世纪之交的物理学

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1、世纪之交的物理学世纪之交的物理学第七章 世纪之交的物理学教学目的与要求：掌握：二十世纪初经典物理学上的两朵乌云；伦琴是如何发现 X 射线的；天然放射形的发现过程；电子是如何发现的；熟悉：二十世纪初经典理论的危机情况。教学重点，难点：二十世纪初经典物理学上的两朵乌云；伦琴是如何发现 X 射线的；天然放射形的发现过程；电子是如何发现的。则法拉第圆桶所获得的电量为：，进入法拉第圆桶内的粒子的动能因碰撞全部转变为热，则其动能大小可由温度计的温升测算得到，其量值应为：。射线在磁场中偏转（半径 R）有下述关系：，由上面三式可得：。这样 J.J.汤姆逊测得：厘米，电磁单位/克。证明电子存在的普遍性：J.J.

2、汤姆逊用不同材料做阴极，并用不同的气体做实验，结果荷质比具有同一数量级，证明各种条件下得到的都是同样的带负电的粒子流，与电极材料无关，与气体成分也无关。1897 年发表论文论阴极射线 ，“阴极射线的载荷子比起电解的氢离子，m/e 小的多。原因可能是 m 小或 e 大或兼有之“。他从勒纳德实验结果知道，阴极射线在空气中的穿行距离可达 1厘米，而空气分子的平均自由程仅有 10-5 厘米，因此阴极射线的质量一定比空气分子小的多。其他实验验证：1）光电效应中产生的光电流1887 年赫兹发现光电效应，但对产生的光电流的本质不清楚。1899 年，J.J.汤姆逊用磁场偏转法测量了产生的光电流的荷质比，结果与

3、阴极射线近似。2）热电效应中的负离子热电效应是 1884 年爱迪生发现的，他在研制白炽灯时，发现灯泡里的白炽碳丝加热后有负电逸出。1899 年，J.J.汤姆逊同样用磁场截止法测量了荷质比，结果也和阴极射线一致。3） 射线的测定1898 年卢瑟福发现了 射线，不久，贝克勒尔用磁场和电场偏转法测得 射线的荷质比和速度，证明和阴极射线相同。J.J.汤姆逊在掌握大量实验事实的基础上，于 1899 年果断地做出结论：）不论是阴极射线、 射线还是光电流，都是电子组成的；）不论是由于强电场的电离、正离子的轰击、紫外光的照射、金属受灼热还是放射性物质的自发辐射，都发射出同样的带电粒子-电子；）这种带电粒子比原

4、子小千倍，可见，电子是原子的组成部分，是物质的最基本电位。文章中， J.J.汤姆逊用“电子“一词来表示构成阴极射线的这些“载荷子“。 （“电子“一词原是由斯坦尼 1891 年提出，用来表示电的自然单位）3电子电量和质量的测量-油滴实验J.J.汤姆逊的研究生 汤森德、H.A.威尔逊、C.T.R.威尔逊等在测量阴极射线粒子带电量方面都做出了贡献。但最有说服力的是罗伯特密立根的油滴实验。密立根在 1906 年重复 H.A.威尔逊的实验时测得 e4.0310-10 静电单位，1913 年，他用油滴实验测得 e=(4.7740.009)10-10 静电单位。后来经不断改进和重复测量，1917 年公布的结

5、果为：e=(4.7700.009)10-10 静电单位。于是由荷质比得 电子的质量为 me=（1/1830）mH1901 年考夫曼(Walther Kaufmann,1871-1947)用 射线作实验，证实电子的质荷比随速度的增大而增大。证明了电子质量随速度变化的事实。4意义宣告了原子是可分的。为进行电子和原子的研究开创了新的实验技术。JJ汤姆逊于 1906 年获诺贝尔奖。二 X 射线的发现1伦琴(Wilhellm Konrad Rontgen,1845-1923)德国物理学家。1865 年进入瑞士 苏梨士工艺学院学习机械工程，曾跟著名物理学家克劳修斯及孔脱学习。1869 年获博士学位，先后在

6、几所大学从事教学和晶体、光学、电磁学的研究工作。1888年任维尔茨堡大学教授，1894 年担任校长。19 世纪末，阴极射线的研究正方兴未艾，一向治学严谨的伦琴教授，也致力于这个问题的研究。2X 射线的发现过程当赫兹和勒纳德发表了论阴极射线穿透力的论文后，德国物理学家伦琴重复了勒纳德的实验，发现阴极射线确实能穿透铝箔在空气中穿行几厘米，并使涂有铂氰化钡的荧光屏产生荧光。后来，他又改用没有铝箔窗口的克鲁克斯管进行实验，也发现了荧光。可是根据勒纳德实验，阴极射线是不能穿透玻璃的，这一现象促使伦琴将实验进行下去。1895 年 11 月 8 日晚，为了防止外界紫外线和可见光的影响，他把实验室的窗户用黑布

