近现代物理学引论

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1、近现代物理学引论,由伽利略(15641642)和牛顿(16421727)等人于17世纪创立的经典物理学，经过18世纪在各个基础部门的拓展到19世纪得到了全面、系统和迅速的发展达到了它辉煌的顶峰。到19世纪末，已建成了一个包括力、热、声、光、电诸学科在内的、宏伟完整的理论体系。特别是它的三大支柱经典力学、经典电动力学、经典热力学和统计力学已臻于成熟和完善，不仅在理论的表述和结构上已十分严谨和完美，而且它们所蕴涵的十分明晰和深刻的物理学基本观念，对人类的科学认识也产生了深远的影响。,到19世纪末，经典物理学理论体系的大厦巍然耸立，使人们普遍产生了一种错觉，认为物理学的发展已经完成，人们对物理世界的

2、解释已经达到了终点，宇宙万物必然按照由精美的数学方程所表达的物理学定律永远运动下去。 著名德国物理学家基尔霍夫曾表示：“物理学将无所作为了，至多只能在已知规律的公式的小数点后面加几个数字罢了。”,在刚刚跨入20世纪的第一天，英国著名的物理学家开尔文在元旦献词中曾经说过： “在已经建成的大厦中，后辈物理学家只能做一些零碎的修补工作。”与众不同的是他又敏锐地发现，在物理学晴朗的天空里，还有两朵小小的令人不安的乌云，这两朵乌云指的是当时物理学无法解释的两个实验，一个是热辐射实验，另一个是迈克尔逊莫雷实验。 。,（一）经典物理学的两朵乌云,1900年4月27日，开尔文在英国皇家学会以19世纪热和光的动

3、力理论上空的乌云为题所作的长篇演讲中，虽然认为物理学是万里晴空，但又说：“动力学理论断言热和光都是运动的方式，可是现在，这种理论的优美性和明晰性被两朵乌云遮蔽得黯然失色了。,第一朵乌云是随着光的波动理论而开始出现的。菲涅耳和托马斯杨研究过这个理论，它包括这样一个问题：地球如何通过本质上是光以太这样的弹性固体而运动呢？第二朵乌云是麦克斯韦玻耳兹曼关于能量均分的学说。”这两朵乌云涉及到两方面的实验发现与力学、电磁学、气体分子运动论理论的困难,1第一朵乌云“以太”学说,相对性原理是经典力学的一个最基本的原理，这个原理认为，绝对静止和绝对匀速运动都是不存在的，一切可测量的、因而也是有物理意义的运动，都

4、是相对于某一参照物的相对运动。牛顿本人也充分意识到了确定“绝对运动”的困难，最后只能以臆测性的“绝对空间”的存在作为避难所,麦克斯韦的电磁场理论获得成功之后，电磁波的载体以太，就成了物化的绝对空间，静止于宇宙中的以太就构成了一切物体的“绝对运动”的背景框架。既然以太也是一种物质存在，或者说它表征着物化了的绝对空间，当然就可以通过精密的实验测出物体相对于以太背景的绝对运动,美国物理学家迈克尔逊（18521931）在1881年，他和莫雷（18381923）在1887年利用干涉仪所进行的精密光学实验，都未能观察到所预期的以太相对于地球的运动,第二朵乌云“紫外灾难”,第二朵乌云涉及的是经典物理学另一分

5、支，热力学和分子运动论中的一个重要问题。开尔文明确提到的是“麦克斯韦玻耳兹曼关于能量均分的学说”。实际上是指19世纪末关于黑体辐射研究中所遇到的严重困难,为了解释黑体辐射实验的结果，物理学家瑞利和金斯认为能量是一种连续变化的物理量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。但是，这个公式推出，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，这和实验数据相差十万八千里，是根本不可能的。所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”,20世纪初的这两朵乌云最终导致了物理学的一场大变革。第一朵乌云“以太”学说导致了相对论的诞生。第二朵乌云“紫外灾难”导致了量子力学

6、的产生。因此也可以说，对这两朵“乌云”的研究就标志着现代物理时代的到来,（二）十九世纪末物理学的三大发现,自古到今，人们就在不断地思索，世界万物由什么构成的？它有最小结构吗 哲学家亚里士多德等人则认为物质是连续的，世界万物由土、空气、水、火这四种元素组成的，而天则是第五种元素“以太”所组成的 古希腊哲学家德谟克利特等人认为，物质是不连续的，分到最后将由一些不可再分的东西所组成，他把这种物质的基元命名为“atoms（“原子”）”，古希腊文的意思是“不可再分的东西”。,英国科学家道尔顿是科学原子论的创始人，1807年他依据一系列实验，提出“气体、液体和固体都是由该物质的不可分割的原子组成的”，“同

