现代自然科学进展

1、第十章现代自然科学进展 1第一节 20世纪初的物理学革命一、世纪之交物理学三大发现二、经典物理学上空的“两朵乌云”三、世纪的序幕量子诞生记四、1905创造奇迹的一年五、广义相对论的建立六、量子力学理论体系的建立2一、世纪之交物理学三大发现X-射线：1895，（德）伦琴放射性：1896，（法）A H 贝克勒尔电子：1897，（英）J J 汤姆逊 3二、经典物理学上空的“两朵乌云”“以太漂移”的探索：1887，M-M黑体辐射研究中发生的“紫外灾”难题：1900，瑞利 4三、世纪的序幕量子诞生记1黑体辐射研究遭遇“紫外灾难” 基尔霍夫（Kirchhoff，18241887） 1859年，基尔霍夫定律

2、： 1860年，基尔霍夫引入了绝对黑体的概念 51896年，维恩辐射定律 。维恩由于发现了这一辐射定律而获得1911年诺贝尔物理学奖金。 式中B和是常量，为频率。 维恩辐射定律在波长较短、温度较低时才与实验结果相符，而在长波区域却与实验结果之间有着很大的偏差。 61900年 ，瑞利金斯公式。应用瑞利金斯公式求出来的理论值，当频率较低时，与实验结果符合得比较好，但是，随着频率的升高，与实验结果之间出现越来越大的偏差。当频率极高时，辐射能量将趋向于无穷大，即在紫色一端发散。后来，这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。 72普朗克“量子”假说的提出1899年，普朗克依据热力学理论推导出维恩辐射定律

3、。1900年10月，用“内插法”去寻求新的辐射公式，使其在长波部分渐进于瑞利金斯公式，在短波部分渐进于维恩公式。1900年10月19日，维恩辐射定律的改进 这一公式与测量数据在任何情况下都令人满意地一致。 81900年12月24日，量子论的诞生之日。 关于正常光谱的能量分布定律能量“量子化”的假设：物体在发射辐射和吸收辐射的过程中，能量不是无限可分的，而是有一个最小的单元。这个不能再分的最小的能量单元，称为“能量子”或“量子”，它的数值的大小与其震动频率成正比，其关系式可写成 普朗克辐射公式 （h 为普朗克常数 ）93爱因斯坦与普朗克 对待“量子”的不同态度“能量子”假说与经典物理学理论是如此

4、的格格不入 普朗克虽然发现了能量子，却没能够立刻理解能量子，他当时认为能量子的存在“纯粹是一种形式上的假说”，他对它“没有想得太多”。 1905年3月，爱因斯坦发表论文关于光的产生和转化的一个推测性观点，提出“光量子” 假说。普朗克总想回到经典理论的立场。由于关于量子论的发现对物理学的发展所起的重大贡献，普朗克获得1918年度的诺贝尔物理学奖。10四、1905爱因斯坦的奇迹年 1905年，爱因斯坦写下了五篇著名的论文： “关于光的产生和转化的一个启发性观点”，讨论了光量子及光电效应； “分子大小的新测定”，推导出计算分子扩散速度的数学公式； “关于热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运

5、动”，提供了分子确实存在的证明； “论动体的电动力学”，给出了著名的狭义相对论理论； “物体的惯性是否决定其内能”，根据狭义相对论提出了质量与能量可互换的思想。111关于光量子论和 光的波粒二象性1905年3月，爱因斯坦在德国物理学纪事上发表了题为关于光的产生和转化的一个启发性观点的论文，提出了光量子假说，并利用光量子概念圆满地解释了光电效应。光是由一粒粒运动着的大量光子组成的粒子流，光的能量集中在光子上，其能量值为 E ，光的能量不仅在吸收和发射时是不连续的，在传播过程中也是不连续的；它与物质发生作用时也是以 E 为最小单位进行吸收和发射的。 12爱因斯坦光电效应的解释 电子若要脱离金属表面

