第七章 世纪之交物理学的发展.ppt

第七章世纪之交物理学的发展 1经典物理学的局限性 219世纪的三大发现 3经典物理学的两朵乌云 4现代物理学革命的序幕 一经典力学基本概念和基本原理的固有局限性 1 把经典力学建立在绝对时间和绝对空间的框架上 2 把引力看作为直接的 即时传递的 超距的作用 3 物体的质量恒定不变 与物体的运动和能量无关 4 只适于宏观低速的范围 不适于高速和微观领域 1经典物理学的局限 二经典物理学与经典力学之间的矛盾经典物理学是运用经典力学的基本概念和原理建立起来的理论体系 但是 随着经典物理学的深入发展 却越来越显露出他们与经典力学之间的裂痕 从而动摇了经典力学的基础地位 1 与光学的不调和性 主要表现在两个方面 一是对光的认识一直存在两种互相矛盾的观点 微粒说和波动说 二是对于作为绝对空间和波的载体的 以太 究竟是什么 如何对它进行检测 它到底具有哪些性质 如从光速的巨大数值来看 以太 应具有极大的刚性 又由于天体不受阻碍的在太空中穿行 以太 必须极其稀薄且没有质量 等等 这些性质不但难以理解 有些甚至相互矛盾 后来洛仑兹剔除了加在 以太 身上的几乎所有力学性质 如惯性 密度 弹性等 并确言它不服从牛顿第三定律 仅仅留下了 不动性 这个特性 即 以太 不参与任何运动 而只是光和电磁波的一个绝对载体 但如果它 不动 又是如何传播光和电磁波的 2 与电磁学的矛盾 由类比法得到的电荷间 电流之间的相互作用 都被看作是直接的 即时传播的超距作用 而法拉第和麦克斯韦的电磁场理论则认为它们之间的相互作用是由媒介传递 并且以有限速度传播的非超距作用 这种介质就是 电场 和 磁场 场 不仅能传递电磁相互作用 并且具有能量 这样 媒递作用 超距作用的矛盾 即时传播 有限速度的矛盾 能量连续分布的场 质点是能量的唯一载体的矛盾等等 3 与热学的不协调 经典力学 包括电磁场理论 中的时间都是对称的 可逆的 它们的基本方程对时间的反演都具有对称性 时间只是从外部描述运动的一个参量 它的变化对于运动的性质并无影响 而热学中熵增原理的发现 却指出了自然过程的不可逆性和历史性 具体的说 描述热力学系统的运动方程 对时间的反演是不对称的 对于一个孤立系统的变化 显示出时间的方向性 4 经典力学与统计力学的矛盾 经典力学的巨大成就 使机械决定论在整个科学界的科学思想中占据统治地位 牛顿的运动方程表明 任何物体的运动轨迹 都由两个初始条件唯一的决定 就是说 根据体系在某一时刻的运动状态和外部作用力 就可以准确的确定这个体系以往的和未来的运动状态 宇宙间的一切运动变化 都是力学因果链条中的必然环节 不存在任何偶然和奇迹 这种机械决定论在19世纪末以前 成为统治整个物理学界的普遍信念 由于分子运动的不规律性 克劳修斯和麦克斯韦把概率和统计理论引入物理学 从而产生 可逆佯谬 进一步显示了和经典力学的矛盾 经典力学的局限性制约了人们对物质运动的进一步认识 束缚了其他学科的发展 只有破除对经典力学的迷信 新的理论才可能创造 物理学才有勃勃生机 三马赫对经典力学的批判1883年 奥地利的马赫出版了 力学及其发展的批判历史概论 从科学和哲学的角度对经典力学进行了尖锐的批判 马赫认为 自然的性质不能借助于所谓不证自明的假设来捏造 只应该从经验中引出 力图把不是源于经验 无法测量的概念统统取消 例如质量的概念 在牛顿的 力学原理 中 质量被定义为密度和体积的乘积 马赫认为 按照这种定义的方法 不同种类物体的质量无法比较 应当建立相对质量的概念 加速度是可测量的量 如果测得两物体由于相互作用产生了彼此大小相等 方向相反的加速度 那么这两个物体的质量就相等 如果测得的加速度不相等 则用加速度的负反比来表示这两个物体的质量之比 马赫对牛顿绝对时空和绝对运动进行了批判 马赫认为 时间是一种抽象 时间是不能独立自存的 绝对时间 既无实践价值 也无科学价值 没有一个人提出证据说他知道关于绝对时间的任何东西 绝对时间是一种形而上学的概念 同样 马赫认为 空间不能脱离我们对物体的知觉而存在 如果宇宙中没有物体 谈论空间就毫无意义 如果宇宙中只有一个物体 这唯一的物体也无运动可言 我们实际观察到的仅仅是相对于参照系的运动 而参照系是被相对的确定的 针对牛顿的 水桶实验 马赫指出 水面凹曲并不能说明水的转动是什么绝对运动 而是相对于地球和宇宙中所有质量的一种转动 它仍然是相对运动 桶壁和水之间的运动之所以不能引起水面凹曲 是因为桶壁的质量太小了 水面凹曲是因为天体围绕水旋转并对水的引力的结果 爱因斯坦指出 马赫为相对论的发展铺平了道路 在狭义相对论创立的过程中 正是马赫对绝对时间的批判 使爱因斯坦 终于醒悟到时间是可疑的 并从 同时性的相对性 这个问题上取得了突破性的进展 马赫对水桶实验的批判 使人们的思想从 绝对运动 的桎梏中解放出来 从而确立加速运动的相对性的观念 马赫的科学哲学思想甚至还直接或间接的影响了波尔 波恩 海森堡 泡利 薛定谔等一大批量子物理学家 