物理学史5-2教学课件

1、5-1 概 述,19世纪末，经典物理已经有了相当的发展，力学、热力学和分子动理论、电磁学以及光学，都已经建立了完整的理论体系，应用上也取得了巨大成果。这时物理学家普遍认为，物理学已经发展到顶，以后的任务无非是在细节上作些补充和修正。正在这个时候（19世纪末），实验上陆续发现一系列经典物理学难以解释的事实，这使人们奉为信条的经典物理学理论陷入“危机”。解决这种矛盾成为物理学发展的动力，从而引起了物理学的一场伟大革命，导致现代物理学的诞生。,19与20世纪之交的三大发现,一幅描述1896年英国电力工业的图片,三大发现的历史渊源,三大发现都直接或间接地与阴极射线的研究有关。可用下面的流程图来表示这些

2、关联。,5-2 电子的发现,电子的发现起源于对阴极射线的观察与研究。,一、阴极射线的研究,1858年德国人普鲁克尔（18011868）在研究气体放电时发现了阴极射线。1876年，哥尔茨坦根据这一射线会引起化学作用的性质，判断它是类似于紫外线的以太波。他演示了阴极射线被障碍物挡住后，在管壁产生阴影的现象,阴极射线遇到障碍产生阴影,但是，当时权威更高的是持以太说的以哥尔斯坦、赫兹和勒纳德为代表的德国学派。以太论的观点虽然是错误的，但他们对微粒说的反驳却很有分量。P154页。,克鲁克斯演示阴极射线聚焦,1871年英国人瓦尔利（18281883）发现阴极射线在磁场中会发生偏转。克鲁克斯（1832191

3、9）证实阴极射线不但按直线前进，能聚焦，能偏转，而且还可以传递能量和动量。并认为阴极射线是一种带（负）电的粒子流。舒斯特也持这种观点，并根据阴极射线的磁偏转数据算出了带电粒子的电荷e与其质量m的比值（大约值）。他们三位形成了英国学派。,勒纳德的铝窗实验,赫兹和他的学生勒纳德（18621947）做了许多实验来证明阴极射线的以太理论。1894年勒纳德发表了他的“铝窗”实验，他在放电管的末端装上厚为0.000265厘米的铝箔作为窗口，发现从铝窗口会逸出射线，在空气中传播的距离大约10厘米。他们认为这是反驳微粒说的有力证据。,阴极射线问世后的50年间，对它的本性存在激烈的争论，两派的观点似乎以欧洲的莱

4、茵河为界：德国人赞成“以太”波动论，认为阴极射线是宇宙间存在一种静止的传播光和电磁波的媒质“以太的波动”；英国人和法国人主张带电微粒说，即认为阴极射线是粒子流动。,阴极射线的本质是什么？一时间成了科学界的热门话题，许多物理学家投入这项研究之中，希望找到问题的答案。争论持续了一二十年。这一争论促使人们做了许多实验和理论研究，引出了一系列重大成果。,二、电子的发现,关于阴极射线本性的波动说与微粒说的长期争论和不断研究，促成了英国物理学家汤姆孙（18561940）在19世纪发现了电子。,汤姆孙是英国剑桥大学卡文迪什实验室的教授。,汤姆孙从1890年起就带领他的学生研究阴极射线，1897年他完成了著名

5、的实验：测定了阴极射线的电荷与质量的比值 e / m（后来被称为电子的“荷质比”）。,汤姆孙从1890到1897年期间完成的著名实验包括：,佩兰测阴极射线的电荷（其中B是阳极，C是阴极，F是法拉第圆桶）,1、直接测阴极射线携带的电荷,1895年法国佩兰用如图所示的实验装置测阴极射线携带的电荷。,汤姆孙测电荷的装置,汤姆孙静电偏转管,汤姆孙对佩兰的实验作了改进P161页,2、使阴极射线受静电偏转,汤姆孙完成的著名实验,3、汤姆孙用几种不同的方法测阴极射线的荷质比,结果发现不同方法测得的荷质比都很相近。于是，汤姆孙得出结论：,阴极射线是由同样的带电微粒组成的，而这种微粒是一种小粒子，它是各种原子的

