第八章世纪之交的物理学f

1、第八章第八章 世纪之交物理学的发展世纪之交物理学的发展 1 1 经典物理学的局限性经典物理学的局限性 2 192 19世纪的三大发现世纪的三大发现 3 3 经典物理学的两朵乌云经典物理学的两朵乌云 4 4 现代物理学革命的序幕现代物理学革命的序幕一一 经典力学基本概念和基本原理的固有局限性：经典力学基本概念和基本原理的固有局限性：1.1.把经典力学建立在绝对时间和绝对空间的框架上；把经典力学建立在绝对时间和绝对空间的框架上；2.2.把引力看作为直接的、即时传递的、超距的作用；把引力看作为直接的、即时传递的、超距的作用；3.3.物体的质量恒定不变，与物体的运动和能量无关；物体的质量恒定不变，与物

2、体的运动和能量无关；4.4.只适于宏观低速的范围，不适于高速和微观领域。只适于宏观低速的范围，不适于高速和微观领域。 1 1 经典物理学的局限性经典物理学的局限性二二 经典物理学与经典力学之间的矛盾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。力学的基础地位。1.1.与光学的不调和性：与光学的不调和性：

3、主要表现在两个方面，一是对光的认识一直存在两种互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的载体的“以太以太”究竟是什么，如何对究竟是什么，如何对它进行检测？它进行检测？它到底具它到底具有哪些性质？如有哪些性质？如从光是横波、光速的巨大来看，从光是横波、光速的巨大来看，“以太以太”应具应具有极大的刚性。有极大的刚性。又由于天体不受阻碍的在太空中穿行，又由于天体不受阻碍的在太空中穿行，“以太以太”必须必须极其稀薄且没有质量，极其稀薄且没有质量，等等。这些性质不但难以理解，有等

4、等。这些性质不但难以理解，有些甚至相互矛盾。些甚至相互矛盾。 后来后来洛仑兹洛仑兹剔除了加在剔除了加在“以太以太”身上的几乎所有力学性质，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，仅仅留下了留下了“不动性不动性”这个特性。即这个特性。即“以太以太”不参与任何运动，而不参与任何运动，而只是光和电磁波的一个绝对载体。但如果是这样，只是光和电磁波的一个绝对载体。但如果是这样，“以太以太”这这个怪胎究竟是什么东西呢？个怪胎究竟是什么东西呢？2.与电磁学的矛盾：与电磁学的矛盾：由类比法得到的电荷间、电流之间的相由类比法

5、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，这种介质就是是“电场电场”和和“磁场磁场”。“场场”不仅能传递电磁相互作用，不仅能传递电磁相互作用，并且具有能量。这样，并且具有能量。这样，媒递作用媒递作用-超距作用的矛盾；即时传超距作用的矛盾；即时传播播-有限速度的矛盾；能量连续分布的场有限速度的矛盾；能量连续分布的场

6、-质点是能量的唯质点是能量的唯一载体的矛盾等等。一载体的矛盾等等。3.与热学的不协调：与热学的不协调：经典力学（包括电磁场理论）中的时间经典力学（包括电磁场理论）中的时间都是对称的、可逆的，都是对称的、可逆的，它们的基本方程对时间的反演都具有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。于运动的性质并无影响。而热学中熵增原理的发现，却指出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。了自然过程的不可逆性和历史性。具体的说，描述热力学系具体的说，描述热力学系统的运动方程，

7、对时间的反演是不对称的。对于一个孤立系统的运动方程，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。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：经典力学与统计力学的矛盾： 经典力学的巨大成就，使经典力学的巨大成就，使机械决定论机械决定论在整个科学界的科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被唯一的决定，就是说，根据体系在某一时刻运动轨迹都由被唯一的决定，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运动状态和外部作用力，就可以准确的

8、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。这种机械决定论在定论在19世纪末以前，成为统治整个物理学界的普遍信念。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由于分子运动的不规律性，克劳修斯和麦克斯韦把概率概率和统计理论和统计理论引入物理学，显示了和经典力学的矛盾。引入物理学，显示了和经典力学的矛盾。三三 马赫对经典力学的批判马赫对经典力学的批判 18831883年，奥地利的马赫出