马赫的批判思想在世纪之交对物理学的革命性变革起到了启蒙和推动作用 219世纪的三大发现 一电子的发现二X射线的发现三天然放射性的发现 带电微粒说 1871年 英国物理学家瓦尔利 Varley 从阴极射线在磁场中受到偏转的事实 提出阴极射线是由带负电的微粒组成 并得到本国克鲁克斯和舒斯特等人的支持 一电子的发现 1 阴极射线的研究 以太波的观点 阴极射线是由德国物理学家普吕克尔于1858年在观察放电管中低压气体的放电现象时发现 1876年同是德国物理学家的哥尔茨坦认为这是从阴极发出的某种射线 并从此命名为阴极射线 但它认为阴极射线是类似于紫外线的以太波 后来赫兹等人也都坚持以太说 于是对于阴极射线的性质 19世纪的后30年 形成了两种对立的观点 德国学派的以太说和英国学派的带电微粒说 哥尔茨坦的光谱实验 为了反驳微粒说观点 哥尔茨坦作了一个光谱实验 如图 他用一个L形放电管 电极A和B可以互换轮流做阴极 用光谱仪观察光谱 如果阴极射线是分子流 它发出的光应产生多普勒效应 即光的频率应与分子流速度方向有关 但结果是不管是那一端发出阴极射线 谱线的波长都没有改变 从而否定了分子流之说 并认为这是对以太说的一个支持 为了证明阴极射线的波动性 1891年 赫兹和他的学生勒纳德做了铝窗实验 他在阴极射线管的末端嵌上厚度约0 000265cm的薄铝箔作为窗口 如下图 发现阴极射线能从铝窗口逸出 并能在空气中穿行约1cm的行程 他们认为这是以太说的有力证据 因为只有波才能穿越实物 赫兹和勒纳德的铝窗实验 为了证明阴极射线是否带电 赫兹和勒纳德 Lenard 还做了阴极射线在电场中的偏转实验 他们在阴极射线管中加垂直于阴极射线的电场 由于没有看到阴极射线的偏转 管中真空度太低 而认为阴极射线不带电 佩兰 Perrin 实验 1895年法国物理学家微粒说支持者佩兰 Perrin 将圆桶电极安装在阴极射线管中 用静电计测圆桶接收到的电荷 结果为负电 支持了带电微粒说 对阴极射线本性做出正确答案的是英国剑桥大学卡文迪什实验室教授J J 汤姆逊 他从1890年起 就带领自己的学生研究阴极射线 并通过实验证实了阴极射线的带电微粒说 并进一步确定了粒子的荷质比e m 发现了电子 发现电子的 J J 汤姆逊 J J 汤姆逊像 2 电子的发现 J J 汤姆逊 1856 1940 简介曾任剑桥大学卡文迪什实验室主任 培养的学生有卢瑟福 玻尔 威尔逊等多人 他们都先后荣获了诺贝尔奖 J J 汤姆逊生于英国曼彻斯特 父亲是一名专印大学教材的著名书商 由于父亲职业的关系 J J 汤姆逊从小就结识了一些大学教授 在他们的影响下 打下了坚实的学习基础 14岁进入曼彻斯特大学 1876年获数学奖金而进入剑桥大学三一学院深造 1880年获二等史密斯奖金 进入卡文迪什实验室 在瑞利教授的指导下进行电磁学研究 1883年被选为英国皇家学会会员 1884年出任卡文迪什实验室主任 这一年瑞利出任皇家学会会长 年仅28岁 领导该室人员工作长达42年 J J 汤姆逊既是实验物理学家 又是理论物理学家 1883年他首创了原子结构论 1897年发现了电子 他对气体的导电进行了深入研究 1903年写成 气体电行为 一书 并因此获得1906年诺贝尔物理学奖 1912年指出元素有同位素存在 在电学理论方面著有 电与磁的现代研究 并被誉为麦克斯韦的第三卷 J J 汤姆逊设计了一系列实验 以无可辩驳的事实确证了阴极射线是带负电的粒子流 实验二测量阴极射线所带电荷的实验 1895年 汤姆逊将佩兰实验装置做了一些改进 他把阴极A和法拉第圆桶F放在不在一条直线的方向上 如图示 阴极射线从A发出 经过与阳极B相连的小孔射到正对的管壁D上 产生荧光斑点 当用磁铁使射线偏转 进入法拉第圆桶 这就保证了圆桶内收集到的一定是阴极射线 实验结果表明 收集到的是负电荷 证实了阴极射线的负电性 实验一阴极射线传播速度的测量 1894年汤姆逊用旋转镜法测得阴极射线的速度为1 9 107cm s 远小于他曾测得过的电脉冲在低压气体中传播的速度 1 6 1010cm s 排斥了阴极射线是一种电磁辐射的可能 J J 汤姆逊在磁偏转条件下测阴极射线所带电荷的实验装置 实验三 静电偏转实验 J J 汤姆逊重复了赫兹的静电场偏转实验 起初也得不到偏转 但注意到在刚加上电压的瞬间 阴极射线轻微的摆动了一下 他马上认识到 这是由于残余气体分子在电场作用下发生了电离 正负离子把电极上的电压抵消掉了 于是他改善真空条件 并减小极间电压 终于获得了稳定的静电偏转 从而否定了以太说 实验四 荷质比e m的测量 方法一是在上一实验装置管子的两测各加一通电线圈 以产生垂直于电场的磁场 然后根据电场和磁场分别造成的偏转 计算出阴极射线的荷质比以及微粒子的运动速度 v 2 7 109厘米 秒 e m 0 8 107电磁单位 克 方法二是测量阳极的温升 因为阴极射线打到阳极上 会使阳极温度升高 J J 汤姆逊把热电偶接到阳极 测量它的温度变化 