7、种元素的原子，其大小、质量及各种性质都相同”，此后，大量实验事实证明了原子论的正确性。 1895年德国物理学家伦琴发现X射线， 1896年，法国物理学家贝克勒尔发现放射性， 1897年英国物理学家汤姆逊，发现了电子， 这三大发现揭开了原子存在内部结构，三大发现揭开了研究微观世界的序幕。,1、X 射线的发现 X 射线的发现也是起源于对阴极射线的研究 德国维尔茨堡大学校长、物理学家伦琴于1895年11月8日，在做放电管实验时，为了避免可见光的影响，他用黑 纸将放电管包起来，而且在 暗室中进行实验，他意外地 发现在离管一米以外的涂有 荧光物质的屏上闪耀着微弱 的青绿色的荧光。,12月22日，伦琴 的

8、夫人来到实验室， 伦琴让夫人把左手放 在用黑纸包着的照相 底片上，然后用X射 线照射，为她拍摄了 一张带着戒子的左手 手指骨骼照片，这是 历史上第一张X光照片。,伦琴夫人手的X片,1895年12月28日伦琴写出了一篇论文论一种新的射线，文章详细总结了新射线的性质： 新射线来自于被阴极射线击中的固体，固体元素越重，产生出来的新射线越强； 新射线是直线传播的，不被棱镜反射和折射，也不被磁场偏转； 新射线对所有物体几乎都是透明的； 新射线可使荧光物质发光，使照相底片感光，当把手放在放电管和荧光屏之间时，由于肌肉对新射线的吸收比骨质弱得多，屏上便可看到手指的骨骼。,X 射线这个名称也是伦琴最先采用的，

9、他在给孔特的信中说：“我终于发现了一种光，我不知道是什么光，无以名之，就把它叫做 X 光吧”，后人为了纪念他，又把它称为“伦琴射线”。 伦琴的发现震惊了整个科学界，许多物理学家转向研究 X 射线，反应之迅速和强烈是物理学史上罕见的，仅1896年一年内，关于X射线研究的论文达1000多篇。,在X射线发现3个月后，维也纳医院中首次利用X射线对人体进行拍片; 半年后，英国出版了第一本研究X射线的专业杂志射线临床摄影资料; 此后，J. J. 汤姆逊和卢瑟福证实X射线能使气体电离； 1912年德国物理学家劳厄用晶体作光栅，得到 X 射线衍射图，证明 X 射线是一种波长很短（约在10102 之间）的电磁波

10、，同时证明了晶体具有空间点阵，劳厄因此获得了1914 年度诺贝尔物理奖。,X射线的发现使人们认识的“电磁波谱”朝着短波方向拓广了一大段； 1906年，英国物理学家巴克拉发现每种金属都有自己的“特征X射线”，用它可以确定元素在周期表上的排位，巴拉克因此而获得了1917年的诺贝尔物理学奖； 1915年诺贝尔物理学奖授予英国物理学家布拉格父子，表彰他们在劳厄工作的基础上，提出了布拉格公式，可以用它精确测定晶体的原子结构；,1913年，英国年轻的物理学家莫斯莱发现一个重要的规律：各种元素的波长非常有规律地随着它们在周期表中的排列顺序而递减，利用此规律可以准确地确定各元素的原子序数，并且发现它们恰好与核

11、电荷数相等，他的发现对认识原子内部结构有很大的意义； 瑞典物理学家西格本进一步发现了一系列新的X射线，并精确测定了各种元素的射线谱，建立了射线光谱学，西格本的工作对于揭开原子内电子壳层结构状况有重要的作用，他因此而荣获了1924年度的诺贝尔物理学奖。,X射线分析法的应用： 19531959年，小布拉格的两位助手佩鲁茨和肯德罗，用改进了的X射线分析法测定了肌红蛋白及血红蛋白的分子结构，为此获得1962年的诺贝尔化学奖。 1962年诺贝尔生理学奖及医学奖授予英国生物物理学家克里克、威尔金森、美国生物学家沃森，表彰他们发现DNA的双螺旋结构，这是20世纪生物学的最伟大成就，他们依靠的也是X射线分析法

