳极和阳电辉之间有一暗区 0 007atm 关于阴极射线的两种观点 以英国克鲁克斯为主的大多数英 法物理学家坚持认为阴极射线是带负电的粒子流 开尔文 佩兰 J J 汤姆孙等人支持粒子说 以德国赫兹为首的科学家认为阴极射线是一种电磁波 即类似紫外辐射 哥尔德茨 韦德曼 勒纳德等都支持这种观点 英国物理学家克鲁克斯 1832 1919 他长期从事稀薄气体中放电现象的研究 克鲁克斯做过很多气体放电的实验 以探求阴极射线的本质 他把阴极射线看成是分子流 克鲁克期研究阴极射线产生的阴影 克鲁克斯研究阴极射线的机械作用 克鲁克斯研究阴极射线在磁场中的偏转 1895年佩兰 法1870 1942 将阴极射线引入到内有阳极的金属筒 法拉第筒 内 并用静电计检测 证实阴极射线是带负电的粒子 佩兰当年25岁 并以此内容写成博士论文 这是勒纳德 赫兹的助手 研究阴极射线用的放电管 他在管子的一端开一窗口 用薄铝片贴上 实验中发现阴极射线能透过铝片进入空气 达1厘米之远 勒纳德据此认为阴极射线类似于紫外光是以太的某种振动 电子的发现 1897年 J J 汤姆孙 英曼彻斯特人 1880年参加卡文迪许实验室在瑞利指导下电磁理论的研究 1884年 28岁 接替瑞利任实验室主任 1890年开始研究低压气体放电 J J 汤姆森 1856一1940 英国创桥大学卡文迪许实验室实验物理教授 公认为电子的发现者 1906年因 气体导电的理论和实验研究 获诺贝尔物理奖 实验内容 a 测定阴极射线所带的电荷 b 用静电场使射线偏转 c 测定带电微粒的荷质比和速度d 1897年 1899年汤姆孙进一步广泛研究了光电效应 爱迪生效应等 J J 汤姆森用这一放电管对佩兰的实验作了改进 以便确证阴极射线在磁场作用下的偏转方向和带负电的微粒是一致的 J J 汤姆森另一支放电管 用以研究阴极射线在电场作用下的偏转 他之所以能取得可靠的结果是因为真空度比较高 e m 107CGSM g比电解中氢离子的荷质比大一千多倍 v 1 9 107cm s远小于勒纳德的预计 1897年4月30日以 阴极射线 为题作了报告 宣布他的结论 阴极射线是由比氢原子小得多的带电粒子所组成 物质内部有比分子小得多的带电粒子存在 1899年 汤姆孙认定 1 原子不是不可分割的 因为借助于电力的作用 快速运动的原子碰撞 紫外线或热都能够从原子里扯出带负电的粒子 2 这些粒子具有相同的质量 并带有相同的负电荷 无论它们是从哪一种原子里得到的 并且它们是一切原子的一个组成部分 3 这些粒子的质量小于一个氢原子质量的千分之一 我起初把这些粒子叫做微粒 但是它们现在以 电子 这个名字来命名更合适 1906年由于在 气体导电方面的理论和实验研究 而获诺贝尔物理学奖 1895年11月意外地发现X射线 并对X射线进行了精心的研究 X射线的发现 1895年 伦琴 1845一1923 德国著名物理学家 德国维尔茨堡大学校长兼物理所所长 在这以前 伦琴对晶体的热电 压电现象 电场中运动介质的磁效应 阴极射线等方面做过很多工作 实验过程 用勒纳德管重复赫兹等人的实验 用硬纸板和锡铂把放电管包起来 以排除外界干扰 当荧光屏接近薄铝窗时 发现有荧光 证明阴极射线可以在空气中行进几厘米 改用克鲁克斯管实验 荧光模糊 1895年11月8日 用黑色纸板做了一个封套 既不使管内可见光外漏 又防止外界干扰 