9、版了年，奥地利的马赫出版了力学及其发展的批判历力学及其发展的批判历史概论史概论，从科学和哲学的角度对经典力学进行了尖锐的批，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，判。马赫认为，自然的性质不能借助于所谓不证自明的假设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。来捏造，只应该从经验中引出。马赫力图把不是源于经验、马赫力图把不是源于经验、无法测量的概念统统取消。无法测量的概念统统取消。例如质量的概念，例如质量的概念，在牛顿的在牛顿的力力学原理学原理中，质量被定义为密度和体积的乘积。马赫认为，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

10、类物体的质量无法比较，应当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，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，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。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，马赫对牛顿绝对时空和绝对运动进行了批判，马马赫认为：赫认为：“时间时间是一种

11、抽象是一种抽象”，时间是不能独立自存时间是不能独立自存的。绝对时间的。绝对时间“既无实践价值，也无科学价值，没有既无实践价值，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，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绝对时间是一种形而上学的概念”。同样，马赫认为：。同样，马赫认为：空间空间不能脱离我们对物体的知觉而存在。如果宇宙中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。我们实际观察个物体，这唯一的物体也无运动可言。我们实

12、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。的确定的。爱因斯坦指出：爱因斯坦指出：马赫为相对论的发展铺平了道路。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，使爱因斯坦的批判，使爱因斯坦“终于醒悟到时间是可疑的终于醒悟到时间是可疑的”，并从并从“同时性的相对性同时性的相对性”这个问题上取得了突破性这个问题上取得了突破性的进展。的进展。 马赫的科学哲学思想甚至还直接或间接的影响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

13、大批量了波尔、波恩、海森堡、泡利、薛定谔等一大批量子物理学家。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。变革起到了启蒙和推动作用。2 192 19世纪的三大发现世纪的三大发现一一 电子的发现电子的发现二二 X X射线的发现射线的发现三三 天然放射性的发现天然放射性的发现带电微粒说：带电微粒说：18711871年，英国物理学家年，英国物理学家瓦尔利瓦尔利(Varley(Varley) )从阴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

14、的微粒组成。并得到本国克鲁克斯克鲁克斯和和舒斯特舒斯特等人的支持。等人的支持。一一 电子的发现电子的发现1.1.阴极射线的研究：阴极射线的研究：以太波的观点：以太波的观点：阴极射线是由德国物理学家阴极射线是由德国物理学家普吕克尔普吕克尔于于18581858年在观察放电管中低压气体的放电现象时发现。年在观察放电管中低压气体的放电现象时发现。18761876年同是德国物理学家的年同是德国物理学家的哥尔茨坦哥尔茨坦认为这是从阴极发出的某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。后来似于紫外线的以太波。

15、后来赫兹赫兹等人也都坚持以太说。等人也都坚持以太说。 于是对于阴极射线的性质，于是对于阴极射线的性质，1919世纪的后世纪的后3030年，形成了年，形成了两种对立的观点：德国学派的两种对立的观点：德国学派的以太说以太说和英国学派的和英国学派的带电微带电微粒说粒说。哥尔茨坦的光谱实验：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：他用一个图：他用一个L L形放电管，电极形放电管，电极A A和和B B可以互换轮流做阴极，用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，它发出的光应产光谱仪观察光谱。如果阴极射线

16、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。但结果是果是不管是那一端发出阴极射线，谱线的波长都没有改变，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。并从而否定了分子流之说。并认为这是对以太说的一个支持。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，为了证明阴极射线的波动性，18911891年，赫兹和他的学生勒年，赫兹和他的学生勒纳德做了纳德做了铝窗实验：铝窗实验：他在阴极射线管的末端嵌上厚度约他在阴极射线管的末端嵌上厚度约0.000265cm0.000265cm的薄铝箔作为窗口（

17、如下图），发现阴极射线能从的薄铝箔作为窗口（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铝窗口逸出，并能在空气中穿行约1cm1cm的行程。他们的行程。他们认为这是认为这是以太说的有力证据以太说的有力证据，因为只有波才能穿越实物。，因为只有波才能穿越实物。赫兹和勒纳德的铝窗实验：赫兹和勒纳德的铝窗实验： 为了证明阴极射线是否带电，为了证明阴极射线是否带电，赫兹和勒纳德赫兹和勒纳德(Lenard(Lenard) )还做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（管中真空于阴