6、，需要具备一定的逸出功。射向金属表面上的光，实质上就是具有能量是E 的光粒子（光量子）流，当它照射到金属表面时，金属中的电子由于吸收了光子流中的光子而使自己的能量增加，能量增加值E 。如果照射光的频率过低，则电子所增加的能量仍然小于其脱离金属表面所需要的逸出功，电子就不能脱离金属表面，所以就不能产生光电效应。如果照射光的频率提高到使电子所增加的能量E 大于逸出功，则电子吸收后就会具有足够的能量克服逸出功，从而脱离开金属表面。 13爱因斯坦得出的光电方程 光电子的能量 、照射光的能量和逸出功 A 三者之间的关系可以表示成 爱因斯坦1909年在维尔兹堡会议上首次提出光的波粒二象性的概念.“由于其在

7、理论物理方面的贡献和发展了光电效应定律”而获得1921年诺贝尔物理学奖。 142对布朗运动的研究最终证实了 分子和原子的真实性1803年10月18日，英国化学家道尔顿创立了新原子论。 1811年，意大利物理学家阿佛伽德罗提出分子假说。奥地利物理学家马赫（Ernst Mach，18381932）和德国物理学家奥斯特瓦尔德（Wilhelm Ostwald，18531932）分别从实证论和“唯能论”观点出发，对原子分子理论提出了怀疑和批判。 151827年，英国植物学家布朗（R. Brown，17731858）观察到布朗运动。1905年，爱因斯坦在论文中指出，悬浮粒子（布朗粒子）的运动是由于液体分子

8、从四面八方对它们撞击所引起的。一方面，由于这种撞击是不规则的，所以，来自不同方向的作用相互之间不能完全抵消；另一方面，由于悬浮粒子非常小，使其发生运动所需要的作用力不大。所以，周围分子不均匀碰撞所产生的不平衡力的作用足以使这些悬浮粒子发生运动。并定量分析，推算出悬浮粒子在单位时间内位移的平均值、溶质分子的大小和克分子数。1908年，法国物理学家佩兰（Jean Baptiste Perrin，18701942）通过精确的实验得出了与爱因斯坦理论相同的结果。 161908年，奥斯特瓦尔德转变了对原子论的敌视态度，指出：“原子假说由此提高了地位，成为一种基础巩固的科学理论。” 马赫直到逝世前两年依然

9、顽固地声称：“我不得不断然否认我是相对论者的先驱，正像我拒绝今天的原子论的信仰一样。”普朗克：“科学的重大革新很少通过说服他的反对者并使他们转变立场来实现，索耳是难以变成保耳的，事实上倒是，反对者逐渐死去，新生的一代一开始就熟悉新思想。” 173狭义相对论的建立 论文论动体的电动力学（1905年） 两个基本原理：爱因斯坦相对性原理 光速不变原理 洛仑兹变换方程组 时空观的变革：尺缩效应；钟慢效应； 质增效应；质能关系式18两个基本原理1、爱因斯坦相对性原理：物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是两个在互相匀速运动着的坐标系中的哪一个并无关系。2、光速不变原理：任

10、何光线在“静止的”坐标系中都是以确定的速度C运动着，不管这道光线是由静止的还是由运动的物体发射出来的。19洛仑兹变换方程组1-v2/C 2x= x - vty= yz= z1-v2/C 2t=t - (v/c2)xyzxoyxzov20时空观的变革尺缩效应钟慢效应质增效应质能关系式1-v2/C 2L =L 01-v2/C 2T = T 01-v2/C 2m =m 0E = mc221五、广义相对论的建立1916年，爱因斯坦建立广义相对论验证：水星轨道近日点的反常进动 光在引力场中传播时发生频移 光线在引力场中发生偏转相对论否定了牛顿的绝对时空观，揭示了空间与时间、空间时间与物质及其运动、质量与

