十九世纪物理学的成就和危机第四讲

1、十九世纪物理学的成就和危机第四章第四章 十九世纪物理学的成就和危机十九世纪物理学的成就和危机十九世纪物理学的成就和危机经典物理框架的完善世纪之交物理学的三大发现世纪之交的两朵乌云 开尔文 麦克斯韦 伦琴 J. J.汤姆孙 居里夫人 贝克勒尔十九世纪物理学的成就和危机19世纪物理学发展的特征一联系和转化的思想在物理学理论中的深刻体现，是19世纪物理学观念上最明显的变革之一。 二实验和数学方法更全面、深入地推广到物理学的各个学科中去，是19世纪物理学研究方法的发展特征。三科学假设和物理模型的方法在19世纪的物理探索中有了重要的发展。四19世纪物理学表现出对生产技术的超前发展的特征。十九世纪物理学的

2、成就和危机 在物理学的天空，一切都已明朗洁净了，在远处只剩下两朵小小的，令人不安的 迈克耳逊莫雷实验在寻找机械“以太”时得出了否定的结果； 运用经典物理学理论无法解释黑体辐射的实验曲线。十九世纪物理学的成就和危机一.电子的发现 德国物理学家普鲁克（J. Plueker，1801-1868）于1858年利用盖斯勒放电管研究气体放电时发现了对着阴极的管壁上出现了美丽的绿色光辉。 1876年德国物理学家哥尔德斯坦证实这种绿色光辉是由阴极上所产生的某种射线射到玻璃上产生的，他把这种射线命名为 “阴极射线”。十九世纪物理学的成就和危机1886年，J. J. 汤姆逊开始研究气体放电和阴极射线。J. J.

3、汤姆逊1856年12月18日生于英国。1884年任卡文迪许实验室教授。十九世纪物理学的成就和危机十九世纪物理学的成就和危机B-FEFB设粒子的质量为设粒子的质量为m m，所带电荷为，所带电荷为e e。dVeeEF电电场力：电场力：evBF 磁磁场力：磁场力：BEv 十九世纪物理学的成就和危机L221atS -SmaeEF 电222BLESme荷质比：荷质比：撤去磁场，测出射线在平板电场右端出口处的横向偏转值撤去磁场，测出射线在平板电场右端出口处的横向偏转值S S加速度由牛顿第二定律得到加速度由牛顿第二定律得到十九世纪物理学的成就和危机阴极射线粒子的阴极射线粒子的“荷质比荷质比”为：为：222B

4、dLVSme111kgC107 . 1该荷质比约为氢离子荷质比的该荷质比约为氢离子荷质比的20002000倍倍这种粒子应是电极材料原子的基本组成部分这种粒子应是电极材料原子的基本组成部分J. J. J. J. 汤姆逊由此断定：汤姆逊由此断定：十九世纪物理学的成就和危机十九世纪物理学的成就和危机 美国科学家密立根（美国科学家密立根（R. A. Millikan，1868-1953）在在1909-1917年间利用有名年间利用有名的油滴实验测得了的油滴实验测得了 e 的值，的值，他以严谨的科学态度和追求他以严谨的科学态度和追求精确的测量而受到人们的赞精确的测量而受到人们的赞誉。誉。 1909年密立根

5、油滴实验证明一切荷电物质都只年密立根油滴实验证明一切荷电物质都只能带有能带有e的整数倍的电量。的整数倍的电量。 阴极射线粒子所带的电量阴极射线粒子所带的电量 e 是电荷的最小单位。是电荷的最小单位。电子电子十九世纪物理学的成就和危机1917年，密立根公布的结果是：年，密立根公布的结果是：1010)00507704(- .e静电单位静电单位电子的质量为：电子的质量为：1010) 8032068(154- .e静电单位静电单位近代精确的电子电荷量是：近代精确的电子电荷量是：1910(49)1.60217733- 库仑库仑静电单位库仑91031kg10)54(1093897. 931em十九世纪物理