6、组成部分。就这样汤姆孙发现了电子。1897年8月，他把这一发现写成了长篇论文论阴极射线，10月发表在哲学杂志上。,接着汤姆孙和他的学生直接测得了阴极射线载荷子所带的电荷量，但对该电荷量最有说服力的测定是美国物理学家密立根（18681953）在19121917年利用油滴实验测出的。,电子被发现了，并且证实电子是物质更基本的组成部分。它的发现打破了原子不可再分的传统观念。而且电子是人类发现的第一个基本粒子，在物理学上具有非常重要的意义。1906年汤姆孙荣获诺贝尔物理学奖。,1913年密立根宣布从油滴测得电子电荷为 e = (4.7740.009)X10-10静电单位,汤姆孙完成的著名实验,5-3

7、X射线的发现,伦琴在做实验,X射线的发现也起源于对阴极射线的研究。作出这项重大发现的是德国维尔茨堡大学的教授伦琴。,伦琴（18451923）是一位治学严谨、造诣很深的实验物理学家。1895年11月8日的晚上，他正在做阴极射线实验，突然，他的注意力被一块荧光屏的微弱闪烁吸引住。荧光屏离放电管大约一米远。他把屏移远继续实验，屏仍然发荧光。,他把书本、木板、铝板等物品放在放电管与荧光屏之间进行实验，认定是一种穿透力很强的射线。为了确定这一新射线的存在，并尽可能了解它的特性，伦琴用了6个星期深入研究这一现象。在研究射线对铅板的穿透力过程中意外发现了自己手的骨 骼的图像。,1895年底发表了一种新射线的

8、论文。论文中记述了实验的装置及方法，并初步说明了这种新射线的一些性质：,伦琴用过的阴极射线管,（）阴极射线打在固体表面上便会产生射线；固体元素越重，产生的射线越强。（）射线是直线传播的，在通过棱镜时不发生反射和折射，不被透镜聚焦。（）与阴极射线不同，不能借助磁体（即使磁场很强）使射线发生任何偏转。（）射线能使荧光物质发出荧光。（）它能使照相底片感光，而且很敏感。（）射线具有很强的贯穿能力，比阴极射线强得多。它可以穿透千页的书，二、三厘米厚的木板，几厘米的硬橡皮等。毫米厚的铝板，不太厚的铜板、银板、金板、铂板和铅板的背后，都可以辨别荧光。只有铅等少数物质对它有较强的吸收作用，对毫米厚的铅板它实际

9、上不能透过。伦琴一次检验铅对射线的吸收能力时，意外地看到了他自己拿铅片的手的骨髂轮廓。于是他请他的夫人把手放在用黑纸包严的照相底片上，用射线照射，底片显影后，看到伦琴夫人的手骨像，手指上的结婚戒指也非常清晰，这成了一张有历史意义的照片。,射线的性质：,第一张人手 X照片,年元旦，伦琴将他的论文和第一批射线照片复制件分送给一些著名物理学家。几天之后，这个发现就传遍了全世界，在公众中引起轰动。其传播之迅速，反应之强烈，在科学史上是罕见的。射线很快就被应用于医学和金属探伤等领域，从而创立了射线学。射线究竟是一种电磁波，还是一种粒子流，曾经争论许多年。直到年德国物理学家劳厄和他的助手发现射线通过晶体后

10、产生衍射现象，才证明它是一种波长很短的电磁波。 射线的发现具有十分重大的意义，它是世纪末世纪初发生的物理学革命的开端。它的发现对于化学的发展也有重要意义：年，根据对各种元素的特征射线光谱的研究发现的莫斯莱定律，确定了元素的原子序数等于核电荷数，这对元素周期律的发展和原子结构理论的建立起了重要作用。以射线晶体衍射现象为基础建立起来的射线晶体学，是现代结构化学的基石之一。,伦琴由于发现射线，于年成为第一个诺贝尔物理学奖获得者。伦琴作出这个重大发现并非由于偶然的幸运。他的广博深厚的科学素养，周密敏锐的观察能力，顽强探索的科学精神和严谨细致的实验工作，使他具有高瞻远瞩的科学远见，能迅速地揭示出并捕捉住

