科学技术史（第2版） 第三篇 课件 第十七章 探幽索微的物理学革命

第三编现代科学技术的发展现代科学将人类对自然的认识提升了一个高度：微观世界的大门被打开，物质和能量不再有绝对的界限，时空和运动的关系被发现；人类不但认识了化学元素的衰变规律，还认识了各类元素原子和各种物质分子的结构及其特性。历史地看，数、理、化、天、地、生等学科是科学的主体，分门别类地研究自然，比较注重分析，追求简单和谐的自然规律，可被视为传统科学。20世纪在传统科学的基础上出现了系统科学。由于在材料、能源、农业、医疗、生物、建筑等方面知识的增加和器具的改进，以及环境科学和可持续发展理论的产生，人类文明的技术基础空前雄厚，科学底蕴也愈加深厚。探幽索微的物理学革命第十七章目

录电子的发现X射线的发现放射性的发现黑体辐射的紫外灾难和量子假说爱因斯坦的光量子理论原子的结构德布罗意波量子力学的建立从狭义相对论到广义相对论原子核物理学的进展核武器的出现基本粒子物理学的进展探索终极理论寻找反物质克鲁克斯管真空管电子的发现1836年，法拉第曾观察到低压气体中的放电现象。德国人盖斯勒在1855年用水银真空泵制成了低压气体放电管。三年后，普吕克尔在用它研究气体放电效应时发现，正对着阴极的管壁上产生了绿色的荧光。1876年，另一个德国人戈尔茨坦指出，荧光是由阴极射线引起的。英国人克鲁克斯在1879年制成高真空度的克鲁克斯管真空管或有低压气体存在的玻璃管，两端通电后，阴极会发出一种射线，发现阴极射线是一种高速带电粒子流。1881年，英国人汤姆生通过研究发现，阴极射线是带负电的、沿直线前进的高速微粒子流。1897年，他测量了这种粒子所带电荷与质量之比，发现它的荷质比与氢离子的荷质比相比，要大上千倍左右。后来，汤姆将这种微粒称为“电子”。1908—1913年，美国人密立根用油滴法精确测出了电子的电荷，并证明电子的电量e是电荷的最基本单位，所有带电物质的电量都是e的整数倍。汤姆生德国人伦琴X射线的发现1895年，德国人伦琴在研究阴极射线激发玻璃壁发生荧光时，偶然发现放电管附近用黑纸密封的照相底片感光了，这说明管内发出了一种能穿透底片封层的射线。1895年12月28日，伦琴向德国维尔茨堡物理学医学学会递交了《一种新的射线——初步报告》的论文。当时他称这种新的射线为“X射线”。1912年，德国人劳厄提出用天然晶体的晶格作为衍射光栅，观察X射线的衍射现象。弗里德里希和柯尼平两人当年就按劳厄的建议做了实验，发现了X射线透过晶格衍射的“劳厄斑”，这表明X射线是波长很短的电磁波。1912年，英国的布拉格父子确立了计算X射线波长的新方法。自赫兹发现电磁波以来，科学界已普遍承认光是一种电磁波。X射线亦是电磁波谱中的一部分。劳厄居里夫人放射性的发现法国人皮埃尔·居里和他的波兰妻子玛丽·居里在了解贝克勒尔的工作后，发现了新的放射性元素钍，接着又从沥青铀矿中分离出放射性比铀强400倍的钋。1899年，出生于新西兰的英国物理学家卢瑟福用强磁场使铀的射线发生偏转，从而发现了放射线中的α射线和β射线。1900年，法国人维拉德发现，放射线中不受磁场作用的γ射线是光子流。黑体辐射的紫外灾难和量子假说1879年，奥地利人斯特凡在实验中发现：黑体每秒以光和热的形式发射的能量密度的积分与其绝对温度的4次方成正比。1893年，德国人维恩根据实验给出了一个描述黑体能量分布的半经验的理论公式，即维恩位移定律。1900年，英国人瑞利根据统计力学和经典电磁学理论，给出了另一个公式。1905年，英国人金斯纠正了瑞利公式中的一个错误，后来这个公式被称为“瑞利金斯公式”。从1894年起，德国人普朗克就开始注意黑体辐射问题。1899年他从热力学定律推出了维恩公式。1900年10月，他了解瑞利公式之后，便用内插法建立了一个普遍公式——普朗克公式。普朗克的量子说打破了经典物理学中关于能量连续的概念，把能量的不连续性概念引入物理学，它摆脱了“黑体辐射的紫外灾难”这一经典物理学的困境。但这一革命性的思想是当时的老一代物理学家难以接受的，甚至普朗克本人也只是在1915年才认识了量子理论的重大意义。