第七章-世纪之交的物理学

第七章世纪之交物理学的发展§1经典物理学的局限性§219世纪的物理学上的三大发觉§3经典物理学的两朵乌云§1经典物理学的局限一经典力学基本概念和基本原理的固有局限性：1.把经典力学建立在确定时间和确定空间的框架上；2.把引力看作为干脆的、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。5.机械确定论二经典物理学与经典力学之间的冲突 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化发展，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，一是对光的相识始终存在两种相互冲突的观点：微粒说和波动说；二是对于作为确定空间和波的载体的“以太”原委是什么，如何对它进行检测？它究竟具有哪些性质？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”必需极其稀薄且没有质量，等等。这些性质不但难以理解，有些甚至相互冲突。2.与电磁学的冲突：媒递作用---超距作用的冲突；即时传播---有限速度的冲突；能量连续分布的场---质点是能量的唯一载体的冲突等等。3.与热学的不协调：经典力学（包括电磁场理论）中的规律关于时间都是对称的、可逆的，时间只是从外部描述运动的一个参量。它的变更对于运动的性质并无影响。而热学中熵增原理的发觉，却指出了自然过程的不行逆性和历史性。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。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，依据这种定义的方法，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，假如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，假如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。 马赫对牛顿确定时空和确定运动进行了批判，马赫认为：“时间是一种抽象”，时间是不能独立自存的。空间也不能脱离物体而存在。假如宇宙中没有物体，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。马赫批判了牛顿的“水桶试验”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，正是马赫对确定时间的批判，使爱因斯坦“最终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。马赫对水桶试验的批判，使人们的思想从“确定运动”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干脆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世纪物理学上的三大发觉一.电子的发觉二.X射线的发觉三.自然放射性的发觉一电子的发觉背景：十九世紀末，了解电的本质成了当务之急，促成很多科学家探讨低压气体放电、阴极射线及真空技术。1.阴极射线的探讨①德国学派的以太波的观点：普吕克尔，哥尔茨坦，赫兹等②英国学派的带电微粒说：瓦尔利，克鲁克斯，舒斯等。 佩兰(Perrin)试验： 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。发现电子的——J·J·汤姆逊2.电子的发觉： J·J·汤姆逊(1856-1940)简介 14岁进入曼彻斯特高校，1876年获数学奖金而进入剑 桥高校三一学院深造。1880年获二等史密斯奖金，进入卡 文迪什试验室，在瑞利教授的指导下进行电磁学探讨。 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。1906年获得诺贝尔物理学 奖。培育的学生有卢瑟福、玻尔、威尔逊等多人，他们都 先后荣获了诺贝尔奖。 J.J.汤姆逊设计了一系列试验，以无可辩驳的事实确证了 阴极射线是带负电的粒子流。试验一阴极射线的磁偏转试验： 1895年，汤姆逊将佩兰试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。试验二：阴极射线的静电偏转试验： J.J.汤姆逊重复了赫兹的静电场偏转试验，他改善真空条件，并减小极间电压，最终获得了稳定的静电偏转。从而否定了以太说。试验三：荷质比e/m的测量： 方法一是在上一试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。然后依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。物理革命的新曙光二X射线的发觉1.伦琴

