现代化学与天文学

1、现代化学与现代天文学,一、现代化学实验,一 实验内容以结构测定和化学合成实验为主 1结构测定实验 结构测定实验源于人们对阴极放电现象微观本质的探讨。早在1836年，法拉第就曾研究过低压气体中的放电现象。1869年，德国化学家希托夫(J.W.Hittorf，18241914)发现真空放电于阴极，并以直线传播。1876年，戈尔茨坦(E.Coldstein，18501930)将这种射线命名为“阴极射线”。1878年，英国化学家克鲁克斯(Sir W.Crookes，18321919)发现阴极射线能推动小风车，被磁场推斥或牵引，是带电的粒子流。1897年，克鲁克斯的学生英国物理学家J.J.汤姆生(J.J

2、.Thomson，18561940)对阴极射线作了定性和定量的研究，测定了阴极射线中粒子的荷质比。这种比原子还小的粒子被命名为“电子”。 电子的发现，动摇了“原子不可分”的传统化学观。,1895年，德国物理学家伦琴(W.C.Rnt-gen，18451923)在研究阴极射线时发现了X射线。1896年，法国物理学家贝克勒(A.H.Becquerel，18521908)发现了“铀射线”。次年，法国著名化学家玛丽居里(M.Curie，18671934)又发现了钍也能产生射线，于是她把这种现象称为“放射性”，把具有这种性质的元素称为放射性元素。居里夫妇经过极其艰苦的努力，于1898年先后发现了具有更强放

3、射性的新元素钋和镭。随后，又花费了几年时间，从两吨铀的废矿渣中分离出0.1克光谱纯的氯化镭，并测定了镭的原子量。 镭曾被称为“伟大的革命家”，克鲁克斯尖锐地评论说：“十分之几克的镭就破坏了化学中的原子论”。可见这一成果意义的重大。为此，居里夫人获得了1911年的诺贝尔化学奖。,1901年卢瑟福和英国年青的化学家索迪(F.Soddy，18771956)进行了一系列合作实验研究，发现镭和钍等放射性元素都具有蜕变现象。据此，他们提出了著名的元素蜕变假说，认为放射性的产生是由于一种元素蜕变成另一种元素所引起的。这一成果具有革命意义，打破了“元素不能变”的传统化学观。卢瑟福也因此荣获1908年的诺贝尔化

4、学奖。 1898年，J.J.汤姆生的学生E.卢瑟福(F.Rutherford，18711937)发现铀和铀的化合物发出的射线有两种不同的类型，一种是射线，一种是射线；2年后，法国化学家维拉尔(P.Villard，18601934)又发现了第三种射线射线。,电子、放射性和元素蜕变理论奠定了化学结构测定实验的理论基础。 1912年，德国物理学家劳埃(M.von Laue，18791960)发现X射线通过硫酸铜、硫化锌、铜、氯化钠、铁和萤石等晶体时可以产生衍射现象。这一发现提供了一种在原子-分子水平上对无机物和有机物结构进行测定的重要实验方法，即X射线衍射法。,无机物的结构测定的真正开始是X射线衍射

5、线发现以后。在此之前，象氯化钠这样简单的离子化合物的结构问题，对化学家来说都是一个难题，但运用这种方法之后，化学家才恍然大悟，原来其结构是如此简单。20世纪2030年代，人们运用X射线衍射法分析测定了数以百计的无机盐、金属配合物和一系列硅酸盐的晶体结构。,有机物的晶体结构测定始于20世纪20年代。在此期间，人们测定了六次甲基四胺、简单的聚苯环系、己链烃、尿素、一些甾族化合物、镍钛菁、纤维素以及一系列天然高分子和人工聚合物的结构。 4050年代，有机物晶体结构分析工作更加蓬勃发展，最突出的是1949年青霉素晶体结构、1952年二茂铁(金属有机化合物)结构和1957年维生素B12结构的测定。 另外

6、，人们应用X射线衍射法还对一系列复杂蛋白质的结构进行了测定，取得了许多重大突破，为分子生物学理论的建立奠定了坚实的实验基础。,2化学合成实验 化学合成实验是现代化学实验的一个非常活跃的领域。随着现代化学实验仪器、设备和方法的飞速发展，人们创造了很多过去根本无法创设的实验条件，合成了大量结构复杂的化学物质。,制备硼的氢化物，一直是久未攻克的化学难题。1912年，德国化学家斯托克(A.Stock，18761946)对硼烷进行了开创性的工作，发明了一种专门的真空设备，采取低温方法合成了一系列硼的氢化物(从B2H6到B10H14)，并研究了它们的分子量和化学性质。 1940年，斯托克的学生E.威伯格用