18、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。度太低）而认为阴极射线不带电。佩兰佩兰(Perrin)(Perrin)实验：实验： 18951895年法国物理学家微粒说支持者年法国物理学家微粒说支持者佩兰佩兰(Perrin)(Perrin)将圆桶电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。极安装在阴极射线管中，用静电计测圆桶接收到的电荷。结果结果为负电。为负电。支持了带电微粒说。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什实验室教授J.J.J.J.汤姆逊汤姆逊，

19、他从，他从18901890年起，就带领自己的学年起，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，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并进一步确定了粒子的荷质比e/me/m，最终发现了电子。，最终发现了电子。J.J.J.J.汤姆逊汤姆逊2.电子的发现：电子的发现：J JJ J汤姆逊汤姆逊 (1856-1940)(1856-1940)曾任剑桥大学卡文迪什实曾任剑桥大学卡文迪什实验室主任。培养的学生有验室主任。培养的学生有卢瑟福、玻尔、威尔逊等卢瑟福、玻尔、威尔逊等多人，他们都先后荣获了多人，他们都先后荣获了诺贝尔奖。诺贝尔奖。 J

20、.J.J.J.汤姆逊生于英国曼彻斯特。父亲是一名专印大学教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，材的著名书商，由于父亲职业的关系，J.J.J.J.汤姆逊从小就结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。础。1414岁进入曼彻斯特大学，岁进入曼彻斯特大学，18761876年获数学奖金而进入剑桥年获数学奖金而进入剑桥大学三一学院深造。大学三一学院深造。18801880年获二等史密斯奖金，进入卡文迪年获二等史密斯奖金，进入卡文迪什实验室，在什实验室，在瑞利瑞利教授的指导下进行电磁学

21、研究。教授的指导下进行电磁学研究。18831883年被年被选为英国皇家学会会员。选为英国皇家学会会员。18841884年出任卡文迪什实验室主任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（这一年瑞利出任皇家学会会长），年仅2828岁。领导该室人岁。领导该室人员工作长达员工作长达4242年。年。 J.J. J.J.汤姆逊既是实验物理学家，又是理论物理学家。汤姆逊既是实验物理学家，又是理论物理学家。18831883年他首创了原子结构论；年他首创了原子结构论；18971897年发现了电子。他对气体年发现了电子。他对气体的导电进行了深入研究，的导电进行了深入研究，19031903年写成

22、年写成气体电行为气体电行为一书，一书，并因此获得并因此获得19061906年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。19121912年指出元素有同位年指出元素有同位素存在。在电学理论方面著有素存在。在电学理论方面著有电与磁的现代研究电与磁的现代研究。 J.J.J.J.汤姆逊设计了一系列实验，以无可辩驳的事实确证了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。阴极射线是带负电的粒子流。实验一实验一 阴极射线传播速度的测量：阴极射线传播速度的测量： 18941894年汤姆逊用旋转镜法测得阴极射线的速度为年汤姆逊用旋转镜法测得阴极射线的速度为1.91.910107 7 cm/sc

23、m/s，远小于他曾测得过的电脉冲在低压气体中传播的速度，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(1.610101010cm/s)cm/s)，排斥了阴极射线是一种电磁辐射的可能。，排斥了阴极射线是一种电磁辐射的可能。实验二实验二 测量阴极射线所测量阴极射线所带电荷的实验：带电荷的实验： 18951895年，汤姆逊将佩兰实年，汤姆逊将佩兰实验装置做了一些改进，他把阴验装置做了一些改进，他把阴极极A A和法拉第圆桶和法拉第圆桶F F放在不在一放在不在一条直线的方向上，如图示。阴条直线的方向上，如图示。阴极射线从极射线从A A发出，经过与阳极发出，经过与阳极B B相连的小孔射到正对的管