并把房间全部遮黑 接通电源后 检查封套是否漏光 当切断电源时 意外地发现1米以外的工作台上荧光屏上在闪光 继续实验 2米外亦可发光 无法用阴极射线来解释 继续用多种物质实验 发现X射线可穿透千页书 2 3cm厚的木板 几cm厚的硬橡皮 15mm厚的铅板 1895 12 8写成 一种新的射线 初步报告 1896 3 9写成 一种新的射线 续篇1897 3写成 关于X射线性质的进一步观察 1901年 伦琴获首届诺贝尔物理学奖 伦琴的成功并非偶然 他具有精湛的实验技艺 严谨的工作作风 讲究实验的准确性 注重实验事实 伦琴用过的仪器和有关文物 这是伦琴用过的高压感应圈 这是伦琴当年用过的阴极射线管 这是伦琴当年用过的阴极射线管 伦琴第一批拍得的X射线照片 第一张X射线照片 是1895年12月22日拍自伦琴夫人的手 X射线照射下的珐码盒照片 珐码装在盖严了的木匣中 伦琴1896年关于发现X射线的初步报告 一种新的射线 的手稿和铅印本 伦琴于1901年因发观X射线获首届诺贝尔物理学奖 上图为诺贝尔物理奖奖状 X射线发现后 几个月内就在医疗上得到了广泛的应用 这是美国某市第一张X射线照片及当时用X光检查人体的情景 这是当时有关射线的广告 电磁波波谱 放射性的发现1896年1月初 彭加勒 法 收到伦琴论文的预印本和照片 1月20日在科学院例会上展示 贝克勒尔把X射线与荧光现象联系起来 1896年他在巴黎工艺和应用技术学校观察到某种铀化合物在太阳光下曝光以后发出类似于伦琴射线的辐射 起初他以为是某种荧光辐射 亨利 贝克勒尔是埃德蒙 贝克勒尔的儿子和继承人 是A C 贝克勒尔的孙子 贝克勒尔在重复伦琴的X射线实验 1896 2 26贝克勒尔把底片和铀化合物放在柜里 准备等天晴时拿出来曝光 但连续几天没有好天气 3 1他把底片洗出来后 发现底片已经曝了光 意识到这不是什么荧光效应 而是铀放射出了一种性质未知的辐射 天然放射性由此被发现了 居里夫妇等人的工作 测定了铀射线的强度只与化合物中铀的含量有关 放射性是铀本身的原子特性 1898 7 18 在沥青矿碴中发现新元素 命名为钋 1898 11 发现镭 1899 1902 3 8 化了近四年的时间 从几吨矿渣中分离出0 12克纯氯化镭 居里夫人 即玛丽 居里 1867一1934 原为波兰人 1891年到巴黎大学学习物理和数学 后留在法国从事研究工作 她两次获诺贝尔奖 居里夫妇正在实验室中进行化学实验 居里夫妇正在实验室用居里兄弟以前发明的石英静电计进行测量 居里夫妇借用一间木工房当作实验室 这是实验室的外景 这是实验室的内景 居里夫人与她的女儿爱伦 居里 约里奥 居里夫妇继承居里夫人的事业 继续研究放射性 获诺贝尔化学奖 1903居里夫人完成博士论文 同年与贝克勒尔因天然放射性现象的研究共获诺贝尔物理学奖 对放射性现象的深入研究导致元素嬗变理论的诞生 打破了自古以来一直认为原子既不能创生也不能破坏和毁灭的传统观念 有力地证明了一种元素的原子可以转变成另一种元素的原子 在转变当中伴随有能量的释放 这是蕴藏在原子里的能量 在这场风暴面前 各国的科学家们表现了截然不同的态度 大多数人无法接受 如 门捷列夫 开尔文 等人 彭加勒等人却敏锐地感到 这并非凶兆 乃是吉兆 他写了 科学与假说 科学的价值 和 科学与方法 三本书 预言物理学面临着一种 行将到来的变革 