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1、第四章 十九世纪物理学的成就和危机,本章内容,经典物理框架的完善 世纪之交物理学的三大发现 世纪之交的两朵乌云,开尔文 麦克斯韦 伦琴 J. J.汤姆孙 居里夫人 贝克勒尔,经典物理框架的完善,19世纪物理学发展的特征,一联系和转化的思想在物理学理论中的深刻体现，是19世纪物理学观念上最明显的变革之一。,二实验和数学方法更全面、深入地推广到物理学的各个学科中去， 是19世纪物理学研究方法的发展特征。,三科学假设和物理模型的方法在19世纪的物理探索中有了重要的发展。,四19世纪物理学表现出对生产技术的超前发展的特征。,经典物理框架的完善,在物理学的天空，一切都已明朗洁净了，在远处只剩下两朵小小的
2、，令人不安的乌云。, 迈克耳逊莫雷实验在寻找机械“以太”时得出了否定的结果；, 运用经典物理学理论无法解释黑体辐射的实验曲线。,世纪之交物理学的三大发现,一.电子的发现,德国物理学家普鲁克（J. Plueker，1801-1868）于1858年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”。,1886年，J. J. 汤姆逊开始研究气体放电和阴极射线。,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。,测量核
3、质比,设粒子的质量为m，所带电荷为e。,电场力：,磁场力：,S,荷质比：,撤去磁场，测出射线在平板电场右端出口处的横向偏转值S,加速度由牛顿第二定律得到,阴极射线粒子的“荷质比”为：,该荷质比约为氢离子荷质比的2000倍,这种粒子应是电极材料原子的基本组成部分,J. J. 汤姆逊由此断定：,e 值最有说服力的测定,美国科学家密立根（R. A. Millikan，1868-1953）在1909-1917年间利用有名的油滴实验测得了 e 的值，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。,阴极射线粒子所带的电量 e 是电
4、荷的最小单位。,电子,1917年，密立根公布的结果是：,静电单位,电子的质量为：,静电单位,近代精确的电子电荷量是：,库仑,电子的发现再一次否定了原子不可分的观念。,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”,诱发人类进入电子科技时代。,现在人类进入微电子科技时代。,二.X射线的发现,德国维尔茨堡大学校长、物理学家伦琴（W. K. Rontgen，1845-1923）,伦琴在给孔特（A. Kundt，1839-1894）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。,伦琴
5、的实验室,X射线是由高速电子撞击物体时产生，从本质上它和可见光一样，是一种电磁波，它的波长约为： 0.0010.01(nm),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。,可以说，现代物理学是从1895年德国物理学家伦琴发现X射线开始的。,从1914到1924年中，就有五位物理学家（劳厄，布拉格父子，巴克拉，西格本）在研究X射线及其应用方面获得了诺贝尔物理学奖。,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
6、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。,三.放射性的发现,1896年，法国物理学家贝克勒尔（Becquerel, 1852-1908）在对一种荧光物质（硫酸钾铀）进行研究时发现了天然放射线。,贝克勒尔射线,玛丽居里（M. S. Curie，1867-1934）,居里夫人从1897年开始直至1934年逝世的38年科学生涯中，她以惊人的毅力、顽强的意志、高度的智慧全心投入放射性研究，发现了放射性元素“镭”和“钋”。1910年完成了她的名著论放射性。,1903年，居里夫妇和贝克勒尔共享了诺贝尔物理奖。,1911年又荣获了诺贝