24、壁相连的小孔射到正对的管壁D D上，上，产生荧光斑点。当用磁铁使射产生荧光斑点。当用磁铁使射线偏转，进入法拉第圆桶，这线偏转，进入法拉第圆桶，这就保证了圆桶内收集到的一定就保证了圆桶内收集到的一定是阴极射线。实验结果表明，是阴极射线。实验结果表明，收集到的是负电荷，证实了阴收集到的是负电荷，证实了阴极射线的负电性。极射线的负电性。实验三：静电偏转实验：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

25、，这是由于残余气体分子在电场作动了一下。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。偏转。从而否定了以太说。实验四：荷质比实验四：荷质比e/me/m的测量：的测量： 方法一方法一是在上一实验装置管子的两测各加一通电线圈，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

26、，计算出阴极射线的荷质比以及微粒子的运动速度。偏转，计算出阴极射线的荷质比以及微粒子的运动速度。 v2.7109厘米厘米/秒，秒，e/m0.8107电磁单位电磁单位/克。克。 方法二方法二是测量阳极的温升。因为阴极射线打到阳极上，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。会使阳极温度升高。J.J.汤姆逊把热电偶接到阳极，测量它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阴

27、极射线的荷质比与速度(见下页见下页)。 证明电子存在的普遍性：证明电子存在的普遍性： J.J.J.J.汤姆逊用不同材料做阴极，并用不同的气体做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。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行距离可达1 1厘米，而空气分子的平均自由程仅有厘米，而空气分子的平均自由程仅有1010-5-

28、5厘厘米，因此阴极射线的质量一定比空气分子小的多。米，因此阴极射线的质量一定比空气分子小的多。 1897 1897年发表论文年发表论文论阴极射线论阴极射线，“阴极射线的载阴极射线的载荷子比起电解的氢离子，荷子比起电解的氢离子，m/em/e小的多。原因可能是小的多。原因可能是m m小或小或e e大或兼有之大或兼有之”。其他实验验证：其他实验验证：1.1.光电效应中产生的光电流：光电效应中产生的光电流：18871887年赫兹发现光电效应，年赫兹发现光电效应，但对产生的光电流的本质不清楚。但对产生的光电流的本质不清楚。18991899年，年，J.J.J.J.汤姆逊用汤姆逊用磁场偏转法测量了产生的光电

29、流的荷质比，结果与阴极射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。线近似。3.3.射线的测定：射线的测定： 18981898年卢瑟福发现了年卢瑟福发现了射线，不久，贝克勒尔用磁场射线，不久，贝克勒尔用磁场和电场偏转法测得和电场偏转法测得射线的荷质比和速度，证明和阴极射射线的荷质比和速度，证明和阴极射线相同。线相同。2.2.热电效应中的负离子：热电效应中的负离子： 热电效应是热电效应是18841884年爱迪生发现的，他在研制白炽灯时，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。发现灯泡里的白炽碳丝加热后有负电逸出。18991899年，年，J.J.J.J

30、.汤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。致。 J.J.J.J.汤姆逊在掌握大量实验事实的基础上，汤姆逊在掌握大量实验事实的基础上，于于18991899年做出年做出结论：结论： 不论是阴极射线、不论是阴极射线、射线还是光电流，都是电子组射线还是光电流，都是电子组成的；成的； 不论是由于强电场的电离、正离子的轰击、紫外光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同样的带电粒子-电子；电子； 这种带电粒子比原

31、子小千倍，可见，电子是原子的组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。成部分，是物质的最基本电位。 “ “电子电子electron”electron”一词原是由斯坦尼一词原是由斯坦尼18911891年提出，用年提出，用来表示电的自然单位来表示电的自然单位 J.J. J.J.汤姆逊的研究生汤森德、汤姆逊的研究生汤森德、H.A.H.A.威尔逊、威尔逊、C.T.R.C.T.R.威尔逊等在测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罗伯特特密立根密立根的油滴实验。的油滴实验。 密立根 在