世纪之交物理学孕育着一场革命 返回 爱因斯坦德 1879 1955 1905年建立狭义相对论1915年建立广义相对论 相对性原理的提出真空中光速不变原理的提出爱因斯坦的思考 伽利略的相对性原理一切彼此作匀速直线运动的惯性系 对于描写运动的力学规律来说是完全等价的 爱因斯坦对动体的电动力学的思考对相对性原理 一个具有如此广泛的普遍性的原理 在物理现象的一个领域中的有效性具有这样高的准确度 而在另一个领域中居然会无效 这从先验的观点来看是不大可能的 果真相对性原理对于力学以外的自然规律不成立 那么不得不相信存在绝对静止的参照系 显然地球不能成为这种参照系 地球在一年四季中对这一参照系是运动的 它的行为在自然规律中应反映出来 最仔细的观察也从来没有显示出地球物理空间的各向异性 返回 光行差现象 1728年英天文学家布莱德雷发现 从地球上观测一颗遥远的恒星 在一年中望远镜的轴线描画出一个圆锥 说明地球不能拖曳以太 对双星的观察对双星轨道的观察未发现歧变 爱因斯坦认定 真空中的光速同光源的运动 光的频率 光的传播方向都无关 光速不变 返回 承认相对性原理 根据伽利略的速度变换法则 光速不可能是不变的 承认光速不变的事实 那么伽利略速度变换法则对光速不适用 即在光现象中相对性原理不成立 两者只能取一 我们应当保留相对性原理 这是因为相对性原理如此自然而简单 在人们的思想中具有很大的说服力 因而真空中的光的传播定律就必须由一个能与相对性原理一致的比较复杂的定律所取代 实际上这里有三点 相对性原理 光速不变 伽利略变换 在肯定 的前提下 与 是抵触的 爱因斯坦选择了 与 抛弃了 狭义相对论的两条基本原理 1 光速不变原理 2 相对性原理 狭义相对论的推论 运动的尺会缩短 运动的钟会变慢 运动物体的质量会增大 E mc2 广义相对论的实验检验 1 水星近日点的剩余进动 2 引力红移 3 光线在引力场中的偏转 爱因斯坦与爱丁顿亲切交谈 爱丁顿在巴西建立的日食观测仪器 爱因斯坦的实验室 爱因斯坦在演讲 普朗克向爱因斯坦赠送纪念章 爱因斯坦与塞曼 爱伦费斯特在一起 世界各国纪念爱因斯坦的邮票 返回 一 量子论的提出二 量子力学的建立 返回 对热辐射现象的研究十八世纪后期 在化学反应中 开始察觉到热辐射现象1777年化学家舍勒发现热辐射1800年赫谢尔发现红外线1802年李特尔发现紫外线1859年基尔霍夫提出黑体模型研究黑体辐射规律 黑体是个理想模型 如果一个物体能够完全吸收投射到它上面的辐射而毫无反射 则此物体称为黑体 黑体不但吸收本领强 当其被加热时 它的辐射也比同温度下的其他物体强 实验表明黑体辐射在一定温度下达到热平衡 这时的辐射能量密度与辐射电磁波的频率有确定关系 实验结果 维恩辐射定律 1896年 E T 3e T获1911年诺贝尔奖帕邢实验结果 维恩辐射定律与实验规律相比 在低温 高频部分吻合 高温 低频部分有较大偏差 1900年6月英国物理学家瑞利导出 瑞利 金斯辐射定律 这个公式在低频 长波 部分与实验相符合 但在高频 短波 部分发散 普朗克 德国人 1874年入慕尼黑大学 对宇宙论发生兴趣 后到柏林大学听基尔霍夫 亥姆霍兹讲课 自修了克劳修斯的 热力学 投身于物理学 普朗克的工作 h kT是一个能量单位 把能量看成一个个原子份额 一个振子的能量E是由一些为数完全正确的 