7、遮好，为防止管内可见光漏出管外，又用黑纸将放电管包起来，他意外的发现一米外的荧光屏上发出闪光，将荧光屏移远继续做实验，荧光屏上的闪光仍随放电过程的节拍断续出现。他用书、木版、铝片等物挡在放电管和荧光屏之间，荧光屏上仍能发出不同强度的闪光。伦琴意识到这是一种不同于阴极射线的新射线。为了确证这一新射线，并尽可能的了解其特性，伦琴用了 6 个星期深入研究这一现象，并于 1895 年 12 月 28 日写成论文论一种新的射线递交给维尔茨堡物理医学学会。这一论文在三个月内被印行了五次，第五版同时用英、法、意、俄等文印出。1896 年 3 月送出第二篇论一种新的射线（续） 。1897 年 3 月又送出第三

8、篇关于 X 射线性质的进一步观察 。在论文中伦琴总结了射线的性质：新射线由阴极射线打在固体表面产生，固体元素越重产生的射线越强；新射线沿直线传播，不被棱镜反射和折射，不被磁场偏转；新射线具有很强的穿透力，对所有的物质几乎都是透明的；新射线可使荧光物质发光，使底片感光，具有透视的功能。由于这种射线的本质尚无人所知，故将其称为 X 射线。直到 1912 年，德国物理学家劳厄从晶体衍射的发现才判定 X 射线是频率极高的电磁波。不久，莫塞莱证实它是由原子中内层电子跃迁所发出的辐射。1901 年，伦琴获首届诺贝尔物理奖，他是当之无愧的。3伦琴射线发现的意义由于 X 射线与原子中内层电子的跃迁有关，这说明

9、了物理学还存在亟待搜索的未知领域。X 射线本身在医疗、研究物质结构等方面都有很多的实用价值。4严谨的科学态度所结出的丰硕之果哥尔茨坦（E.Goldstein)：1880 年，哥尔茨坦在研究阴极射线时就注意到在阴极射线的管壁上会发出一种特殊的辐射，使管内的荧光屏发光，但他认为这就是以太波动。克鲁克斯：1887 年，克鲁克斯发现放在阴极射线管旁边的底片变黑了，他认为是底片质量问题，把底片退还给了厂家。J.J.汤姆逊：1894 年 J.J.汤姆逊在测量阴极射线的速度时，也作了观察到 X 射线的记录。他当时没有时间研究这一问题，只是在论文中提了一句，说看到放电管几英尺远处的玻璃管上也发出了荧光。斯密士

10、(G.Smith)：1895 年英国牛津一位物理学家斯密士发现放在克鲁克斯管旁的盒子里的底片变黑了，但他只是让助手把盛底片的盒子放在别处保存。勒纳德：是研究阴极射线的权威之一，在研究阴极射线时也遇到了 X 射线，但他却认为是速度无限大的阴极射线。三 天然放射性的发现1铀盐放射性的发现贝克勒尔 (1852-1909)生长在法国巴黎，家庭中有许多学者。祖父和父亲都是固体磷光专家，从事研究工作有 60 年的历史，贝克勒尔早期从事光学研究，43 岁开始研究放射现象。铀盐的实验伦琴的发现，使贝克勒尔联想到，天然荧光物体是否也能产生X 光那样的放射现象呢？(a)首先他将照相底片用黑纸包好，然后放在荧光物质

11、下面，结果底片并没有感光；(b)后来他又选择了硫酸钾铀酰作为实验材料，并且放在太阳底下暴晒（暴晒可使荧光物质发出更强的荧光） ，结果发现底片感光了。用玻璃挡在该铀盐和底片之间，底片同样暴光。1896 年 2 月 24 日，他向科学院报告：“磷光物质能射出穿透不透光的黑纸的辐射。“ (c)后来由于天气连续阴雨连绵，贝克勒尔不得不把用黑纸包的感光底片与铀盐一起锁进了抽屉，结果在 3 月 1 日实验前检查底片时，底片仍旧被铀盐感光了，贝克勒尔认真分析了这一现象，得出结论：使底片感光的射线与日晒和荧光无任何关系，它是铀盐自身产生的辐射现象，于是第二天，他在科学院的例会上公布了这一重大发现。进一步的研究