32、1909年到1917年期间所做的测量微小油滴上所带电荷的工作，即油滴实验，是物理学发展史上具有重要意义的实验。这一实验的设计思想简明巧妙，方法简单，而结论却具有不容置疑的说服力，因此这一实验堪称物理实验的精华和典范。密立根在这一实验工作上花费了近10年的心血，从而取得了具有重大意义的结果，那就是(1)证明了电荷的不连续性(具有颗粒性)。(2)测量并得到了元电荷即为电子电荷，其值为e=1.6010-19C。现公认e是元电荷，对其值的测量精度不断提高，目前给出最好的结果为 e=(1.602 177 330.000 000 49)10-19C 密立根因测出电子电荷及其他方面的贡献，荣获1923年度诺

33、贝尔物理奖。3.3.电子电量和质量的测量电子电量和质量的测量油滴实验油滴实验密立根油滴实验简介用喷雾器将油喷入两块相距为用喷雾器将油喷入两块相距为d d的水平放置的的水平放置的平行极板之间，油在喷射撕裂成油滴时，一般都带平行极板之间，油在喷射撕裂成油滴时，一般都带上电荷，假如油滴的质量为上电荷，假如油滴的质量为m m，所带的电量为，所带的电量为q q，两，两极板间的电压为极板间的电压为U U 。油滴在极板间同时受到重力和。油滴在极板间同时受到重力和电场力、浮力、粘滞阻力的作用。电场力、浮力、粘滞阻力的作用。E E 为两极板间的为两极板间的电场强度。电场强度。 334am gamg334gaf3

34、134由于表面张力的作用，油滴一般呈小球状。设油滴由于表面张力的作用，油滴一般呈小球状。设油滴的密度为的密度为 ，半径为半径为a a ，则油滴的质量，则油滴的质量m m为：为：重力及空气浮力可表示为重力及空气浮力可表示为：平行板不加电压时平行板不加电压时，令油滴在空气中自由下落，下，令油滴在空气中自由下落，下落过程中受三个力的作用：重力落过程中受三个力的作用：重力mg mg ；浮力；浮力f f1 1 ；空；空气对它的粘滞阻力气对它的粘滞阻力f f2 2。 为空气密度af62空气粘滞阻力空气粘滞阻力 可表示为：可表示为：2f agaga6343433)(29ga 当油滴下落速度达到某一数值时，油

35、滴所受当油滴下落速度达到某一数值时，油滴所受合外力等于零时，油滴匀速下降。此时有：合外力等于零时，油滴匀速下降。此时有：最终求出了该油滴的半径最终求出了该油滴的半径mgf1F电 由上式可以求出该油滴的带电量由上式可以求出该油滴的带电量qdUqga334 平行板两端加以电压平行板两端加以电压，调节两极板间的电调节两极板间的电压压U U，使重力、电场力、浮力平衡，油，使重力、电场力、浮力平衡，油滴滴静止于空中静止于空中，则有关系式：，则有关系式：ga334 为了求基本电量为了求基本电量e e，在实验中，要对多个不同，在实验中，要对多个不同的油滴进行测量，然后根据的油滴进行测量，然后根据q q= =

36、ne e得到得到e e的值。的值。伦琴伦琴二二 X X射线的发现射线的发现1.1.伦琴伦琴(Wilhellm Konrad Rontgen,1845-1923): 德国物理学家。德国物理学家。1865年进年进入瑞士入瑞士 苏梨士工艺学院学习机苏梨士工艺学院学习机械工程，曾跟著名物理学家械工程，曾跟著名物理学家克克劳修斯劳修斯及及孔脱孔脱学习。学习。1869年获年获博士学位，先后在几所大学从博士学位，先后在几所大学从事教学和晶体、光学、电磁学事教学和晶体、光学、电磁学的研究工作。的研究工作。1888年任维尔茨年任维尔茨堡大学教授，堡大学教授，1894年担任校长。年担任校长。19世纪末，阴极射线的

37、研究正世纪末，阴极射线的研究正方兴未艾，一向治学严谨的伦方兴未艾，一向治学严谨的伦琴教授，也致力于这个问题的琴教授，也致力于这个问题的研究。研究。2.X2.X射线的发现过程射线的发现过程 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，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生荧光。后来，他又改用没有铝箔窗口的克鲁克斯管进行实

