第七章-世纪之交的物理学..ppt

第七章 世纪之交物理学的发展 1经典物理学的局限性 219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 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 219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 支持了带电微粒说 发现电子的 J J 汤姆逊 2 电子的发现 J J 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 v 2 7 109厘米 秒 e m 0 8 107电磁单位 克 物理革命的新曙光 二X射线的发现 1 伦琴德国物理学家 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 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 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 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 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 1885 1919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 1919 1937年卢瑟福主持卡文迪什实验室工作 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1932 1933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 金斯定律2 T 3 KTC这一公式却只有在长波区和实验结果符合 而在短波区不符 由于辐射能量与频率 的平方成正比 因此当波长接近紫外时 能量为无限大 即在紫色端发散 紫 外 灾 难 和 普 朗 克 的 量 子 假 说 但瑞利 金斯两人得出的共识 是根据经典物理的理论严密推导的 瑞利和金斯也是物理学界公认的治学严谨的人 理论值与实验值在短波区的北辙南辕 揭示了经典物理学面临的严重困难 使人们不得不称之为 紫外灾难 悲观情绪 物理学的新发现和旧原理之间的矛盾引起物理学家认识上的 严重分歧 在人们提出波粒二象性新概念时 洛仑兹哀叹到 在今 天 人们提出了完全相反的主张 这样一来