6、学的成就和危机电子的发现再一次否定了原子不可分的观念。电子的发现再一次否定了原子不可分的观念。 J. J. J. J. 汤姆逊由于发现电汤姆逊由于发现电子而于子而于19061906年荣获诺贝尔物理年荣获诺贝尔物理学奖。学奖。 J. J. J. J. 汤姆逊被誉为汤姆逊被誉为“一位最先打开通向基本粒一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人子物理学大门的伟人”诱发人类进入电子科技时代。诱发人类进入电子科技时代。现在人类进入微电子科技时代。现在人类进入微电子科技时代。十九世纪物理学的成就和危机 德国维尔茨堡大学校德国维尔茨堡大学校长、物理学家伦琴（长、物理学家伦琴（W. K. W. K. Rontg

7、enRontgen，1845-19231845-1923） 伦琴在给孔特（伦琴在给孔特（A. Kundt，1839-1894）的信中说：）的信中说： 我终于发现了一种光，我终于发现了一种光，我不知道是什么光，无以我不知道是什么光，无以名之，就把它叫做名之，就把它叫做X X光吧。光吧。伦琴的实验室十九世纪物理学的成就和危机十九世纪物理学的成就和危机十九世纪物理学的成就和危机十九世纪物理学的成就和危机K+-A X射线是由高射线是由高速电子撞击物体时速电子撞击物体时产生，从本质上它产生，从本质上它和可见光一样，是和可见光一样，是一种电磁波，它的一种电磁波，它的波长约为：波长约为： 0.0010.01

8、(nm) 伦琴荣获伦琴荣获1901年年诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖，成为诺贝尔物，成为诺贝尔物理奖的第一个获奖者。理奖的第一个获奖者。 可以说，现代物理学是从可以说，现代物理学是从18951895年德国物理学家年德国物理学家伦琴发现伦琴发现X X射线开始的。射线开始的。十九世纪物理学的成就和危机 从从19141914到到19241924年中，就有五位物理学家（劳厄，布拉格父子，巴克拉，年中，就有五位物理学家（劳厄，布拉格父子，巴克拉，西格本）在研究西格本）在研究X X射线及其应用方面获得了诺贝尔物理学奖。射线及其应用方面获得了诺贝尔物理学奖。 1953 195319591959年，小布拉格的两位助

9、手佩鲁茨和肯德罗，用改进了的年，小布拉格的两位助手佩鲁茨和肯德罗，用改进了的X X射射线分析法测定了肌红蛋白及血红蛋白的分子结构，为此获得线分析法测定了肌红蛋白及血红蛋白的分子结构，为此获得19621962年的诺贝年的诺贝尔化学奖。尔化学奖。 1962 1962年诺贝尔生理学奖及医学奖授予英国生物物理学家克里克、威尔金年诺贝尔生理学奖及医学奖授予英国生物物理学家克里克、威尔金森、美国生物学家沃森，表彰他们发现森、美国生物学家沃森，表彰他们发现DNADNA的双螺旋结构，这是的双螺旋结构，这是2020世纪生物世纪生物学的最伟大成就，他们依靠的也是学的最伟大成就，他们依靠的也是X X射线分析法。射线

10、分析法。十九世纪物理学的成就和危机十九世纪物理学的成就和危机 1896 1896年，法国物理学年，法国物理学家贝克勒尔（家贝克勒尔（Becquerel, Becquerel, 1852-19081852-1908）在对一种荧）在对一种荧光物质（硫酸钾铀）进行光物质（硫酸钾铀）进行研究时发现了天然放射线。研究时发现了天然放射线。贝克勒尔射线贝克勒尔射线十九世纪物理学的成就和危机玛丽居里（M. S. Curie，1867-1934） 居里夫人从居里夫人从18971897年开始年开始直至直至19341934年逝世的年逝世的3838年科学生年科学生涯中，她以惊人的毅力、顽强涯中，她以惊人的毅力、顽强的