根据温升和阳极接收的电量计算粒子的动能和电量 再从阴极射线在磁场中偏转的曲率半径 推算出阴极射线的荷质比与速度 见下页 证明电子存在的普遍性 J J 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 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 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 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 结果与阴极射线近似 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 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 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 电子 一词原是由斯坦尼1891年提出 用来表示电的自然单位 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e 4 03 10 10静电单位 1913年 他用油滴实验测得e 4 774 0 009 10 10静电单位 后来经不断改进和重复测量 1917年公布的结果为 e 4 770 0 009 10 10静电单位 于是由荷质比得电子的质量为me 1 1830 mH 3 电子电量和质量的测量 油滴实验 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 J J 汤姆逊于1906年获诺贝尔奖 发现电子的 J J 汤姆逊 1901年考夫曼 WaltherKaufmann 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 物理革命的新曙光 伦琴像 二X射线的发现 1 伦琴 WilhellmKonradRontgen 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 2 X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 仍能使荧光屏产生荧光 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具有穿透能力的新射线 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月又写了 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 物理革命的新曙光 物理革命的新曙光 3 伦琴射线发现的意义 物理革命的新曙光 由于X射线与原子中内层电子的跃迁有关 这说明了原子存在未知结构 物理学还存在亟待研究的领域 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 物理革命的新曙光 4 严谨的科学态度所结出的丰硕之果 都曾观察到过X射线的现象 但未深究 错过了机会 而伦琴善于观察 精心分析 因此他发现了 X 光 1 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 2 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 3 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 4 斯密士 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 5 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 铀盐的放射性的发现 贝克勒尔2 钋和镭的发现 居里夫人3 射线的发现 卢瑟福 贝克勒尔 1852 1909 生于法国巴黎 祖父和父亲都是固体磷光专家 从事研究工作有60多年的历史 贝克勒尔早期从事光学研究 43岁开始研究放射现象 天然放射性的发现 贝克勒尔像 1 铀盐放射性的发现 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 铀盐的实验 天然放射性的发现 后来由于阴雨连绵 贝克勒尔用黑纸包上底片与铀盐一起锁进抽屉 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 贝克勒尔经过分析 认为 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 后来选择硫酸钾铀酰作为实验材料 并放在太阳底下暴晒 暴晒可使荧光物质发出更强荧光 