武理工科学技术史课件第4章 物理学革命第1节：经典物理学的顶峰与危机

第四章物理学革命物理学革命第四章教学目的和要求1.了解19世纪末物理学三大实验发现的内容及其意义；2.掌握相对论和量子论的基本概念和原理；3.把握相对论和量子论在现代物理学和整个自然科学乃至哲学发展史上的重要地位及其深远影响；4.正确理解科学发展的内在矛盾运动规律以及科学与哲学的关系；第四章物理学革命第一节：经典物理学的顶峰与危机第二节：相对论的诞生第三节：量子物理学的建立第四节：物理学革命与哲学世纪之交科学家眼中的物理学开尔文的世纪回顾19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上汤姆森（W.Thomson,1824-1907）发表新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。两朵乌云1.但在展望20世纪物理学前景时，开尔文若有所思地讲道：动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它的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。2.正是这“两朵乌云”和“三大实验发现”引起了“物理学革命”。第一节：经典物理学的顶峰与危机19世纪末物理学的三大发现1.X射线的发现放射性的发现电子的发现三大实验发现诱发了经典物理学危机本节教学目的和要求1.了解19世纪末物理学家的科学观；2.把握19世纪末物理学三大实验发现的过程及其主要内容；3.重点理解19世纪末物理学三大实验发现与经典物理学理论的冲突及其诱发的“物理学危机”。关于阴极射线本性的争论1.X射线的发现起源于对阴极射线的研究，1856年德国盖斯勒放电管的发明为研究真空放电现象提供了实验手段；1859年德国普吕克发现了放电管阴极发出的绿色辉光，1876年德国戈尔茨坦指出绿色辉光是由阴极的某种射线引起的，命名为“阴极射线”。2.围绕阴极射线的本性究竟是光波还是粒子，德国和英国科学家展开了争论，最终导致了物理学的三大实验发现。1.X射线的发现1895年11月10日，德国物理学家伦琴（WilhelmKonradRontgen1854-1923）在做阴极射线实验时，偶然发现了一种新的辐射，它能轻易穿透一些如纸张之类不透明的物质。伦琴把它叫做X射线。神秘的X射线伦琴

1901年诺贝尔物理学奖

——X射线的发现偶然性？X射线的发现过程在物理学史上是一个必然性通过偶然性开辟道路的典型例证。在伦琴之前，英国克鲁克斯等人曾遇见过它，但均因疏忽而与重大发现擦肩而过。X光的发现，不仅揭开了物理学革命的序幕，也给医疗保健事业带来了新的希望。伦琴因发现X射线荣获1901年的首次颁发的诺贝尔物理学奖。2.放射性的发现1.伦琴发现的X射线引起法国物理学家贝克勒尔（AntoineHenriBecquerel,1852-1908）的兴趣。2.因为伦琴是通过荧光材料所发出的荧光而发现X射线的，所以贝克勒尔想知道是否有荧光材料放出X射线。太阳光下1.1896年2月，贝克勒尔把感光片包在黑纸里放到太阳下，再把荧光物质的晶体压在上面。2.他的设想是：太阳光照射晶体产生荧光，如果荧光中有X射线，那么它就能穿透黑纸使底片暴光。3.果然，底片冲洗出来后，上面有了阴影。这证明有放射线穿透了黑纸，贝克勒尔断定荧光确实放出X射线。阴天1.接着数日阴天，无法到太阳底下做实验。2.贝克勒尔只好把包好的底片放进抽屉，上面还是压着那块荧光物质的晶体。3.由于接连几天没有太阳，无所事事之下，贝克勒尔决定把抽屉里的底片先洗出来看看，也许晶体里残存的荧光能使底片出现微弱的阴影。放射性1.结果大出所料，底片上有很多的阴影。2.显然，这阴影与太阳无关、与荧光无关，而与晶体本身有关。3.贝克勒尔用的晶体是一种铀的化合物——硫酸双氧铀钾，这样他便发现了铀能自发辐射出能量。铀盐能够发出放射线的发现，没有像X射线那样轰动一时，对它的研究也没有及时地展开。这可能是因为，它不像X射线那样具有医学价值。再说得到铀盐也不容易，而人们当时普遍认为，只有铀盐才具有这种特殊的放射能力。将放射性的研究推向一个新的高度的是波兰籍女科学家居里夫人（MarieCurie，1867-1934）。贝克勒尔新射线的发现使她意识到该问题的重要性，当即将《放射性物质的研究》作为其博士论文题目。“放射性”一词就是她首先使用的。在对铀矿物放射性的研究中，她发现某些铀矿物的放射性特别强，并断定这额外的放射性是由未知的放射性元素造成的。为了寻找这种未知元素，她的丈夫居里（1859-1906）也加入到了她的工作中来。居里夫人1898年4月12日，居里夫人宣布钍像铀一样具有放射性，从而表明放射性决不只是某个元素独有的现象。她还指出，沥青铀矿和铜铀云母的放射性比根据铀的含量计算出的要强得多，说明这些矿石里还存在着更强放射性的元素。为了寻找这些新的元素，居里夫妇付出了令人难以置信的艰苦劳动。在一座极为简陋的实验室里，他们将奥地利政府提供的几吨废铀渣，进行反复的化学分离和物理测定。1898年7月18日，他们先发现了比铀的放射性强400倍的新物质。为纪念居里夫人的祖国波兰，命名为“钋’。1898年12月26日，他们终于发现了另一种放射性更强的新物质，其放射性大约是铀的900倍，次年又定为7500倍，不久又发现为10万倍。这一发现在物理学界引起了轰动，但化学家们还持怀疑态度。为了确定镭的原子量，居里夫妇又花了三年时间，于1902年提炼出了0.12克纯镭，测定出镭的原子量为225，放射性比铀强二百多万倍。用于发现镭与钋的沥青铀矿样品居里夫妇宣称存在镭元素的论文手稿