38、验，仍能使荧光屏产生荧光。验，仍能使荧光屏产生荧光。可是根据勒纳德实验，阴极射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。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 1895年年1111月月8 8日晚，为了防止外界紫外线和可见光的影日晚，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，又管外，又用黑纸将放电管包起来，用黑纸将放电管包起来，他意外的发现一米外的荧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，荧光屏上的闪光屏上发出闪光，将

39、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。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，并于个星期深入研究这一现象，并于1895年年12月月28日写成论文日写成论文论一种新的射线论一种新的射线递交给

40、维尔茨堡物理医学学会。这一论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。等文印出。 18961896年年3 3月送出第二篇月送出第二篇论一种新的射线论一种新的射线( (续续) )。 18971897年年3 3月又写了月又写了关于关于X X射线性质的进一步观察射线性质的进一步观察. . 在论文中伦琴总结了射线的性质：在论文中伦琴总结了射线的性质：新射线由阴极射线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；打在固体表面产生，固体元素越重产生的射线越强；新射新射线沿直线传播，不被

41、棱镜反射和折射，不被磁场偏转；线沿直线传播，不被棱镜反射和折射，不被磁场偏转；新新射线具有很强的穿透力，对所有的物质几乎都是透明的；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。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，故将其称为由于这种射线的本质尚无人所知，故将其称为X X射线。射线。直到直到19121912年，德国物理学家年，德国物理学家劳厄劳厄从晶体衍射的发现才判定从晶体衍射的发现才判定X X射线是频率极高的电磁波。不久，射线是频率极高的电磁波。不久，莫塞莱莫塞莱证实它是由原子中证实它是由原

42、子中内层电子跃迁所发出的辐射。内层电子跃迁所发出的辐射。19011901年，伦琴获首届诺贝尔物理奖。年，伦琴获首届诺贝尔物理奖。早期的早期的X X射线装置射线装置 图图3.伦琴射线发现的意义伦琴射线发现的意义 由于由于X X射线与原子中内层电子的跃迁有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。存在亟待研究的领域。 X X射线本身在医疗、研究物质结构等方射线本身在医疗、研究物质结构等方面都有很多的实用价值。面都有很多的实用价值。1880年，哥尔年，哥尔斯坦（德）斯坦（德）1887年，克鲁克斯年，克鲁克斯1890年，

43、古兹比年，古兹比得（美）得（美）1895年，斯密年，斯密士（英）士（英）4.4.严谨的科学态度所结出的丰硕之果严谨的科学态度所结出的丰硕之果 都曾观察到过都曾观察到过X X射线的现象，但未深究，错过了机会。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，因此他发现了而伦琴善于观察，精心分析，因此他发现了“X”X”光。光。1.1.哥尔茨坦哥尔茨坦（E.GoldsteinE.Goldstein) )：18801880年，哥尔茨坦在研究阴极年，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，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，

44、但他认为这就是以太波动。使管内的荧光屏发光，但他认为这就是以太波动。2.2.克鲁克斯：克鲁克斯：18871887年，克鲁克斯发现放在阴极射线管旁边的年，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。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.3.J.J.汤姆逊：汤姆逊：18941894年年J.J.J.J.汤姆逊在测量阴极射线的速度时，汤姆逊在测量阴极射线的速度时，也作了观察到也作了观察到X X射线的记录。他当时没有时间研究这一问题，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只是在论文

45、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。上也发出了荧光。4.4.斯密士斯密士(G.Smith(G.Smith) )：18951895年英国牛津一位物理学家斯密士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。助手把盛底片的盒子放在别处保存。5.5.勒纳德：勒纳德：是研究阴极射线的权威之一，在研究阴极射线时是研究阴极射线的权威之一，在研究阴极射线时也遇到了也遇到了X X射线，但他却认为是速度无限大的阴极射线。射线，但他却认为是速度无限大的阴极射线。 1.1.铀盐的

46、放射性的发现铀盐的放射性的发现-贝克勒尔贝克勒尔 2.2.钋和镭的发现钋和镭的发现-居里夫人居里夫人 3.3.、射线的发现射线的发现-卢瑟福卢瑟福三三 天然放射性的发现天然放射性的发现.贝克勒尔贝克勒尔 (1852-1909) 生于法国巴黎，祖父和生于法国巴黎，祖父和父亲都是固体磷光专家，从父亲都是固体磷光专家，从事研究工作有事研究工作有60多年的历史，多年的历史，贝克勒尔早期从事光学研究，贝克勒尔早期从事光学研究，43岁开始研究放射现象。岁开始研究放射现象。贝克勒尔贝克勒尔1.铀盐放射性的发现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伦琴的发现，使贝克勒尔联想到，天然荧