11、前人所未注意的有重要价值的新现象，紧紧抓住这种现象进行深入研究，终于取得成功。,伦琴射线的发现对物理学进一步的发展产生深远的影响，它展示了物理学尚有亟待探索的未知领域，并为认识物质的微观结构提供了重要的途径，为了表彰伦琴的杰出贡献，1901年11月12日，瑞士皇家学院在斯德哥尔摩授予伦琴1万多元的诺贝尔奖金，一枚奖章和一张获奖证书。伦琴成为第一位诺贝尔物理学奖的获得者。,X射线的发现对物理学的发展产生深远的影响 P157页,5-4 天然放射性的发现,X射线的发现很快导致了天然放射性的发现。,一、1896年贝克勒尔发现天然放射性,年法国著名数学家和物理学家彭加勒（Poincare,H.1854-

12、1912）注意到射线是从受阴极射线轰击而发出荧光的玻璃管壁上产生的。他提出是不是所有能强烈地发荧光和磷光的物质都能发射出射线。法国物理学家亨利贝克勒（Becquerel,H.A.1852-1908）由此受到启发 ，立即开始研究究竟有哪些荧光和磷光物质能发射射线。他把许多磷光和荧光物质一一放在密封照相底片上置于阳光下曝晒，底片都没有感光。他想起十五年前和他父亲一起制备的磷光物质硫酸铀酰钾晶体，于是他把一块这种晶体放在日光下曝晒，直到它发出很强的荧光，然后把它和用黑纸包封的照相底片放在一起，发现底片感光了。他错误地认为这种晶体发射射线。年月日他向法国科学院报告了这一实验，认为射线与荧光有关。,贝克

13、勒尔在做实验,月日，贝克勒把在抽屉里和铀盐放在一起的一张密封的底片拿去冲洗，显影后发现一件奇怪的事：这张底片已经感光，上面有很明显的铀盐的象，和刚经过日晒的铀盐产生的影象同样清晰。究竟日晒和荧光对于铀盐发出的这种神秘射线有没有关系呢？于是他亲自用纯试剂合成一些硫化物荧光物质，并设法加强它们的磷光，但它们日晒后都不能使底片感光。经过几个月的反复试验，贝克勒确信使底片感光的真实原因是铀和它的化合物不断地放射出一种奇异的射线，日晒与荧光都与照相底片感光无关，他把这种射线称为“铀射线”。,年月日，贝克勒宣布：发射铀射线的能力是铀元素的一种特殊性质，与采用哪一种铀化合物无关。铀及其化合物终年累月地发出铀

14、射线，纯铀所产生的铀射线比硫酸铀酰钾强三至四倍。铀射线是自然产生的，不是任何外界原因造成的（光照、加热、阴极射线激发等不需要），所以既与荧光无关，也和射线不同。铀射线能穿透过黑纸使照相底片感光，能使空气电离，使验电器放电，这些性质与射线相同。但它的穿透能力不如射线，它不能穿透肌肉和木板。,贝克勒尔的第一张放射性照片,铀射线的发现，立即引起科学界的极大兴趣。当时在巴黎大学攻读博士学位的居里夫人，即玛丽斯克洛多芙斯卡（Sklodowska,M.1867-1934），决定选择铀射线的本质和来源问题作为自己的博士论文题目。年她开始研究。要深入研究铀射线的本质，首先要有一台能精确测量铀射线强度的仪器。玛

15、丽的丈夫、法国物理学教授居里（Curie,P.1859-1906）设计了一个灵敏而简易的铀射线检验器 。经过几周的研究，玛丽先弄清楚了铀射线的强度与试样中铀的浓度成正比，而与含铀化合物的化学组成无关，也不受外界光照和温度起落的影响。由此可以确认这种辐射是铀原子一种特性。年，她和德国人施米特（Schmidt,G.C.1856-1949）分别发现钍元素也具有这种性质，表明这种性质并非铀元素所独有 。于是玛丽建议把这种性质叫做“放射线”，把具有放射线的元素如铀和钍叫做“放射性元素”。,贝克勒尔由于只停留在研究铀辐射的性质上，没有普查各种元素是否有类似的行为，因而错过了发现新放射性元素的机会。天然放射性的发现，标志着原子核物理学的开端。贝克勒尔和居里夫妇共同获得1903年的诺贝尔物理学奖。,二、钋（Po)和镭（Ra）的发现,贝克勒尔的发现由于居里夫妇的工作迅速地扩