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1、现代物理学革命,1,现代物理学,主讲：蒋淑丽,现代物理学革命,2,世纪之交科学家眼中的物理学,19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上汤姆森（W. Thomson, 1824-1907）发表新年祝词。 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。,现代物理学革命,3,世纪之交科学家眼中的物理学,开尔文的世纪回顾： 1900年4月27日开尔文（Lord Kelvin）在皇家研究所（RI）发表了在热和光动力理论上空的19世纪乌云的演讲。其中说道“动力学理论断言，热和光都是运动的方式。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
2、动的两种方式，但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色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。 正是这“两朵乌云”和“三大实验发现”引起了“物理学革命”。,现代物理学革命,4,第一节 19、20世纪之交物理学三大发现,X射线的发现 放射性的发现 电子的发现,现代物理学革命,5,现代物理学革命的开始,1895年，物理学已经有了相当的发展，几个主要部门-牛顿力学、热力学和分子运动论、电磁学和光学，都已经建立了完整的理论，在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了，以后的任务无非是在细节上作些补充和修正而
3、已，没有太多的事好做了。 X射线的发现唤醒了沉睡的物理学界。它像一声春雷，引发了一系列重大发现，把人们的注意力引向更深入、更广阔的天地，从而揭开了现代物理学革命的序幕。,现代物理学革命,6,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。,现代物理学革命,7,一、X射线的发现,18
4、95年11月10日，德国物理学家伦琴（Rontgen，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。,现代物理学革命,8,偶然性？,X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。 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。,现代物理学革命,9,二、放射性的发现,伦琴发现的X射线引起法国物理学家贝克勒尔（A.H. Becquerel, 1852 -1908）的兴趣。 因为伦琴是通过荧光材料所发出的荧光而发现
5、X射线的，所以贝克勒尔想知道是否有荧光材料放出X射线。,现代物理学革命,10,太阳光下实验,1896年2月，贝克勒尔把感光片包在黑纸里放到太阳下，再把荧光物质的晶体压在上面。 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暴光。 结果：底片冲洗后，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。,现代物理学革命,11,阴天的实验,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。 结果：底片上有很多的阴影。显然，这阴影与太阳无关、与荧光无关，而与晶体本身有关。 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
6、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。,现代物理学革命,12,X射线和铀的放射性激发了居里夫人（Marie Curie，1867-1934）对放射线的研究兴趣。 居里夫人首先证实了贝克勒尔关于铀盐辐射的强度与化合物中铀的含量成正比的结论，但她不满足于局限在铀盐，决定对已知的各种元素进行普查。,现代物理学革命,13,钋和镭的发现,1898年7月居里夫妇从铀矿中分离出放射性比铀强数百倍的物质。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) 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
7、了无数次的结晶处理，终于成功地制出0.1克的镭。,现代物理学革命,14,因对放射线的研究，1903年居里夫人和她的丈夫、贝克勒尔分享了该年度的诺贝尔物理学奖； 1911年她又因发现两种新元素而获得诺贝尔化学奖。,现代物理学革命,15,放射性物质发现的重要意义,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？,现代物理学革命,16,放射性物质发现的重要意义,1898年，卢瑟福(E. Rutherford)通过吸收实验证明铀辐射穿透力弱的称为射线，穿透力强的称为射线。 1899年，贝克勒尔证实射线能被磁场偏转，其行为与阴极射线相似。 1900年，法国化学家维拉德(P.Villar
8、d)发现在铀辐射中还有另一种成分，穿透力更强，称为射线。 从1902年起，卢瑟福和索第(FSoddy)等人研究。射线和放射性物质的规律，终于导致原子核嬗变规律和原子核的发现。,现代物理学革命,17,三、电子的发现,阴极射线：大的波动还是带电粒子流？ J.J.汤姆生(J.J.Thomson) 直接测阴极射线携带的电荷 使阴极射线受静电偏转 用不同方法测阴极射线的荷质比 证明电子存在的普遍性,现代物理学革命,18,JJ汤姆生把联到静电计的电荷接受器(法拉第圆桶)安装在真空管的一侧，平时没有电荷进入接收器。 用磁场使射线偏折，当磁场达到某一值时，接收器接收到的电荷猛增，说明电荷来自阴极射线。,直接测