11、意志、高度的智慧全心投入的意志、高度的智慧全心投入放射性研究，发现了放射性元放射性研究，发现了放射性元素素“镭镭”和和“钋钋”。19101910年完年完成了她的名著成了她的名著论放射性论放射性。 1903年，居里夫妇和贝克年，居里夫妇和贝克勒尔共享了诺贝尔勒尔共享了诺贝尔物理物理奖。奖。 1911年又荣获了诺贝尔年又荣获了诺贝尔化化学学奖。奖。 天然放射性核素能够自发地放出各种射线,从而衰变为另一种核素。射线：射线：带两个正电荷的氦核粒子流；带两个正电荷的氦核粒子流；射线：射线：带负电荷的高速电子流；带负电荷的高速电子流；射线：射线：的电磁波，它从原子核内放出的电磁波，它从原子核内放出来实际上

12、是一束能量极高的光子流，来实际上是一束能量极高的光子流，它的波长比它的波长比X射线还要短，穿透本领比射线还要短，穿透本领比X射线更强。射线更强。十九世纪物理学的成就和危机十九世纪物理学的成就和危机1895-18971895-1897的三大发现，使物理学发生了深刻的变化：的三大发现，使物理学发生了深刻的变化： 电子的发现否定了原子是最小物质结构单元的说法。电子的发现否定了原子是最小物质结构单元的说法。 过去以为除可见光外的电磁波只有无线电波、红外线和紫外线，现在却过去以为除可见光外的电磁波只有无线电波、红外线和紫外线，现在却有了波长更短的有了波长更短的X X射线和射线和射线。射线。 过去以为原子

13、是不可变的，自从发现放射性后，原子是可变的。过去以为原子是不可变的，自从发现放射性后，原子是可变的。 三大发现打开了微观世界的窗户，把物理学从十九世纪的经典物理三大发现打开了微观世界的窗户，把物理学从十九世纪的经典物理学阶段推进到二十世纪的现代物理学阶段。学阶段推进到二十世纪的现代物理学阶段。三大发现揭开了现代物理学的序幕！三大发现揭开了现代物理学的序幕！十九世纪物理学的成就和危机开尔文：开尔文：“在物理学晴朗天空的远处，还存在两朵在物理学晴朗天空的远处，还存在两朵小小的、令人不安的乌云小小的、令人不安的乌云”。 两朵乌云两朵乌云: :搜寻搜寻“以太以太”存在证据的迈克耳孙存在证据的迈克耳孙莫

14、雷实验莫雷实验研究物体热辐射性质的研究物体热辐射性质的“黑体辐射黑体辐射”实验实验一一“超距作用超距作用”与与“媒递作用媒递作用” 牛顿的牛顿的“超距作用超距作用” 观点：作用力以无限大的速度观点：作用力以无限大的速度“超超”越空间越空间“距距”离，一下子从一个物体传到另一离，一下子从一个物体传到另一个物体个物体 。笛卡儿的笛卡儿的“媒递作用媒递作用”：这种作用是由一种相应的：这种作用是由一种相应的媒质媒质“以太以太”来传递的。来传递的。以太真的存在吗？以太真的存在吗？十九世纪物理学的成就和危机 历史上一些物理学家设计各种实验，希望通过运动历史上一些物理学家设计各种实验，希望通过运动参考系中所

15、发生的物理现象，找出一种发现绝对运动并参考系中所发生的物理现象，找出一种发现绝对运动并测出绝对速度的方法来。测出绝对速度的方法来。18871887年，迈克耳孙年，迈克耳孙- -莫雷企图利莫雷企图利用光干涉的方法，确定用光干涉的方法，确定“以太以太”的存在。的存在。十九世纪物理学的成就和危机G2M1MTS迈克尔孙认为：迈克尔孙认为：如果确实存在以太，而且它在宇宙中是静止不动的，如果确实存在以太，而且它在宇宙中是静止不动的，那么，当地球在那么，当地球在“以太海洋以太海洋”中运动时，在地球上向不同方向发射的中运动时，在地球上向不同方向发射的光对于地球将有不同的速度，改变光的传播方向，干涉条纹就会发生

