7物理学革命和现代科学的产生

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1、第三部分 现代自然科学物理学革命及现代科学的产生(19世纪末20世纪初)n 19世纪理论科学的巅峰状态及其隐含的危机以物理学 最为典型，牛顿力学无比强大的理论威力，光学、电磁学 、力学的统一使物理学显示出一种形式上的完整，被誉为 “一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽庙堂”。当 时许多物理学家认为：物理学的大厦已经落成，人类对自 然界的认识已经到了尽头。以致普朗克的老师曾劝他说“ 年轻人，物理学是一门已经完成了的科学，不会再有多大 的发展了，将一生献给这门学科，太可惜了。”如果说19世纪是科学的世纪的话， 20世纪则被称作是科学革命的世纪！世纪之交科学家眼中的物理学开尔文的世纪回顾n19世纪

2、的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上英国著 名物理学家开尔文发表新年祝词。n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。n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。物理学革命n19世纪末，物理学界连续发生了三个重大事件，这就是X射线、放射性和电子的发现。 n“物理学危机”。n正是这“两朵乌云”和“三大实验发现”引起了“物理学革命”。现代科学的产生n物理学晴朗天空的“两朵乌云”

3、以及 19世纪末物理学的三大实验发现把物 理学由经典阶段推进到现代阶段。n“以太漂移”的零结果、“紫外灾难”nX射线、放射性、电子的发现 n相对论和量子力学构成现代物理学的 两大理论支柱。两朵乌云n以太漂移：以太被称为一种介质，按照当时科学 界的说法，人们可以由光速在不同方向的差异， 判定一个惯性系相对于静止以太的运动状态，并 确定以太的存在。实验却明白无误地表明，光速 是完全不变的（“以太漂移”的零结果）。n紫外灾难：黑体是物理学中为了研究物体吸收和 辐射规律而构造的一种理想模型，能百分之百吸 收辐射到它上面的电磁波，同样温度下，它所发 出的热辐射也比其它任何物体都强。德国维恩和 英国瑞利得

4、到相反的公式、结果而无法解释（黑 体辐射实验）。19世纪末物理学的三大发现n1895年, 伦琴发现X射线. (伦琴, W. C. Rontgen, 1845-1923, 德国物理学家, 1901年 获首届诺贝尔物理学奖)n1896年, 贝克勒尔发现放射性. (贝克勒尔, H. A. Becquerel, 1852-1908, 法国物理学家, 1903年同居里夫妇 一起 获诺贝尔物理学奖.)n1897年, 汤姆生发现电子. (J. J. Thomson, 1856-1940, 英国物理学家, 1906年获诺贝尔 物理奖.)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

5、 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n1895年11月10日， 德国物理学家伦琴（ 1854-1923）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射线伦琴伦琴 19011901年诺贝尔物年诺贝尔物 理学奖理学奖 XX射线的发现射线

6、的发现偶然性？nX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。n真正的科学发现必须是在受控实验中获得，能够普遍重复并不断接受检验，运用实验家的技巧和理论家的头脑将一个偶然现象变成真正的科学发现。n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n伦琴发现的X射线引起法国物 理学家贝克勒尔（1852-1908 ）的兴趣。n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所有荧 光材料都能放出X射线。太阳光下1. 1896年2月，贝克勒尔把感光片包在

7、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曝光。 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

8、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。居里夫人在1898年把这种现象命名为放射 性。居里夫人n居里夫人（1867-1934）生于 波兰，法国科学家。X射线和铀 的放射性激发了她对放射线的研 究兴趣。n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。n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。钋和镭1. 1898年7月居里夫妇从铀矿中分离出一小点新 元素的粉末，这种新元素被命名为钋，放射性 比铀强数百倍，但还不足于说明一些铀

9、矿石强 烈的放射现象。 2. 1898年12月居里夫妇检测出了放射性更强的 物质，并把它命名为镭。 1902年他们经过了 无数次的结晶处理，用了三年零九个月，终于 成功地从8吨废沥青中提炼出0.1克镭。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年的居里夫人两个诺贝尔奖n1903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；