1898年12月宣布一种放射性比铀元素强百万倍的新元素，命名为“镭”

1898年7月向巴黎科学院提交“论沥青铀矿中的一种新物质”命名为“钋”Polonium（Poland)居里夫人博士论文封面，1903年

1903年的居里夫人

1903年6月，居里夫人以《放射性物质的研究》作为博士答辩论文获得巴黎大学物理学博士学位。两个诺贝尔奖1.1903年居里夫人因对放射线的研究与贝克勒尔和她的丈夫分享了该年度的诺贝尔物理学奖；2.1911年她又因发现两种新元素而获得诺贝尔化学奖。她成了第一位两次获诺贝尔奖殊荣的人物。居里夫妇在1903年获得的诺贝尔奖证书著名学者爱因斯坦曾经这样评价居里夫人：“在我所认识的所有著名人物里面，居里夫人是唯一不为盛名所颠倒的人。”居里夫人的大半生都是清贫的，提取镭的艰苦过程是在简陋的条件下完成的。居里夫人拒绝为他的任何发明申请专利，把诺贝尔奖金和其奖金都用到了以后的研究中去了。居里夫妇发现镭以后，当百万法郎、灿灿的金质奖章向她微笑的时候；当成功、荣誉、祝贺象潮水般涌来的时候，表现了他们具有高贵的品质：毫不夸耀，谦虚忘我！

一位报社记者前来采访她，想把她的事迹报道出去。她坚定地回答：“在科学上重要的是研究出来的‘东西’，不是研究者的‘个人’。”有几位朋友劝他们申请生产镭的专利权。玛丽·居里代表她的丈夫作出了这样的决定：“不应该这样做。这是违背科学精神的。我们不应当借此来谋利。”他们把这个伟大的发现交给工业界和医学界广泛利用，并不谋求个人的任何私利。居里夫人自传

居里夫人由于长期从事放射性物质的研究工作，加上恶劣的实验环境和对身体保护的不够严格，时常受到放射性元素的侵袭，使她的血液渐渐受到了破坏，患上白血病。她还患有肺病、眼病、胆病、肾病，甚至患过神经错乱症。在居里夫人看来，科学研究要比她本身的健康更重要。她曾为了能参加世界物理学大会，请求医生延期施行肾脏手术；她曾带病回国参加镭研究所的开幕典礼。她曾忍受着眼睛失明的恐惧，顽强地进行科学研究。直到她生命的最后一息，由于恶性贫血、高烧不退，躺在床上的时候，仍然要求她的女儿向她报告实验室里的工作情况，替她校对她写的《放射性》著作。居里夫人1934年7月4日不治而亡，她把她的一生完全献给了伟大的科学事业。给科学家提出了新的课题：一是要判明放出的射线是什么？二是查清物质放出射线以后变成了什么？1899年卢瑟福等人通过实验发现，天然放射线是由带正电的射线α和带负电的射线β组成的。后来法国化学家维拉尔又发现具有更强穿透本领的第三种射线γ射线。放射性物质发现的重要意义发现α和β射线的实验3.电子的发现英国物理学家汤姆逊（JosephThomson1856-1940）在1897证实阴极射线在电场中偏转，从而断定阴极射线是一种带负电的粒子。他进而测定了阴极射线粒子的荷质比，发现这种粒子的质量只有氢原子质量的一个很小的分数值（现在值为1/1837）。汤姆逊发现来源于各种不同物质的阴极射线粒子都是一样的，其质量和电荷比值相同，而且是比原子小得多的粒子。汤姆逊认定这种粒子必定是“建造一切化学元素的物质”，也就是一切化学原子所共有的组成部分。汤姆逊就这样打破了原子不可再分的传统观念，打开了亚原子的大门。后来洛伦兹把这种阴极射线粒子叫做“电子”。汤姆逊因电子的发现获得1906年诺贝尔物理学奖。汤姆逊的七个助手先后都获得过诺贝尔奖。电子的发现者——JosephThomson（1856-1940）1.三大实验发现打开了经典物理学的缺口第一，原来认为原子是不可分割的最小质点现在从原子里发现了电子、X射线和γ射线；第二，原来认为元素是固定不变的，但放射现象表明一种元素可蜕变为另一种元素；第三，原来认为物质的质量与运动无关，现今电子的质量随运动速度变化而变化，质量似乎不守恒了；二、三大实验发现诱发了经典物理学危机第四，原来认为能量守恒只存在于机械能、热能和电能相互转化之中，现在一块静止的放射物质本身就是热源，即便没有外力作用，能量也源源不断地向外界释放，能量好像也不守恒了；第五，原来认为质量和能量不搭界，现在放射性物质因能量不断释放，质量也不断减小。2.三大实验发现猛烈地冲击着牛顿力学的物质质量、能量、动量等基本概念，经典物理学中质量守恒、能量守恒、运动定律等基本定律也面临严峻考验。面对物理学危机，一些抱残守缺的物理学家悲观失望，唯心主义趁虚而入。1.19世纪末物理学家普遍是怎样看待物理学及其发展前景的