德国人普朗克爱因斯坦爱因斯坦的光量子理论德国犹太人爱因斯坦于1905年在瑞士发表了《关于光的产生与转化的一个启发性观点》一文，提出电磁辐射在传播过程中的能量也是不连续的，并称传播中的能量子为“光量子”（后来又称之为“光子”），同时用光量子的理论解释了赫兹等人早已发现的光电效应。1916年，美国人密立根用实验证明，用光量子理论得到的h值和由普朗克公式得出的h值完全一致，从而支持了爱因斯坦的假设。1923年，美国人康普顿做了X射线在金属中的散射实验，发现散射光中出现了波长大于入射光的射线。巴尔末原子的结构1904年，发现电子的汤姆生提出了一个原子结构模型“葡萄干蛋糕模型”。同年，日本人长冈半太郎提出了所谓“土星模型”。1909年，卢瑟福与他的助手盖革和学生马斯登提出了原子的有核行星模型。瑞士人巴尔末1881年发现、由瑞典人里德伯1890年总结出的巴尔末里德伯公式所描述的氢原子光谱表明，原子光谱是分立的线状光谱，而不是连续的。德布罗意德布罗意波法国人德布罗意1924年，在向巴黎大学提交的博士论文《关于量子理论的研究》中破天荒地提出：实物粒子也有波动性。在1924年4月召开的第四届索尔维国际物理学会议上，爱因斯坦从法国人朗之万处了解了德布罗意的思想，认为这揭开了自然界巨大面纱的一角。爱因斯坦提出光有粒子性，德布罗意提出实物粒子有波动性，这两种理论揭示了物理世界的对称性。1927年，美国人戴维逊和革末一起，按照德布罗意提出的设想，做了镍单晶电子衍射实验，第一次确认了电子的波动性。海森堡量子力学的建立1925年，德国人海森堡建立了量子力学的一种数学表达式——矩阵力学。生于奥地利的泡利从海森堡的理论推导出了巴尔末关于氢原子光谱的公式。英国人狄拉克在研究过海森堡的理论与经典理论之间的本质区别后，于1927年发表了《量子代数学》一文，使矩阵力学理论体系更加严密。1927年，海森堡在研究了微观粒子的波粒二象性后提出了著名的不确定原理。“不确定原理”由于是针对测量而言的，所以有时也被翻译为“测不准原理”或“测不准关系”。1926年，奥地利人薛定谔沿另一条途径建立了量子力学的又一种数学形式——波动力学。1926年1月至6月，薛定谔连续发表了四篇论文，提出了波函数Ψ的概念，给出了描述物质波的运动方程，从而创立了波动力学。1926年，薛定谔在认真研究了海森堡的矩阵力学后，证明了矩阵力学与波动力学的等价性，两种理论实际上是同一的。薛定谔1927年，玻尔通过对微观粒子波粒二象性及不确定原理的研究，提出了著名的互补原理（并协原理）。玻尔认为，量子力学在描述微观粒子的运动规律时仍然运用着经典力学中的概念——动量、质量、能量、频率、波长、几率等，这是自然科学的基础语言，不可能抛弃它们。玻尔在1927年10月于布鲁塞尔召开的第五次索尔维物理会议上，爱因斯坦认为互补原理对神圣的经典物理学的这种根本性的背离是完全不能接受的。1931年，爱因斯坦在他的《宇宙宗教以及其他见解和警句》中做过这样的比喻：假设二维平面上的一只扁臭虫有理智，能研究物理学和写书，它的世界是二维的，它在思想上和数学上能理解第三维，但却不能直觉想象第三维。20世纪围绕着对量子力学的诠释，进行了科学和哲学层次的争论。1935年，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森联名发表了《能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗？》爱因斯坦相对论从狭义相对论到广义相对论爱因斯坦对物理学的最大贡献是相对论。相对论提出了对宇宙的一种新观点，爱因斯坦也因此被公认为20世纪最伟大的科学家。狭义相对论揭示了牛顿所设想的作为单个实体的时间和空间并不存在，存在着的是一个时间空间统一体。在此基础上，爱因斯坦还提出了著名的质速关系式。根据这个关系式，物体在运动速度趋近光速时，质量会趋向无穷大。在建立狭义相对论之后，爱因斯坦又研究了引力问题。以两种质量相等为基础，爱因斯坦在1913—1916年提出了著名的等效原理和广义协变原理，建立了新的引力理论——广义相对论。根据广义协变原理，无论是在惯性系中还是在非惯性系中，物理学规律的数学形式都是相同的。这样，相对性原理就由惯性系被推广到非惯性系，从而把狭义相对论变成了广义相对论。这也是这一理论被称为广义相对论的含义。