10、n1911年她又因发现两种 新元素而获得诺贝尔化 学奖。n两次获诺贝尔奖，仅仅 为了不影响普通的教学 工作，她没有出席颁奖 仪式。居里夫妇在1903年获得的诺贝尔奖证书n她是巴黎大学第一位女教授，是 法国科学院第一位女院士，同时 还被其他15个国家聘为科学院院 士。她共接受过7个国家24次奖金 和奖章，担任了25个国家的104个 荣誉职位。n1934年7月4日，这位伟大的科学 家因长年研究放射性物质，患血 液疾病与世长辞了，根据遗愿， 她的葬礼只有家人和几位朋友参 加。爱因斯坦在悼念她时说： “她一生中最伟大的科学 功绩证明放射性元素 的存在，并把它们分离出 来所以能取得，不仅 是靠着大胆的直

11、觉，而且 也靠着在难以想象的极端 困难情况下工作的热忱和 顽强。这样的困难，在实 验科学的历史中是罕见的 。”放射性物质发现的重要意义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 电的射线和带负电的射线 组成的。发现发现 和和 射线的实验射线的实验3.电子的发现英国物理学家汤姆生（1856-1940）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 电粒子。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）。3.电子的发

12、现1.汤姆生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。 2.后来洛伦兹把这种阴极射线粒子叫做电子。 3.汤姆生被认为是电子的发现者，并因此获得1906 年诺贝尔物理学奖。 4.汤姆生还是一位卓越的教师和科研事业领导人， 此后他的七个助手先后都获得过诺贝尔奖。三大实验发现诱发了经典物理学危机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； 第

13、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。三大实验发现诱发了经典物理学危机1. 三大实验发现打开了经典物理学的缺口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。经典物理学的危机n 以牛顿力学为代表的经典物理学无法解释19世纪 末以来的

14、物理学新发现，如：微观世界，原子，宇宙 放射线，高速光学元素的放射性、电子运动、黑体辐 射、光电效应等，看来经典物理学的绝对时空观已经 不合时宜。n 这种状况随着20世纪以来科学研究的不断深入而 日益显现，如神秘的“以太”一直不能被证明是存在的 、高速运动的微观粒子发生的现象非经典力学所能解 释等。物理学只有来一番彻底的革命，才能适应科学 研究的新形势。在这种背景下，相对论与量子论应运 而生。相对于牛顿的经典物理学(力学)而言的; 量子论和相对论是现代物理学的两大支柱;两大理论的提出者分别是：n德国理论物理学家普朗克n美籍德国科学家爱因斯坦爱因斯坦和量子理论的创始人普朗克 普朗克生于基尔。18

15、79年普朗克在慕尼黑大学获得博士学位后，先 后在慕尼黑大学和基尔大学任教。 1900年12月14日提出量子概念。由于 量子论创立，普朗克获得1918年诺贝 尔物理学奖。他的父亲是一位杰出的 法律教授。普朗克是德国人所具有的 最好品质的范例：诚恳、忠于职守， 他的业余爱好是音乐，在这方面表现 了专业艺术才干；另一项业余爱好是 他一直坚持到晚年的登山运动。 普朗克42岁21岁的爱因斯坦大学毕业，没人肯留下他在校做理论 或实验方面工作，前途黯淡15岁的玻尔正在哥本哈根的中学里读书13岁的薛定谔在维也纳的一所著名的高级中学上学波恩进入了布雷斯劳大学，疯狂喜欢上了天文德布罗意当时8岁，对历史有浓厚兴趣而

16、再过12个月，小海森堡呱呱坠地1900，德国物理学家普朗克分析维恩、瑞利矛盾的两个公式， 拼出新公式，提出“能量子假说”，他认为，物质的辐射能不 是连续的，而是以最小的、不可再分的能量单位即能量子的整 数倍跳跃式地变化的。 1905，爱因斯坦为解释赫兹光电效应（1887）；提出“光量子 ”概念，揭示光的波粒二象性。 量子论的进一步发展源于对原子结构问题的研究。1913，玻尔 把量子论用于原子结构的研究，证实原子是由带正电的原子核 和带负电的电子组成。在此基础上创立了原子的量子论。 1924，德布罗意基于光的波粒二象性提出“物质波”假说，微 观粒子的波粒二象性； 两条途径完成量子力学理论的建立，德国物理学家海森伯及玻 恩的矩阵力学和薛定谔波动力学，同一理论的两种数学表达。量子力学的建立黑体：能全部吸收外来电磁波的物体。黑色物体或开一小孔的空心 金属球近似于黑体。 黑体辐射：加热时，黑体能辐射出各种波长电磁波的现象。经典理论与实验事实间的矛盾：经典电磁理论假定，黑体