7、氨与硼烷作用制成了结构与苯相似的“无机苯”B3N3H6。1962年，英国化学家巴特利特(N.Bartlett，1932)合成了第一种稀有气体化合物六氟铂酸氙，打破了统治化学达80年之久的稀有气体“不能参加化学反应”的传统化学观，开辟了新的化学合成领域。,有机合成在本世纪取得了突飞猛进的发展，合成了许多高分子化合物，如酚醛树脂(1907年)、丁钠橡胶(1910年)、尼龙纤维(1934年)。 对有机天然产物合成贡献较大的化学家，应首推美国化学家伍德沃德(R.B.Woodward，19171979)。他先后合成了奎宁(1944年)、包括胆甾醇(胆固醇)和皮质酮(可的松)在内的甾族化合物(1951年)

8、、利血平(1956年)、叶绿素(1960年)以及维生素B12(1972年)等。为表彰他的杰出贡献，他获得了1965年的诺贝尔化学奖，被誉为“当代的有机化学大师”。,1965年，我国科学家第一次实现了具有生物活性的结晶牛胰岛素蛋白质的人工合成，这对揭示生命奥秘具有重要意义； 1972年美国化学家科勒拉(H.G.Khorana，1922)等人使用模板技艺合成了具有77个核苷酸片断的DNA，其后又合成了含有207个碱基对的具有生物活性的大肠杆菌DNA； 1981年我国科学家又实现了具有生物活性的酵母丙氨酸tRNA的首次全合成，取得了又一突破。 现代化学实验除上述两方面以外，还在溶液理论的发展和化学反

9、应动力学的建立等方面发挥了重要作用。,二 化学实验手段的现代化 近30年来，计算机在化学实验中得到了卓有成效的应用，正逐步成为重要的化学实验手段。目前出现的各种仪器的联机使用和自动化，不仅用于电分析化学、谱学、微观反应动力学、平衡常数的测定、分析仪器的控制、数据的存贮与处理、以及化学文献检索等，而且还能使经典化学操作达到控制的自动化。,三 化学实验方法的现代化 随着现代化学科学研究领域的不断扩展和深入，以及现代科学技术和现代工业的迅速发展，化学实验方法日趋现代化。,1现代化学实验方法 现代化学实验方法，是在满足现代化工业生产和化学科学技术对化学试样中微量乃至痕量组分如何进行快速、灵敏、准确检测

10、的要求基础上建立和发展起来的。这些方法从原理上看，都超越了经典方法的局限性，几乎都不再是通过定量化学反应的化学计量，而是根据被检测组分的某种物理的或物理化学的特性(如光学、电学和放射性等方面的特性)，因而具有很高的灵敏度和准确性。,光学分析法。 光度法 ,光谱法 极谱法 色谱法。 质谱法 质谱法的基本原理是使化学试样中的各种组分在离子源中发生电离，生成不同荷质比的带正电荷的离子，经过加速电场的作用，形成了离子束，进入质量分析器。在质量分析器中，再利用电场和磁场，使其发生相反的速度色散，将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。这种方法在同位素质量的测定中被广泛应用。,四 化学实验规模和研究方

11、式的变化 现代化学实验在实验规模和研究方式上发生了很大变化。 最早的化学实验室大概要算炼丹术士的实验室，实验室中的实验设备和条件极其粗糙和简陋。 到了17世纪至19世纪初期，当化学成为一门独立的科学以后，化学实验室才逐渐多了起来。但这些实验室都属于私人所有，如波义耳在他姐姐家建立的实验室，化学大师贝采里乌斯的实验室是他的厨房，在那里化学实验和烹调一起进行。私人实验室的规模比较小，除实验室的主人外，最多只能容纳12个助手或12名学生。 这个时期的化学实验基本上属于个体式研究，个别的科学家独居楼阁，摆弄着烧瓶、量筒、天平等仪器，其规模和形式近似于手工业作坊。,化学与社会的密切关系,现代化学的兴起使

12、化学从无机化学和有机化学的基础上，发展成为多分支学科的科学，开始建立了以无机化学、有机化学、分析化学、物理化学和高分子化学为分支学科的化学学科。 化学与能源科学、环境科学、材料科学和生命科学的结合以及学科间的互相渗透已经取得非常显著的成绩。 至于化学对化学工程的技术革命的作用，如利用新的廉价原料，选用效率更高、能耗更低的新工艺以及开发全新的催化体系等几个方面，化学家都面临着严峻的挑战和可以一显身手的众多机会。,二、现代天文学,1. 天体物理学的发展 2. 观测手段的进步 3. 宇宙学的发展 4. 黑洞与宇宙,一、天体物理学的发展,分光术应用于天文学产生了天体分光学,1. 1666年，牛顿用三棱