47、光物体是否也能产生能产生X X光那样的放射现象呢？光那样的放射现象呢？.铀盐的实验铀盐的实验后来由于阴雨连绵，贝克勒尔用黑纸包上底片与铀盐一起后来由于阴雨连绵，贝克勒尔用黑纸包上底片与铀盐一起锁进抽屉，结果在锁进抽屉，结果在3 3月月1 1日实验前检查底片时，底片仍旧被铀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。是第二天，他在科学院的例会上公布了这一重

48、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暴晒可使荧光物质发出更强荧光) )，结果底片感光了。用玻，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。璃挡在铀盐和底片之间，底片同样暴光。18961896年年2 2月月2424日，日，他向科学院报告：他向科学院报告：“磷光物质能射出穿透黑纸的辐射。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，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；结果底片并没有感光； 进一步的研究发现：

49、只要有铀元素存在，就有这种贯穿进一步的研究发现：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。这种射线和无关。这种射线和X X射线一样，能穿透一切物质，并使气体电射线一样，能穿透一切物质，并使气体电离。人们称之为离。人们称之为“贝克勒尔射线贝克勒尔射线”。贝克勒尔获贝克勒尔获1903年诺贝尔奖。年诺贝尔奖。. .意义意义 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。也具有自发辐射现象，引起了人们对原子

50、核问题的关注。居里夫人像居里夫人像.居里夫人居里夫人(1867-1934) 波兰中学毕业获金质奖章，波兰中学毕业获金质奖章，由于波兰当时女子不能上大学，由于波兰当时女子不能上大学，做了做了8 8年家庭教师，筹了费用，年家庭教师，筹了费用，于于18911891年到法国巴黎，进入法兰年到法国巴黎，进入法兰西共和国大学理学院学习。西共和国大学理学院学习。18931893年获物理硕士学位，次年又获得年获物理硕士学位，次年又获得数学硕士学位。数学硕士学位。18941894年与法国物年与法国物理学家皮埃尔理学家皮埃尔居里相恋。居里相恋。19031903年年获诺贝尔物理奖，获诺贝尔物理奖，19111911年

51、获诺贝年获诺贝尔化学奖。尔化学奖。2.钋和镭的发现钋和镭的发现我追求的是一种创造之乐，这才是永远的幸福。我追求的是一种创造之乐，这才是永远的幸福。 居里夫人居里夫人皮埃尔皮埃尔居里居里 法国物理学家，从小聪慧过法国物理学家，从小聪慧过人，人，1616岁获学士学位，岁获学士学位，1818岁获硕岁获硕士学位，士学位，2424岁被担任巴黎市立理岁被担任巴黎市立理化学校物理实验室主任。曾与哥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应，发明了测量微量电量的压电石英静电计石英静电计-“-“居里计居里计”。后来。后来从事磁学研究，发现磁

52、性消失的从事磁学研究，发现磁性消失的温度温度-“-“居里点居里点”。. .钋的发现钋的发现 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。居里夫人认为这关。居里夫人认为这说明辐射只是一种原子过程。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

53、。她认为混合物中一定含有其他目前尚未知道的放射强的多。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。起投入到放射性的研究中。18971897年年7 7月，他们终于从铀矿渣中月，他们终于从铀矿渣中提炼出了钋，它比纯铀放射性强提炼出了钋，它比纯铀放射性强400400倍倍

54、! ! 居里夫人认为居里夫人认为: :不应只有一种元素能自发辐射，其他元素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，种元素和化合物，18981898年她与德国德施莱特同时发现，年她与德国德施莱特同时发现，“钍钍”也具有与铀类似的辐射，并建议把这种性质叫做也具有与铀类似的辐射，并建议把这种性质叫做“放射性放射性”。居里夫人自传中写到居里夫人自传中写到:“:“为达到这样的目的，设备是为达到这样的目的，设备是极其简陋的，我们没有资金，没有适宜的实验室，没有任极其简陋的，我们没有资金，没有