按照广义相对论，爱因斯坦曾预言了三个重要效应。（1）水星近日点的进动。（2）光线在引力场中弯曲。（3）光从引力场强的地方传向引力场弱的地方，频率会变低，谱线整体上会向红端移动。这便是所谓“光谱线的引力红移”。1960年以后，太阳光谱线的引力红移也被庞德和雷贝卡等人利用穆斯堡尔效应在地面实验室中测定，其结果（波长的2/105）与理论值是一致的。卢瑟福原子核物理学的进展1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮，得到了氧和氢核（质子），首次用人工方法实现了从一种元素向另一种元素的转变。卢瑟福在1921—1924年用多种材料做实验，证明有十几种轻元素都可以像氮原子那样在α粒子的轰击下发生衰变，成为另一种元素的原子。卢瑟福的发现开辟了核物理学的新天地，并且深刻影响了现代化学。现代“炼金术”居里夫人的女儿伊伦·约里奥居里和她的丈夫约里奥居里原子核物理学的进展1920年6月，卢瑟福根据原子量和原子电荷之间的差，设想原子核中可能存在质量与质子相同的中性粒子。1932年1月，居里夫人的女儿伊伦·约里奥居里和她的丈夫约里奥居里用很强的钋源放出的α粒子轰击铍，发现铍在衰变时辐射出了一种贯穿力很强的不带电的粒子流.卢瑟福的学生查德威克发现：约里奥居里夫妇所发现的中性粒子流不是光子，而正是人们一直企图寻找的中子流。查德威克关于发现中子的札记发表在1932年2月的英国《自然》杂志上，这时离小居里夫妇的实验仅仅一个月。中子的发现原子核物理学的进展1931年，泡利提出一种设想：放射性物质在发生β衰变时，除了放出β粒子外，还要放出一种质量极小的中子。1934年，费米受海森堡关于中子是质子与电子的复合体的推测启发，依据泡利的假说，提出了定量的中微子理论。1953—1956年，美国人莱尼斯和柯文才通过巧妙的设计，用反中微子被质子俘获后产生中子和正电子的实验，最终证明了反中微子的存在。中微子的发现原子核物理学的进展约里奥居里夫妇1934年在用钋源放出的α粒子轰击铝靶时发现，铝靶在受到轰击时发射出了中子和质子，停止轰击时仍能持续几分钟发射出β射线。他们继续研究后发现，α粒子与铝结合后变成了磷的同位素30P，它是自然界不存在的，稳定性极差，在放出正电子后最后变成稳定元素硅。此外，他们还发现，用α粒子轰击镁、硼等轻元素后亦能产生人工放射性元素，这是一个重大发现。约里奥居里夫妇因此获诺贝尔奖。皮埃尔·居里夫妇也曾获诺贝尔奖，居里夫人又曾单独获奖。一门两代五次获奖。重核裂变的研究约里奥居里夫妇为了制造出当时没有的93号元素，费米用中子轰击了92号元素铀。在第一次轰击中，中子被吸收，生成物中放出了β射线，费米认为93号超铀元素已被找到。当时（1934年）德国人哈恩和奥地利的犹太人迈特纳为了验证费米实验的结果，也用慢中子轰击了铀，在分析生成物时他们发现了93号、94号元素以及其他元素，并测定了这些元素的化学特性。1938年，迈特纳在希特勒迫害犹太人时不得不到瑞典的斯德哥尔摩避难，哈恩则与斯特拉斯曼一起继续研究，并于1938年12月公布了他们用中子轰击铀后的新发现：产物中出现了原子序数为56的钡，而铀元素如果不分裂为大小相近的两半，就不可能生成钡哈恩原子弹爆炸核武器的出现1939年1月6日，玻尔到美国出席一次物理学家会议，把原子核分裂的消息告诉了与会的科学家们。这些人兴奋无比，很多人立即着手研究，在数周内，一再证实了铀裂变的存在，并发现了铀裂变时原子核放出的巨大能量。1942年6月，美国制造原子弹的“曼哈顿工程”开始实施，由军方的格罗夫斯将军总负责，科学家奥本海默被任命为洛斯阿拉莫斯实验室主任，领导原子弹的设计和研制；康普顿负责裂变材料的制备；费米则负责原子能反应堆的建造。1945年7月，世界上第一颗原子弹在美国西部沙漠上试验成功。二战后，苏联于1949年8月苏联物理学家库尔恰托夫领导了原子弹的研制，萨哈罗夫在苏联氢弹研制方面有贡献。英国于1952年10月、法国于1960年2月，都成功地爆炸了原子弹。1964年10月，中国成为继美、苏、英、法之后第五个拥有核武器的国家。印度于1974年爆炸了一颗核装置，并于20世纪80年代拥有了核导弹。