12、发现：只要有铀元素存在，就有这种贯穿辐射产生，与采用哪种铀的化合物无关，与温度等外界因素无关。这种射线和 X 射线一样，能穿透一切物质，并使气体电离。人们称之为“贝克勒尔射线“。.意义贝克勒尔射线的发现，是人类第一次发现某些元素自身也具有自发辐射现象，引起了人们对原子核问题的关注。贝克勒尔获 1903 年诺贝尔奖。2钋和镭的发现居里夫人(1867-1934) 波兰中学毕业获金质奖章，由于波兰当时女子不能上大学，做了 8 年家庭教师，筹了费用，于 1891 年到法国巴黎，进入法兰西共和国大学理学院学习。1893 年获物理硕士学位，次年又获得数学硕士学位。1894 年与法国物理学家皮埃尔居里相恋。

13、1903 年获诺贝尔物理奖，1911 年获诺贝尔化学奖。皮埃尔居里，法国物理学家，从小聪慧过人，16 岁获学士学位，18 岁获硕士学位，24 岁被担任巴黎市立理化学校物理实验室主任。曾与哥哥约克共同发现了晶体的压电效应，发明了测量微量电量的压电石英静电计-“居里计“。后来从事磁学研究，发现磁性消失的温度-“居里点“。钋的发现首先居里夫人用石英静电计对铀发出的射线的电离性质进行了精密测量。证实了铀的辐射强度只与化合物中铀的含量成正比，而与化合物中其他元素以及铀所处的物理、化学条件无关。居里夫人认为这说明辐射只是一种原子过程。居里夫人认为:不应只有一种元素能自发辐射，其他元素也可能有同样的性质。居

14、里夫人系统的研究了当时已知的各种元素和化合物，1898 年她与德国德施莱特同时发现，“钍“也具有与铀类似的辐射，并建议把这种性质叫做“放射性“。在对铀和钍的混合物进行测量时，辐射强度比预期的要强的多。她认为混合物中一定含有其他目前尚未知道的放射性元素。于是先将矿物进行化学分离，再用石英静电计分别测量各组成部分的辐射强度，在此过程中居里意识到这项工作的重要性，放下自己正在从事的晶体研究工作，与妻子一起投入到放射性的研究中。1897 年 7月，他们终于从铀矿渣中提炼出了钋，它比纯铀放射性强 400 倍!居里夫人自传中写到:“为达到这样的目的，设备是极其简陋的，我们没有资金，没有适宜的实验室，没有任

15、何帮助，就好像平地起家一样。“镭的发现但是钋的放射性比预期的仍然低，继续实验，1898 年 12 月，又发现了比铀的放射性强 200 多万倍的新元素-镭 (radium) !有人不相信:“镭的原子量是多少?镭在哪里?“为了消除人们的怀疑，他们决心提炼出纯镭，镭矿渣非常贵，奥地利送了一吨，在低矮的棚屋里，居里夫妇从 1899 年至 1902 年，花了 45 个月的时间，历时四年，经过几万次的提炼，终于从 8 吨矿渣中提炼出 0.12 克的氯化镭，从中找到了两根特征光谱线，并宣布镭的原子量为 225!.科学属于全人类镭可以治狼疮和癌肿，0.1 克镭就值 75 万金法郎!一个美国公司想收买专利，都被

16、生活并不富裕的居里夫妇谢绝了。他们认为:我们发现了科学，又把它据为己有，这违反科学精神，再说镭能治病，我们就更应该无条件地献出它的秘密!然而，居里夫人由于长期接触放射性物质，患了恶性贫血症，她的丈夫和战友居里1906 年死于车祸，居里夫人在精神打击和身体折磨的双重压力下，仍然初衷不改，献身于科学事业。她的高风亮节，赢得了人们的敬重。她的女婿约里奥（1900-1958）在 50 年代用仪器检测她当年的实验记录本，发现全部污染了放射性物质，她当年用过的烹调书，50 年后再检查，仍然有放射性。1934 年，居里夫人去世；1956 年她的女儿伊伦居里（1897-1956）也死于恶性贫血；1958 年女婿约里奥也因放射性辐射而去世。居里夫人的一家全部都献给了这壮丽的伟大事业。3.、 射线的发现镭的发现促进了对放射性的进一步研究，并相继发现了一些新的放射性元素，如锕等。进一步的工作就是要探索放射性的本质及其规律。更多的科学家开始了这方面的研究，其中贡献