12、。,因使用X射线分析法研究蛋白质、核糖核酸、青霉素、维生素等生物大分子、有机高分子结构而获诺贝尔化学、生理医学奖的科学家多达数10位。 X射线也用于军事。 “星球大战”中核心武器是高能X射线激光器，将它装在军事卫星上能远距离摧毁对方的洲际导弹。 20世纪60年代，美国物理学家科马克和英国电气工程师洪斯菲尔德提出用计算机控制X射线断层扫描原理，并发明X射线断层扫描仪，使医生能看到人体内脏器官横断面图象，从而准确诊断病症，他们两人共享了1979年诺贝尔生物学及医学奖。,值得一提的是在伦琴发现X射线之前，人们已在实验室操作阴极射线管达30多年之久，也有一些人如克鲁克斯、勒纳德都曾碰到过阴极射线管附近

13、的照片底片感光或物体发出荧光的现象，但是，他们都没有仔细审查这个奇怪的现象而失去了“机遇”，正如恩格斯所描述的：“当真理碰到鼻子尖上的时候还是没有得到真理”，在科学发展史上这类事实是屡见不鲜的。但是伦琴1869年苏黎世大学获博士学位，他治学严谨，一贯重视基本实验，从不放过任何一个可疑现象，发现苗子反复试验，终于发现了X射线。伦琴荣获1901年诺贝尔物理奖，成为诺贝尔物理奖的第一个获奖者，他是当之无愧的。,第一张诺贝尔物理奖 ( 1901年伦琴 ),2、电子的发现 1858年德国物理学家普鲁克利用盖斯勒放电管研究气体放电时发现了对着阴极的管壁上出现了美丽的绿色光辉； 1876年德国物理学家哥尔德

14、斯坦证实这种绿色光辉是由阴极上所产生的某种射线射到玻璃上产生的，他把这种射线命名为“阴极射线”。 法国物理学家大多认为阴极射线是一种电磁波，英国物理学家则认为是一种带电粒子流，这一争论持续了一、二十年，促使许多物理学家进行很有意义的实验，推动了物理学的发展，这场争论最后由J.J.汤姆逊解决了。,J. J. 汤姆逊，1856年12月18日生于英国，1884年任卡文迪许实验室教授，这个实验室在他的领导下，成了全世界引人注目的物理实验中心，世界各地的科学家常来这里开展研究工作，其中有八位后来获得诺贝尔奖，如卢瑟福、威尔逊、巴克拉）、G. P. 汤 姆逊等，如后表所 示，这八位获奖者 是他直接培养过的

15、， 卡文迪许实验室获 得诺贝尔奖的共有 25人次。,1897年，J. J. 汤姆逊发现，不管怎样改变放电管中的气体的种类，也不管怎样改变电极的材料，阴极射线粒子的荷质比始终保持不变，这就意味着阴极射线是一种荷质比完全确定的粒子流所组成的，由此断定，这种粒子应是电极材料原子的基本组成部分。 1897年8月，J. J. 汤姆逊把他的发现写成论文“阴极射线”，10月发表在哲学杂志上。,19091917年间美国科学家罗伯特密立根在利用有名的油滴实验测定电子电荷量 e 值，他以严谨的科学态度和追求精确的测量而受到人们的赞誉。,1909年密立根油滴实验证明一切荷电物质都只能带有e 的整数倍的电量，而一个阴

16、极射线粒子所带的电量（e）是负电荷的最小单位，e / m 是不变的，e 也不变，表示阴极射线粒子的质量m也是确定的，这种粒子便称为电子，因此阴极射线就是高速电子流。,电子的发现再一次否定了原子不可分的观念，电子是第一个被发现的微观粒子，电子的发现对原子组成的了解起了极为重要的作用。 J. J. 汤姆逊由于发现电子而于1906年荣获诺贝尔物理学奖，J. J. 汤姆逊被誉为“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。 电子的发现在科学技术上诱发了电子时代的来临，1904年，A.弗莱明发明了二极电子管，1906年，L.德弗莱斯特(L.de Forest)发明了三极管。真空管的发明，使电力通讯、控制合自动化生产很快发展。晶体管集成电路的发明，使人类进入微电子科技时代。,3、放射性的发现 在X射线发现不久，贝克勒尔对一种称为硫酸双氧铀钾的荧光物质进行了研究，他把这种铀化合物放在用黑纸包起来的照相底片上，然后放在太阳光下曝晒几小时，把底片取出来进行冲洗，他发现了“荧光物质在底片上的黑色轮廓”，他又在荧光物质和纸之间放一块玻璃，继续 进行试验，也得到了同样的结 果。这就是最早发现的放射性 现象，铀是贝克勒尔发现的第 一个放射性元素。,