1998年，巴基斯坦也成功完成了核武器试验。朝鲜在2006年进行了首次核试验。以色列可能也拥有核武器，但其政府从未公开承认。中国第一颗原子弹试验成功。基本粒子物理学的进展1935年，日本人汤川秀树提出了关于核力的介子理论：正如带电粒子通过交换光子而产生电磁作用一样，核子（质子与中子）之间由于相互交换一种粒子而产生核力场，从而把核子结合在一起，形成稳定的原子核。1947年，英国人鲍威尔领导的小组用乳胶探测技术从宇宙线中发现了汤川秀树预言的介子，它被命名为π介子。1929年，英国人科克罗夫特和瓦尔顿发明了加速质子的电压倍增器。核力和基本粒子约翰·科克罗夫基本粒子物理学的进展1956年以前，物理学家们认为，多个粒子的体系在转化过程中总宇称是守恒的：一个奇宇称粒子和一个偶宇称粒子作用生成两个新粒子，其中必有一个奇宇称粒子和一个偶宇称粒子。1954—1956年，物理学界出现了所谓“τ

θ”之谜。美籍华人李政道和杨振宁二人认为，要么τ和θ不是同一种粒子，要么宇称守恒定律在这里不成立。弱相互作用下宇称不守恒的发现杨振宁和李政道基本粒子物理学的进展1964年，美国人盖尔曼提出了关于强子的夸克。1965年，中国物理学家朱洪元）、胡宁、戴元本、何祚庥等人提出了关于强子结构的层子模型，指出层子既可能具有整数电荷，也可能具有分数电荷，这一点可以通过实验来验证。1974年，美籍华人丁肇中领导的小组发现了J粒子，同年美国人利其特等人发现了ψ粒子。夸克及其禁闭丁肇中弦理论探索终极理论1961年，格拉肖发表的一篇论文为弱相互作用与电磁相互作用的统一奠定了基础。美国人温伯格（1933—2021）和巴基斯坦人萨拉姆（1926—1996）分别于1967年、1968年独立提出了电弱统一的规范理论。1968年，意大利人加布勒·维尼齐亚诺（GabrielVeneziano）提出了弦理论。根据弦理论，空间最大的维数是11维，因而人类对时空性质的认识似乎可以超越爱因斯坦的广义相对论。寻找反物质1955年，美国人塞格雷和张伯伦等人合作，利用高能质子同步稳相加速器，成功地产生了反质子。自20世纪50年代起，随着反质子的发现，兴起了反核子物理学研究，这种研究的深广程度涉及一个反物质世界。反核子物理学研究的基本方法，是利用反电子和反质子构造出反物质原子——反氢。1998年，丁肇中主持设计了AMS（阿尔法磁谱仪）实验，当年6月2日至12日，美国发现号航天飞机载着它飞行了10天，记录了2亿个事件，估计大约发现了2000个反电子、1000个反质子，但这还不等于发现了反物质。小结

电子、X射线、放射性的发现是现代物理学的起点。普朗克在解释“黑体辐射的紫外灾难”时提出量子说，把能量不连续的概念引入物理学。爱因斯坦用光量子理论解释光电效应，人们认识到光具有波粒二象性。卢瑟福提出原子结构的行星模型。玻尔提出氢原子模型，解释了原子的稳定性和氢光谱规律。爱因斯坦的狭义相对论认为，运动的尺子要缩短，运动的钟会走得慢些，光速是物质运动的极限速度，一切运动都是相对的，同时性也是相对的。1了解电子、X射线、放射性的发现及其意义。2什么是“黑体辐射的紫外灾难”？普朗克是怎样解决这个问题的？3爱因斯坦是怎样解释光电效应的？4了解卢瑟福和玻尔的原子结构模型。5什么是德布罗意波？6叙述量子力学发展的主要线索。7什么是互补原理？8什么是不确定原理？9扼要描述自近代以来光学的发展过程，使人能看出人类对光认识的步步深化。思考题10了解关于量子力学理论诠释的争论。11了解狭义相对论的假定和推论。12什么是广义协变原理？13什么是等效原理？14为什么说广义相对论是一种引力理论？15试比较广义相对论和牛顿的引力理论。16为什么说相对论引起了一场时空观甚至宇宙观的变革？17了解广义相对论的三个预言及其验证。18什么是“现代炼金术”？

由谁第一次实现？19中子是怎样被发现的？20中微子是怎样被发现的？21什么是重核裂变？22什么是质量亏损？23了解20世纪30年代以来对重核裂变的研究和原子武器的发展。24原子武器的发展对世界有何影响？25什么是核力介子论？26什么是基本粒子？27什么是弱相互作用下宇称不守恒？28目前人类了解的宇宙间的相互作用力有哪四种？29什么是夸克禁闭？30什