13、镜将白光分成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的光。 2. 1802年，英国的沃拉斯顿在棱镜上加了一个夹缝，首先发现了太阳光谱中的吸收线。 3. 1859年，德国物理学家基尔霍夫提出了基尔霍夫定律： 每一种化学元素都有自己的光谱； 每一种元素都可以吸收它能发射的谱线。,测光术在天文学上的应用,1. 1857年，英国人普格森建立了光度与星等的基本关系式，从此开始了科学的测光工作。 2. 1859年，德国天文学家泽内尔制作了第一架近代光度计，并于1861年公布了用这架仪器测量到的226颗亮星的第一个近代光度星表。,照相术在天文学上的应用,1. 1840年，美国的德雷伯最先把照相术应用于天文观测，拍

14、摄了月亮的照片。 2. 1880年开始，美国哈佛大学天文台用物端棱镜拍摄了225，000多颗恒星的光谱照片，并按光谱把这些星分类，成为著名的哈佛光谱分类。 3. 当前，天体物理学和理论物理学迅速发展，以及它们之间日益广泛而深入地互相结合、渗透的新趋势，使天体物理学出现许多分支，为人们更深刻认识天体运行规律提供了新的理论武器。,二、观测手段的进步,1. 由于天文学研究对象的特殊性，它的现代发展离不开观测手段的改进，这里主要指射电望远镜的发展和应用。 2. 1937年，美国的雷伯制造了第一台射电望远镜，抛物面直径达9米。 3. 1942年，英国海伊用军用的超高频雷达首先发现了太阳射电。 4. 六十

15、年代天文学上的4大发现类星体、 3 K微波背景辐射、射电脉冲星和星际有机分子，都是靠射电探测工具获得的。,0,当今主要的光学望远镜， Keck、VLT、HST,当今主要的射电望远镜， Effelsberg、Arecibo 、VLA,当今主要的X射线望远镜， XMM，Chandra,宇宙论的基本问题,1. 宇宙从哪里来？又向何处去？ 2. 宇宙中的天体是如何运行的？ 3. 对于这样的问题，在人类历史上出现过多种多样的答案。 4. 譬如基督教的回答是这样的：上帝创造了宇宙以及其中的万物；天体的运行也是上帝安排好的。,三、宇宙学的发展,广义相对论,直到二十世纪初期，爱因斯坦（Albert Einst

16、ein）提出广义相对论之后，关于时间和空间的起始和终结问题，关于宇宙的创生问题，才真正变成了一个科学问题，或者说物理学问题，甚至数学问题。,广义相对论引力场方程、宇宙项,1. 爱因斯坦自己率先利用广义相对论引力场方程进行宇宙学研究。 2. 爱因斯坦发现按照他的引力场方程，算出来的宇宙是不稳定的，宇宙不是在膨胀便是在收缩。 3. 因此爱因斯坦在方程中凭空加上了额外的一个宇宙项，这个所谓的宇宙项具有斥力的效应，这样就可以用宇宙项的排斥来抵消物质的吸引。 4. 换言之，由宇宙项产生的负时空曲率能抵消由宇宙中质量和能量产生的正时空曲率。,爱因斯坦的静态宇宙模型,1. 爱因斯坦得到一个静态的宇宙模型：

17、2. 宇宙空间是封闭的，但又是无边的、无止境的。就是说宇宙是有限无界的。 3. 假如一个光子向任何一个方向辐射出去，那么它会一直在封闭的空间中传播，任何地方也不会碰到空间的边缘，最后还会回到出发地。 4. 爱因斯坦的宇宙半径大约35亿光年。,星系红移,1. 爱因斯坦在发展他的广义相对论的同时，另有一群实测天文学家，他们没有受到过太高深的数学训练，也不接触爱因斯坦的理论。但是他们用当时世界上最先进的望远镜孜孜不倦地观测天空。 2. 大概从1910年起，天文学家们在研究河外星系的光谱时，发现星系有系统的红移现象。到1917年，他们搞清楚了，除了少数几个离地球近的星系，所有其他星系都显示出红移现象。

18、星系越远，红移越显著。,哈勃定律,1. 1929年美国天文学家哈勃（Edwin Hubble）提出了著名的“哈勃定律”： 2. 星系退行的速度（V）与它们离地球的距离（R）大致成正比，即V=HR，H称为哈勃常数， 3. 现在确定其值为50公里/（秒百万秒差）。 4. 哈勃常数的倒数可以看做是宇宙年龄，不难算得宇宙年龄大概在200亿年左右。,“大爆炸理论”,1. 哈勃红移的发现证明爱因斯坦的静态宇宙模型是错误的。爱因斯坦自己也把宇宙项称作“一生中最大的错误”。 2. 后来纷纷出笼的宇宙模型都把哈勃红移考虑在内。其中以美籍俄裔物理学家伽莫夫（George Gamow）等人提出的后来被称作“大爆炸理