16、光对于地球将有不同的速度，改变光的传播方向，干涉条纹就会发生移动。移动。迈克尔孙干涉仪十九世纪物理学的成就和危机2MTG1MS“以太以太”风风S1M2MTG“以太以太”风风设法使一束顺着地球运设法使一束顺着地球运动方向的光与一束垂直动方向的光与一束垂直此方向的光发生干涉效此方向的光发生干涉效应，并显示出干涉条纹，应，并显示出干涉条纹，然后将干涉仪转过然后将干涉仪转过9090O O，于是，原来顺着地球运于是，原来顺着地球运动方向的光束成为垂直动方向的光束成为垂直此方向的光束，原来垂此方向的光束，原来垂直与此方向的光束成为直与此方向的光束成为逆着此方向的光束。这逆着此方向的光束。这样，如果以太风向

17、地球样，如果以太风向地球迎面扑来的话，根据干迎面扑来的话，根据干涉图样应移动涉图样应移动0.40.4个条纹，个条纹，当时迈克尔孙干涉的实当时迈克尔孙干涉的实验精度已经能观察到验精度已经能观察到0.010.01条纹的移动。条纹的移动。结果：未发现条纹有丝毫移动！结果：未发现条纹有丝毫移动！经典物理学的第一朵乌云经典物理学的第一朵乌云 迈克耳孙迈克耳孙莫雷实验莫雷实验 放弃哥放弃哥白尼的白尼的日心说日心说 放弃放弃以太以太 第一朵乌云第一朵乌云 19051905年，爱因斯坦发表年，爱因斯坦发表论运动物体的电动力论运动物体的电动力学学，宣布：，宣布：“以太是多余的以太是多余的”。紫外灾难紫外灾难黑体

18、辐射的经典规律黑体辐射的经典规律 黑体辐射问题是研究热辐射与周围环境处于平衡黑体辐射问题是研究热辐射与周围环境处于平衡态时的能量按波长（频率）的分布问题。态时的能量按波长（频率）的分布问题。热辐射：热辐射：由于物体中分子、原子受到热激发而发由于物体中分子、原子受到热激发而发射电磁波辐射的现象。射电磁波辐射的现象。单色辐出度单色辐出度：物体从单位面积上发射的，波长介于物体从单位面积上发射的，波长介于 和和 +d+d 之之间的辐射功率间的辐射功率dEdE 与与d d 之比。之比。ddETe),( 单色辐出度是波长和单色辐出度是波长和温度的函数，它反映了温度的函数，它反映了在一定的温度下，辐射在一定

19、的温度下，辐射能量按波长的分布。能量按波长的分布。),(Te)( m401231700K1100K1300K1500K黑体：黑体：能吸收一切外来辐射，而无反射的物体。能吸收一切外来辐射，而无反射的物体。黑体是最理想的发射体黑体是最理想的发射体),(Te)( m40123斯忒藩斯忒藩- -玻尔兹曼定律：玻尔兹曼定律：物体的辐出度与温度的四次方成正比物体的辐出度与温度的四次方成正比4)(TTEoo斯忒藩常数：斯忒藩常数：)(106703. 5428KmWo维恩位移定律：维恩位移定律： 能谱分布曲线的峰值对应的波长能谱分布曲线的峰值对应的波长 m与温度与温度 T的乘积的乘积为一常数。为一常数。bTm

20、)(10898. 23Kmb维恩定律：维恩定律：523),(TcoecTe（c2和c3为经验参数）),(Te)( m4012356789维恩线维恩线瑞利瑞利- -金斯定律：金斯定律：TcTeo41),()2(1ckc),(Te)( m4012356789瑞利瑞利-金斯线金斯线经典理论在短波区域的失败成为经典理论在短波区域的失败成为“紫外灾难紫外灾难”。普朗克经验公式：普朗克经验公式：12),(52kThcoehcTe),(Te)( m4012356789SJ 10366-34 .h普朗克常数：普朗克常数：经典理论的基本观点：经典理论的基本观点：（1）电磁辐射来源于带电粒子的振动，电磁波的频率与振）电磁辐射来源于带电粒子的振动，电磁波的频率与振动频率相同。动频率相同。（2）振子辐射的电磁波含有各种波长，是连续的，辐射能）振子辐射的电磁波含有各种波长，是连续的，辐射能量也是连续的