结果底片感光了 用玻璃挡在铀盐和底片之间 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黑纸的辐射 首先他将照相底片用黑纸包好 然后放在荧光物质下面 结果底片并没有感光 进一步的研究发现 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 贝克勒尔获1903年诺贝尔奖 天然放射性的发现 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 天然放射性的发现 居里夫人像 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 1903年获诺贝尔物理奖 1911年获诺贝尔化学奖 2 钋和镭的发现 天然放射性的发现 我追求的是一种创造之乐 这才是永远的幸福 居里夫人 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 天然放射性的发现 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 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 天然放射性的发现 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 没有任何帮助 就好像平地起家一样 镭的发现 有人不相信 镭的原子量是多少 镭在哪里 天然放射性的发现 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 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 居里夫妇在工作 天然放射性的发现 天然放射性的发现 发现镭 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 天然放射性的发现 天然放射性的发现 科学大会上的讲话 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 其中贡献最大的是J J 汤姆逊的学生 卢瑟福 ErnestRutherford 1871 1937 3 射线的发现 天然放射性的发现 卢瑟福像 卢瑟福新西兰人 祖籍英国苏格兰 1871年生于新西兰的一户农村家庭 18岁进入新西兰大学学习 1893年大学毕业 1895年被选送到剑桥大学深造 在J J 汤姆逊领导的卡文迪什实验室当研究生 J J 汤姆逊的第一位研究生 1898年应邀担任加拿大麦吉尔大学物理学教授 曾同汤姆逊一起研究X射线对气体的电离作用 在获知居里夫妇发现镭辐射后 立即转向放射性对气体电离作用的研究 提出原子的嬗变理论 1907年返回英国 任曼彻斯特大学物理学教授 主要研究 粒子的散射作用 提出了原子的核式模型 1908年因对放射化学的研究荣获诺贝尔化学奖 1919年任剑桥大学教授 并任卡文迪许实验室主任 1931年英王授予他勋爵桂冠 1937年10月19日逝世 卢瑟福发现 射线和 射线 1898年 卢瑟福用强磁铁使铀射线偏转 发现射线分为方向相反的两股 一股极易被吸收 他称之为 射线 另一种具有较强的穿透力 称之为 射线 射线的本质 居里夫人曾证明它带负电 1900年 贝克勒尔测定了 射线的荷质比 从而确认 射线是电子流 维拉德 P Villard 发现 射线 法国人 1900年 维拉德将镭放入一个铅管中 铅管一侧开一小口 放射性射线可从此射出 射线经磁场后用底片记录 在底片和射线口之间加一层铝箔 用于阻挡 射线而让 射线通过 结果发现在正对发射口的方向有暴光的痕迹 后来维拉德又加了一层铝箔 射线仍能穿透 因此表明 这一射线肯定不是 射线 而是一种不受磁场偏转的辐射能力更强的一种新射线 与X射线非常类似 后来被卢瑟福称为 射线 天然放射性的发现 射线的本质研究 1902年卢瑟福用强磁场测出 射线的荷质比 发现它与氢及氦离子同数量级 但还不能确定它带一个还是两个电荷 后来与盖革合作 用盖革计数管测量和推算出 射线带两个正电荷 1911年卢瑟福和罗伊兹证实 粒子在失去电荷后就是一个氦原子 原子的嬗变理论 在研究放射性的同时 科学家也对放射性遗留物进行了研究 1899年以来 卢瑟福 居里夫妇 欧文斯等人发现 放射性物质除了放出已知辐射外 还放出某种气体 这些气体也具有放射能力 并可穿过金属薄层 能使气体电离 当时称之为 射气 1900年克鲁克斯从铀化合物中分离出一种放射性很强的物质 称为铀X 之后 卢瑟福和化学家索迪 F Soddy 从钍中分离出比钍的放射性强千倍以上的钍X 对放射性过程的研究 使他们意识到 放射性既是原子现象 又是产生新物质的化学变化的伴生物 并于1902年提出了放射性元素的嬗变理论 1903年做了进一步修改 指出 放射性物质是不稳定的 