19、论”的最为著名。,该理论认为宇宙起源于高温 高密的“原始火球”的大爆炸。 在爆炸开始几分钟里元素从辐射 和核粒子的原初混合物中形成。 2. 该理论还预言了大爆炸的一个结果，在今天的整个宇宙中有一种剩余辐射，它各向同性，温度为绝对零度以上5度（5K）。,迪克的理论,1. 美国普林斯顿大学的迪克（Robert H. Dicke）根据伽莫夫的理论进行研究，在1964年他也预言了高于绝对零度以上几度的背景辐射。 2. 迪克的小组还开始建立一台仪器来探测这种辐射以检验这一理论。,宇宙微波背景辐射,1. 1965年贝尔电话实验室的两位工程师彭齐亚斯（Arno Penzias）和威尔逊（Robert Wil

20、son），正在校正为测试卫星通讯而设计的反射天线。 2. 他们以极大的耐心追踪和消去干扰源。但是他们发现，有一种未加解释的辐射来自天空的各个方向，对应的温度大约是3K。 3. 他们向迪克咨询引起这种辐射的可能原因，不料获悉他正在积极寻找他们已经找到的东西。 4. 宇宙微波背景辐射的发现对大爆炸理论是一个有力的支持。,微波背景辐射,来自宇宙空间背景上的各向同性的微波辐射。20世纪60年代初，美国科学家彭齐亚斯和威尔逊为了改进卫星通讯，建立了高灵敏度的号角式接收天线系统。1964年，他们用它测量银晕气体射电强度时，发现总有消除不掉的背景噪声。他们认为，这些来自宇宙的波长为7.35厘米的微 波噪声相

21、当于3.5 K。1965年， 他们又订正为3 K，并将 这一发现公诸于世，为 此获1978年诺贝尔物理学 奖金。,微波背景辐射的发现被认为是20世纪天文学的一项重大成就。它对现代宇宙学所产生的深远影响，可以与河外星系的红移的发现相比拟。当前，流行的看法认为背景辐射起源于热宇宙的早期。这是对大爆炸宇宙学的强有力的支持。早在40年代，伽莫夫、阿尔菲和赫尔曼根据当时已知的氦丰度和哈勃常数等资料，发展了热大爆炸学说，并预言宇宙间充满具有黑体谱的残余辐射，其温度约为几K或几十K。3 K微波背景辐射的实测结果与理论预期大体相符。,什么是黑洞 1795年，著名的数学家拉普拉斯曾指出：有一个发光体，它的密度与

22、地球密度一样，其直径比太阳的直径大250倍，可是由于被吸引的缘故，无法使其光线达到地球。,四、黑洞与宇宙,黑洞：黑洞是时空中这样的一个区域，任何物质一旦进入该区域，便永远不能出来。,黑洞是一种看不见的异常天体；60年代以后，成为天文上最具诱惑力的搜索对象。与一切可见天体相比，黑洞正是最强的引力场源，能使邻近处时空弯曲得相当厉害，以致把任何东西都裹卷其内，甚至光线也不能幸免。,右图形象地表示了这一点：一旋转黑洞的时空结构宛若一个大漏斗，把万物全部吞下。,以克尔黑洞为例： 克尔黑洞有一个静界和一个外视界，静界是一个旋转椭圆面，外视界是一个球面，包含在静界和外视界之间的空间称为能层。物体进入能层尚还

23、可以从中再返回到黑洞外部的空间，一旦物体进入了外视 界，便永远不能再逃出来了。,克尔黑洞静界和视界,霍金,1. 从1965年到1970年间，霍金跟彭罗斯 进行了密切的合作，证明了广义相对论的 奇性不可避免。 2. 也就是说，按照广义相对论，宇宙必然 起源于一个大爆炸奇点；同时，在黑洞中 必然存在无限大密度和无限大时空曲率的奇点。 3. 这样，时间起始于大爆炸奇点，终止于大挤压奇点（整个宇宙的坍缩）或者黑洞中的奇点（局部区域的坍缩）。 4. 这是霍金在经典广义相对论 框架里取得的一个重要成果。,黑洞不黑,1. 1970年11月霍金悟到黑洞事件视界的面积永远不会减少。 2. 美国普林斯顿大学的一位学生贝肯斯坦（Jacob D. Bekenstein）把霍金发现的黑洞面积不减跟热力学第二