11、能量之间存在的辩证关系。22六、量子力学理论体系的建立1900年12月4日，普朗克提出能量子基本假设（= h），量子力学诞生。1905年，爱因斯坦“光量子”1913年，玻尔原子结构的量子论（玻尔轨道模型，玻尔量子跃迁假说） 1923年，德布罗衣物质波1925，海森堡，矩阵量子力学1926年，雪定额，波动量子力学1928年，狄拉克，相对论量子力学23量子力学的发展，经历了一条：实验假说验证修改（完善）假说验证理论 的过程。（爱因斯坦的研究方法则与此不同，他用的是理想实验的方法，从假说推出理论，再接受实验的检验。）经过一批科学家的努力，到20世纪20年代，量子力学体系被建立起来。量子力学标志了对微

12、观世界认识的深入，揭示了连续性与间断性、波动性与粒子性的辩证统一，凸现了量子现象的整体性，打破了机械决定论的观念。24微观粒子的波粒二象性德布罗衣（de Broglie）1924年提出了具有静止质量的微观粒子（如电子）如同光一样也具有波粒二象性。 德布罗衣波长公式： hm（波性物性）其中：h为普朗克常数（6.62510-34J/s），为波长，m为质量，为运动速率。德布罗衣的预言1927年被电子衍射实验真实。(1929年获得诺贝尔奖) 25例：根据德布罗衣波长公式 hm宏观物体子弹：m=10g，=300m/s， =210-25 nm.宏观物体人：m=50kg，=10m/s， =1.310-27

13、nm.微观物体电子：m=9.110-31kg， =1.0106m/s， =0.73nm， 直径约10-6 nm.结论：宏观物体，因其质量和体积大，它们所显示的波动性极微，通常不予以考虑。 26第二节 现代物理学中 微观结构理论的迅速发展 一、关于原子核的基本结构理论的发展二、基本粒子理论的发展 1核物理实验手段的提高 加速器、对撞机 计数器 2基本粒子理论的发展和新粒子的发现27第三节 现代天文学进展一、宇宙学与对宇宙演化的研究 大爆炸宇宙学标准宇宙模型二、关于星系的起源和演化的研究、 最有影响的是康德拉普拉斯星云说三、关于恒星起源与演化的研究 弥漫说28一、宇宙（总星系）的起源和演化（1）基

14、本离子形成阶段（2）元素起源阶段（3）实物阶段（4）宇宙未来阶段取决于今天观测到的宇宙密度开放型宇宙；振荡型宇宙。29时代时间（秒）温 度（K）事件普朗克时代大统一时代强子 时代轻子 时代核合成时代复合 时代10-4310-3610-610-2100102101310151016610171032102810131011101010941033006028粒子产生，时空量子化宇宙膨胀，正反粒子数不对称生成质子-反质对湮灭中微子退出热平衡电子-正电子对湮灭，氦原子核生成中性氢生成，热平衡消失，宇宙进入物质为主时期星系和恒星形成人类进入文明社会宇宙热历史30支持大爆炸宇宙论的观测事实河外星系的谱线

15、红移(1929,哈勃）宇宙中普遍存在着30%的氦丰度绝对温度3度的微波背景辐射31二、星系的起源和演化 在“康德拉普拉斯星云说”基础上的进一步发展32三、恒星的起源和演化 星际弥漫物质 星云 原恒星 引力收缩（红外星） 主序星 红巨星 白矮星 超新星爆发 黑矮星 星际物质 中子星 黑洞33第四节 现代地质学进展现代地壳运动理论三部曲大陆漂移说：1910年，魏格纳 ；海底扩张说：1961年，美国的赫斯和迪兹创立；板块构造说：1968年，法国地质学家勒皮顺等人提出。 34第五节 现代化学进展量子化学的建立和现代化学发展的趋势结构化学与高分子化学 35第六节 现代生物学的进步一、遗传学的创立关于生物性状遗传的研究孟德尔，1866年，植