9、阴极射线携带的电荷,现代物理学革命,19,使阴极射线受静电偏转,汤姆生重复了赫兹的静电场偏转实验，注意到在刚加上电压的瞬间，射束轻微摆动。这是由于残余气体分子在电场的作用下发生了电离，正负离子把电极上射线所带电荷的实验装置的电压抵消掉了。显然这是由于真空度不够高的原因。 他在实验室技师的协助下努力改善真空条件，并且减小极间电压，终于获得了稳定的静电偏转。,现代物理学革命,20,用不同方法测阴极射线的荷质比,测量阳极的温升，因为阴极射线撞击到阳极，会引起阳极的温度升高。 JJ汤姆生把热电偶接到阳极，测量它的温度变化。根据温升和阳极的热容量可以计算粒子的动能，再从阴极射线在磁场中偏转的曲率半径，推
10、算出阴极射线的荷质比与速度。,现代物理学革命,21,汤姆生还用不同的阴极和不同的气体做实验，所得荷质比数量级相同，证明各种条件下的粒子流都是相同的，不因电极材料和气体成分而异。 Thomson被认为是电子的发现者，并因此获得1906年诺贝尔物理学奖。此后他的七个助手先后都获得过诺贝尔奖。,证明电子存在的普遍性,现代物理学革命,22,三大实验发现诱发了经典物理学危机,三大实验发现打开了经典物理学的缺口 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； 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； 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
11、变化而变化，质量似乎不守恒了；,现代物理学革命,23,三大实验发现诱发了经典物理学危机,三大实验发现打开了经典物理学的缺口 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； 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。,现代物理学革命,24,三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。,三大实验发现诱发了
12、经典物理学危机,现代物理学革命,25,第二节 量子物理学的研究,量子理论（扎扎实实的科学作风） 量子力学（现代高科技的基石之一）,现代物理学革命,26,原子模型,汤姆逊原子模型 正电荷背景电子（正电荷背景（正电荷均匀分布），电子镶嵌） 卢瑟福原子模型 （行星模型或核式模型）,一、原子模型与量子理论,现代物理学革命,27,原子模型,玻尔原子模型(玻尔假说)：原子核外电子各自在固定轨道上绕核转动，且无电磁辐射；当电子从一轨道跃迁到另一轨道时，放出（或吸出）能量为的光子, 其中为光子频率。,h = 6.6310-34焦耳秒 普朗克常数,现代物理学革命,28,二、量子论的发展过程,普朗克黑体辐射假说：
13、电磁辐射的能量交换是量子化的，即 ，n = 1，2，3， 光电效应（爱因斯坦,1905年）：光是由无静止质量的微粒（光子）组成的。 德布罗意波粒二象性假说 ：任何微观粒子既是一种粒子，又是一种波动。,现代物理学革命,29,（一）量子论的初期 1、普朗克能量子假说,1900年普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难，引入了能量子概念，为量子理论奠下了基石。 “紫外灾难”：科学家们致力于建立辐射强度与光波长之间的函数关系。但在长波区和实验结果符合，而当波长接近紫外时，计算出的能量为无限大! 普朗克认为物体在发射辐射和吸收辐射时，能量是不连续的，这种分离变化不是随意的，它有最小的能量单元，该单元
14、称为能量子或者量子。物体发射和吸收的能量只能是能量子的整数倍。,现代物理学革命,30,2、爱因斯坦光量子论,爱因斯坦针对光电效应实验与经典理论的矛盾，提出了光量子假说，并在固体比热问题上成功地运用了能量子概念，为量子理论的发展打开了局面。 爱因斯坦认为，能量的不连续性可以推广到辐射的空间传播过程。光在传播时，能量不连续地分布于空间，由分离的能量子组成，这些能量子称为光量子。 爱因斯坦认为他的光量子理论是波动及发射理论的一种融合。1909年他进一步指出光不仅具有粒子性而且具有波动性，即光具有波粒二象性。,现代物理学革命,31,3、玻尔的原子理论,1913年，玻尔在卢瑟福有核模型的基础上运用量子化
15、概念，提出玻尔的原子理论，对氢光谱作出了满意的解释，使量子论取得了初步胜利。随后，玻尔、索末菲和其他物理学家为发展量子理论花了很大力气，却遇到了严重困难。旧量子论陷入困境。,现代物理学革命,32,（二）量子论的建立,1923年，德布罗意提出了物质波假说，将波粒二象性运用于电子之类的粒子束，把量子论发展到一个新的高度。 1925年-1926年薛定谔率先沿着物质波概念成功地确立了电子的波动方程，为量子理论找到了一个基本公式，并由此创建了波动力学。 几乎与薛定谔同时，海森伯写出了以“关于运动学和力学关系的量子论的重新解释”为题的论文，创立了解决量子波动理论的矩阵方法。,现代物理学革命,33,德布罗意
16、于1924年提出，微观粒子也具有波动性，根据光波与光子之间的关系，把微观粒子的粒子性质（能量E和动量p）与波动性质（频率和波长）用所谓德布罗意关系联系起来了，即 E= h，p=h/。,波粒二象性,现代物理学革命,34,（二）量子论的建立,1925年9月，玻恩与另一位物理学家约丹合作，将海森伯的思想发展成为系统的矩阵力学理论。不久，狄拉克改进了矩阵力学的数学形式，使其成为一个概念完整、逻辑自洽的理论体系。 1926年薛定谔发现波动力学和矩阵力学从数学上是完全等价的，由此统称为量子力学，而薛定谔的波动方程由于比海森伯的矩阵更易理解，成为量子力学的基本方程。,现代物理学革命,35,三、量子力学基本方程,薛定谔方程,适用于一切微观低速物理现象： 原子结构，元素周期律，分子结构，化学反应，原子分子光谱，激光，超导，晶体管，介观纳米物理，原子激光,现代物理学革命,36,四、量子理论的科学思想,量子论是现代物理学的两大基石之一。 量子论给我们提供了新的关于自然界的表述方法和思考方法。 量子论揭示了微观物质世界的基本规律，为原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学奠定了理论基础。 它能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收与辐射等。,