55、适宜的实验室，没有任何帮助，就好像平地起家一样。何帮助，就好像平地起家一样。”.镭的发现镭的发现有人不相信有人不相信:“:“镭的原子量是多少镭的原子量是多少? ?镭在哪里镭在哪里?”?” 但是钋的放射性比预期的仍然低，继续实验，但是钋的放射性比预期的仍然低，继续实验，18981898年年1212月，又发现了比铀的放射性强月，又发现了比铀的放射性强200200多万倍的多万倍的新元素新元素-镭镭 (radium) !(radium) !为了消除人们的怀疑，为了消除人们的怀疑，他们决心提炼出纯镭，镭矿渣他们决心提炼出纯镭，镭矿渣非常贵，奥地利送了一吨，在非常贵，奥地利送了一吨，在低矮的棚屋里，居里夫

56、妇从低矮的棚屋里，居里夫妇从18991899年至年至19021902年，花了年，花了4545个月个月的时间，历时四年，经过几万的时间，历时四年，经过几万次的提炼，终于从次的提炼，终于从8 8吨矿渣中吨矿渣中提炼出提炼出0.120.12克的氯化镭，从中克的氯化镭，从中找到了两根特征光谱线，并宣找到了两根特征光谱线，并宣布镭的原子量为布镭的原子量为225!225!居里夫妇在工作居里夫妇在工作.科学属于全人类科学属于全人类镭可以治狼疮和癌肿，镭可以治狼疮和癌肿，0.10.1克镭就值克镭就值7575万金法郎万金法郎! !一个美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。国公司想收买专利，

57、都被生活并不富裕的居里夫妇谢绝了。他们认为他们认为: :我们发现了科学，又把它据为己有，这违反科我们发现了科学，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，然而，居里夫人由于长期接触放射性物质，患了恶性贫血症，她的丈夫她的丈夫19061906年死于车祸，居里夫人在精神打击和身体折磨的年死于车祸，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，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

58、重。她的女婿约里奥（赢得了人们的敬重。她的女婿约里奥（1900-19581900-1958）在）在5050年代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，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，她当年用过的烹调书，5050年后再检查，仍然有放射性。年后再检查，仍然有放射性。19341934年，年，居里夫人去世；居里夫人去世；19561956年她的女儿伊伦年她的女儿伊伦居里（居里（1897-19561897-1956）也死）也死于恶性贫血；于恶性贫血；19581958年女婿约里奥也因放射性辐射而去世。居里年女婿约里奥也因放射性辐射而去世。居里夫

59、人的一家全部都献给了这壮丽的伟大事业。夫人的一家全部都献给了这壮丽的伟大事业。 镭镭的发现促进了对放射性的进一步研究，并相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。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进一步的工作就是要探索放射性的本质及其规律。律。 更多的科学家开始了这方面的研究，其中贡献更多的科学家开始了这方面的研究，其中贡献最大的是最大的是J.J.J.J.汤姆逊的学生汤姆逊的学生-卢瑟福卢瑟福(Ernest (Ernest Rutherford,1871-1937)Rutherford,1871-1937)3.、射线

60、的发现射线的发现卢瑟福卢瑟福卢瑟福卢瑟福 新西兰人，祖籍英国苏格兰，新西兰人，祖籍英国苏格兰，18711871年生于新西兰的一户农村家庭，年生于新西兰的一户农村家庭，1818岁进入岁进入新西兰大学学习，新西兰大学学习，18931893年大学毕业，年大学毕业，18951895年被选送到剑桥大学深造，在年被选送到剑桥大学深造，在J.J.J.J.汤姆逊汤姆逊领导的卡文迪什实验室当研究生领导的卡文迪什实验室当研究生(J.J.(J.J.汤汤姆逊的第一位研究生姆逊的第一位研究生) )。18981898年应邀担任年应邀担任加拿大麦吉尔大学物理学教授。曾同汤姆加拿大麦吉尔大学物理学教授。曾同汤姆逊一起研究逊一