它不断放射出某种射线进行衰变 即由母元素嬗变为子元素 直到变成稳定的元素为止 放射性物质的放射强度按指数关系随时间不断衰减 原子能的发现 1903年 卢瑟福和索迪注意到放射性现象伴随有能量的产生 指出 这是一种新的 原子能 一般原子中也潜藏着这种能量 居里夫妇测出1克镭1小时放出100卡热量 上述三大发现打破了几百年来形成的物质不灭 能量守恒 原子不可分等传统观念 揭开了物理学革命的序幕 它标志着物理学的研究由宏观进入到微观 尽管充满着疑惑和争论 但也预示着希望 卡文迪什实验室 始建于1871年 建成于1874年 是英国剑桥大学的前身 是由卡文迪什的近亲 当时任剑桥大学校长的W 卡文迪什倡议 推动并捐款修建的 目的在于将科学应用于工业和纪念H 卡文迪什 麦克斯韦为第一任实验室主任 卡文迪什实验室 作为世界上最著名的物理学教育和科研中心之一 培养了一大批世界级的著名物理学家 26位诺贝尔奖金获得者 1885 1919年 由J J 汤姆逊主持实验室工作 在这34年间 主要进行了电学 磁学 光学等方面的基本测量工作 这期间科学研究硕果累累 人才辈出 走在世界的前列 有10位工作人员获得诺贝尔奖 如 1897年J J 汤姆逊通过阴极射线研究发现电子 获得1906年奖 1919 1937年卢瑟福主持卡文迪什实验室工作 主要进行放射性和核物理研究 先后取得了发现中子 验证了正电子的预言 人工打破原子核的重大成就 尤其在1932 1933年间 卡文迪什实验室达到其科学成就的高峰 在卢瑟福主持工作的18年间 实验室中共有12人获诺贝尔奖 这18年是该实验室的黄金时期 这期间它成为世界实验物理的研究中心 如1932年查德威克发现中子 获1935年奖 1927年G P 汤姆孙独立发现电子衍射现象 获1937年奖 低温物理之父 卡皮查获1978年奖等 1900年理查孙发现电子从热导体表面跳出形成发射电流 建立了热离子学基础 获1928年奖 1902年巴克拉发现X射线次级辐射及元素标志谱 获1917年奖 1913 1914年 布拉格父子创立了用X射线分析晶体结构的结晶学 获1915年奖等 3经典物理学的两朵乌云19世纪的最后一天 欧洲著名的科学家欢聚一堂 会上 英国著名物理学家W 汤姆生 即开尔文男爵 发表了新年祝词 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 同时 他在展望20世纪物理学前景时 却若有所思地讲道 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 W 汤姆生在1900年4月发表了题为 19世纪热和光的动力学理论上空的乌云 的文章 他所说的第一朵乌云 主要是指A 迈克尔孙实验结果和以太漂移说相矛盾 他所说的第二朵乌云 主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以及辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果 其中尤以黑体辐射理论出现的 紫外灾难 最为突出 第一朵乌云 迈克耳逊 莫雷实验与 以太 说破灭1887年 迈克耳逊 A A Michalson 1852 1931 与美国化学家 物理学家莫雷 E W Morley 1838 1923 合作 在克利夫兰进行了一个著名的实验 迈克耳逊 莫雷实验 即 以太漂移 实验 实验结果证明 不论地球运动的方向同光的传播方向一致或相反 两束光线根本没有表现出任何的时间差 说明在地球和设想的 以太 之间没有任何相对运动 因而 根本找不到 以太 或 绝对静止的空间 由于这个实验在理论上简单易懂 方法上精确可靠 所以 实验结果否定 以太 之存在是勿庸置疑的 迈克耳逊一莫雷实验使科学家处于左右为难的境地 他们或者须放弃曾经说明电磁及光的许多现象的以太理论 如果他们不敢放弃以太 那末 他们必须放弃哥白尼的地动说 经典物理学在这个著名实验面前 真是一筹莫展 迈克尔逊 莫雷实验引起了物理界轰动 因为以太这个概念作为绝对运动的代表 是经典物理学和经典时空观的基础 对以太的否定 就意味着整个物理世界的轰然崩塌 但随着麦克斯韦电磁场理论的建立和完善 经典物理学已经达到了其发展的顶峰 所以绝大多数人并不认为经典物理学的大厦就此倒塌 所以人们提出了许多折衷的办法 爱尔兰物理学家费兹杰惹 FitzGerald 和荷兰物理学家洛伦兹 Lorentz 分别独立地提出了一种假说 认为物体在运动的方向上会发生长度的收缩 从而使得以太的相对运动速度无法被测量到 这些假说虽然使得以太的概念得以继续保留 但也已经对它的意义提出了强烈的质问 因为很难想象 一个只具有理论意义的 假设物理量 究竟有多少存在的必要 开尔文所说的 第一朵乌云 就是在这个意义上提出来的 黑体 是指能够全部吸收外来的辐射而毫无任何反射和透射 吸收率是100 的理想物体 真正的黑体并不存在 但是 一个表面开有一个小孔的