有限又相等的部分组成的 引入能量子 h 6 55 10 34焦耳 秒 振子所能发射或吸收的分立能量正比于它的频率 低频中振子所能发射或吸收的是小能包 高频振子只能发射或吸收大能包 低温时 热能只能激发低频振子 而不能激发高频振子 高频振子需要接受更多的能量才能开始发射 出现形状 温度升高时 有足够的能量激发大数目的高频振子 辐射谱向高频移动 能量子的引入意味着同连续性原理为其柱石之一的经典物理的决裂 普朗克的动摇1900年提出1901 1914年 表现了对能量不连续的动摇 1911年 提出了第二个辐射公式 发射 不连续 1914年 提出了第三个辐射公式 假定发射 吸收都不连续 爱因斯坦根据能量子概念提出了光量子理论 完满地解释了光电效应 爱因斯坦的明确微观粒子的波粒二象性 玻尔 丹麦哥本哈根人 1911年发表 金属电子论探讨 的博士论文 玻尔的量子化条件 玻尔关于氢原子理论的三点假设 1 定态 2 角动量量子化 3 跃迁 玻尔丹麦 1885 1962 玻尔在演讲 丹麦首都哥本哈根的玻尔研究所 返回 玻尔在新建的实验室里 量子力学是沿着矩阵力学和波动力学两条途径建立起来的 主要人物有德布罗意 薛定谔和海森堡等物理学家 索耳未会议 1911年10月30利时的布鲁塞尔召开 中心议题是 辐射理论和量子 德布罗意提出 物质波 的假设 他的哥哥莫利斯 德布罗意是一位实验物理学家 对X射线和光谱方面有研究 由于哥哥的影响 德布罗意转向研究物理 路易斯 德布罗意生于1892年法国蒂浦 1913年巴黎大学毕业 德布罗意原学历史 他通观了光学发展史 从爱因斯坦的光的波粒二象性思想中受到启发 辐射具有粒子性 而物质粒子为什么不可具有波动性呢 在光学上与波动的研究方法相比 过于忽视粒子的研究方法了 而在物质粒子的理论上 太忽视波动图象了 经过长期的孤寂的思索和遐想之后 在1923年 我蓦然想到 爱因斯坦在1905年所作出的发现应当加以推广 使它扩展到包括一切物质粒子 尤其是电子 1923年9月10日发表 粒子和波 的短文 提出物质波的概念 并用物质波的概念及驻波理论分析了玻尔量子化条件 德布罗意在其博士论文中预测 从很小的孔穿过的电子束能够呈现衍射现象 实物粒子的能量 实物粒子的动量 以上两式称为德布罗意公式或德布罗意假设 电子衍射图样 波动力学的诞生 薛定谔 奥地利物理学家 毕业于维也纳大学 早年从事气体分子运动论 统计力学和连续介质物理的研究 对相对论理论很了解 1926年1月 2月 5月和6月相继发表四篇论文 总题目是 作为本征值问题的量子化 建立波动力学 矩阵力学矩阵力学是1925年由海森堡提出 由玻恩 海森堡 约尔丹共同完成的 海森堡从1920年起在慕尼黑大学就学于索末菲 攻读理论物理 1923年取得博士学位后到哥廷根大学玻恩手下任助教 1924年到哥本哈根理论物理研究所在玻尔指导下工作 他一方面从玻尔那里接受了 概念的东西应根据实验的结果去更正 另一方面又从索末菲那里接受了 分析性和严格性 要求 特别强调理论应建立在可观察量的基础上 他认为 在原子物理中 位置和速度是不可观察的 事实上也确实没有任何实验来确定他们 实际上可观察到的是原子发射的谱线频率和强度 因此他放弃了玻尔关于电子轨道描述的直观图象 而代之以能观察的原子辐射谱线频率和强度等光学量 同时考虑进原子的量子化特征 由此建立一个适用于原子的