7、尔化学奖。,天然放射性核素能够自发地放出各种射线,从而衰变为另一种核素。,射线：带两个正电荷的氦核粒子流；,射线：带负电荷的高速电子流；,射线：的电磁波，它从原子核内放出来实际上是一束能量极高的光子流，它的波长比X射线还要短，穿透本领比X射线更强。,1895-1897的三大发现，使物理学发生了深刻的变化：,电子的发现否定了原子是最小物质结构单元的说法。,过去以为除可见光外的电磁波只有无线电波、红外线和紫外线，现在却有了波长更短的X射线和射线。,过去以为原子是不可变的，自从发现放射性后，原子是可变的。,三大发现打开了微观世界的窗户，把物理学从十九世纪的经典物理学阶段推进到二十世纪的现代物理学阶段
8、。,三大发现揭开了现代物理学的序幕！,世纪之交的两朵乌云,开尔文：“在物理学晴朗天空的远处，还存在两朵小小的、令人不安的乌云”。,两朵乌云:,搜寻“以太”存在证据的迈克耳孙莫雷实验,研究物体热辐射性质的“黑体辐射”实验,3.1 “以太漂移”的探索,一“超距作用”与“媒递作用”,牛顿的“超距作用” 观点：作用力以无限大的速度“超”越空间“距”离，一下子从一个物体传到另一个物体 。,笛卡儿的“媒递作用”：这种作用是由一种相应的媒质“以太”来传递的。,以太真的存在吗？,历史上一些物理学家设计各种实验，希望通过运动参考系中所发生的物理现象，找出一种发现绝对运动并测出绝对速度的方法来。1887年，迈克耳
9、孙-莫雷企图利用光干涉的方法，确定“以太”的存在。,迈克耳孙-莫雷实验,迈克尔孙认为：如果确实存在以太，而且它在宇宙中是静止不动的，那么，当地球在“以太海洋”中运动时，在地球上向不同方向发射的光对于地球将有不同的速度，改变光的传播方向，干涉条纹就会发生移动。,迈克尔孙干涉仪,T,设法使一束顺着地球运动方向的光与一束垂直此方向的光发生干涉效应，并显示出干涉条纹，然后将干涉仪转过90O，于是，原来顺着地球运动方向的光束成为垂直此方向的光束，原来垂直与此方向的光束成为逆着此方向的光束。这样，如果以太风向地球迎面扑来的话，根据干涉图样应移动0.4个条纹，当时迈克尔孙干涉的实验精度已经能观察到0.01条
10、纹的移动。,结果：未发现条纹有丝毫移动！,经典物理学的第一朵乌云,迈克耳孙莫雷实验,放弃哥白尼的日心说,放弃以太,第一朵乌云,1905年，爱因斯坦发表论运动物体的电动力学，宣布：“以太是多余的”。,紫外灾难,黑体辐射的经典规律,黑体辐射问题是研究热辐射与周围环境处于平衡态时的能量按波长（频率）的分布问题。,热辐射：由于物体中分子、原子受到热激发而发射电磁波辐射的现象。,黑体辐射规律的探索,单色辐出度：物体从单位面积上发射的，波长介于和+d之间的辐射功率dE与d之比。,单色辐出度是波长和温度的函数，它反映了在一定的温度下，辐射能量按波长的分布。,黑体：能吸收一切外来辐射，而无反射的物体。,黑体是
11、最理想的发射体,斯忒藩-玻尔兹曼定律：,物体的辐出度与温度的四次方成正比,斯忒藩常数：,维恩位移定律：,能谱分布曲线的峰值对应的波长 m与温度 T的乘积为一常数。,维恩定律：,（c2和c3为经验参数）,瑞利-金斯定律：,经典理论在短波区域的失败成为“紫外灾难”。,普朗克经验公式：,普朗克常数：,经典理论的基本观点：,（1）电磁辐射来源于带电粒子的振动，电磁波的频率与振动频率相同。,（2）振子辐射的电磁波含有各种波长，是连续的，辐射能量也是连续的。,（3）温度升高，振子振动加强，辐射能增大。,普朗克量子假设：,对于频率为的振子，振子辐射的能量不是连续的，而是分立的，它的取值是某一最小能量h的整数
12、倍。,（n = 1，2，3）,2马克硬币上的普朗克,普朗克诞辰150周年纪念币,1900年12月24日，普朗克在法国物理学会的圣诞会上宣读了题为关于正常光谱的能量分布定律的论文，提出了与经典物理学格格不入的能量量子化假设：,普朗克于1918年度诺贝尔物理学奖。,19世纪和20世纪之间物理学上一系列新发现的重大意义在于：,第一，破除了物理学已经达到“绝对真理”的思想，敞开了通往微观高速领域的大门，发现了物理学的新的生长点。 第二，暴露了经典物理学的局限性，冲击和动摇了经典物理学中一系列基本概念和基本规律，如质量、能量的概念；质量与运动的关系；质量与能量的关系等等，揭开了物理学革命的序幕。 第三，给当时占统治地位的形而上学机械论的自然观以巨大打击，证实和丰富了辩证唯物主义的哲学。,总之，世纪之交物理学上的这些重大发现，决不是物理学的“危机”，而是一场伟大革命的序幕，人类对自然界的探索是永无止境的。,