德国物理学家。1901年，伦琴获首届诺贝尔物理奖。

略三自然放射性的发觉1.铀盐的放射性的发觉----贝克勒尔2.钋和镭的发觉----------居里夫人3.α、β、γ射线的发觉--卢瑟福天然放射性的发现1.铀盐放射性的发觉------贝克勒尔 贝克勒尔生于法国巴黎，祖父和父亲都是固体磷光专家， 从事探讨工作有60多年的历史，贝克勒尔早期从事光学研 究，43岁起先探讨放射现象。 选择硫酸钾铀酰作为试验材料，并放在太阳底下暴晒 (暴晒可使荧光物质发出更强荧光)，底片感光了。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， 结果再次试验前检查底片时，底片照旧被铀盐感光了。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，于是其次天，他在 科学院的例会上公布了这一重大发觉。 贝克勒尔获1903年诺贝尔奖天然放射性的发现2.钋和镭的发觉①.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年家庭老师，筹了费用，于1891年到法国巴黎，进入法兰西共和国高校理学院学习。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·居里结婚。1903年获诺贝尔物理奖，1911年获诺贝尔化学奖。 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岁担当巴黎市立理化学校物理实 验室主任。曾与哥哥约克共同发觉了晶体的压电效应，独创了 测量微量电量的压电石英静电计---“居里计”。后来从事磁学 探讨，发觉磁性消逝的温度---“居里点”。天然放射性的发现②.钋(po)的发觉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。证明白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、化学状态无关。居里夫人认为这说明辐射只是一种原子过程。1897年7月，他们最终从铀矿渣中提炼出了钋，它比纯铀放射性强400倍!③.镭的发觉但是钋的放射性比预期的仍旧低，接着试验，1898年12月，又发觉了比铀的放射性强900多倍的新元素----镭(radium)!1899年进一步提炼到放射性达7500倍铀的晶体，之后到10万倍，还不是纯镭。（雷：是埃及古代至高无上的神--太阳神，居里把它命名为“镭”，也亲切地把它叫做放射性的“小太阳”。）天然放射性的发现 为了消退人们的怀疑，他们决心提炼出纯镭，镭矿渣特别贵，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，最终从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! 1903年完成博士论文，同年12月获诺贝尔物理学奖。 1912年又成功分别出纯金属镭，其次年获诺贝尔化学奖。居里夫妇在工作天然放射性的发现④.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，都被生活并不富有的居里夫妇谢绝了。 他们认为:我们发觉了科学，又把它据为己有，这违反科学精神，再说镭能治病，我们就更应当无条件地献出它的隐私!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熬煎的双重压力下，仍旧初衷不改，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年头用仪器检测她当年的试验记录本，发觉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，仍旧有放射性。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宏大事业。3.α、β、γ射线的发觉 镭的发觉促进了对放射性的进一步探讨，其中贡献最大的是J.J.汤姆逊的学生----卢瑟福 ①卢瑟福发觉α射线和β射线：在获知居里夫妇发觉镭辐射 后，马上转向放射性对气体电离作用的探讨，1898年，卢瑟 福用强磁铁使铀射线偏转，发觉射线分为方向相反的两股， 一股极易被吸取，他称之为α射线；另一种具有较强的穿透 力，称之为β射线。②维拉德(P.Villard)发觉γ射线：法国人，1900年,维拉德将镭放入一个铅罐中，铅罐一侧开一小口，放射性射线可从今射出，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α射线而让β射线通过，结果发觉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，这一射线确定不是α、β射线，而是一种不受磁场偏转的辐射实力更强的一种新射线。与X射线特别类似，后来被卢瑟福称为γ射线。③原子的嬗变理论：对放射性过程的探讨，使他们意识到“放射性既是原子现象，又能产生新的化学变更的伴生物”。于是1902年提出了放射性元素的嬗变理论。卢瑟福简介 新西兰人，祖籍英国苏格兰，1871年生于新西兰，18岁进入新西兰高校学习，1893年高校毕业，1895年被选送到剑桥高校深造，在J.J.汤姆逊领导的卡文迪什试验室当探讨生(J.J.汤姆逊的第一位探讨生)。1898年应邀担当加拿大麦吉尔高校物理学教授。 在获知居里夫妇发觉镭辐射后，转向放射性对气体电离作用的探讨，提出原子的嬗变理论。1907年返回英国，任曼彻斯特高校物理学教授。主要探讨α粒子的散射作用，提出了原子的核式模型。1908年因对放射化学的探讨荣获诺贝尔化学奖。1919年任剑桥高校教授，并任卡文迪许试验室主任。 上述三大发觉打破了几百年来形成的物质不灭、能量守恒、原子不行分等传统观念，揭开了物理学革命的序幕，它标记着物理学的探讨由宏观进入到微观。卡文迪什试验室：始建于1871年，建成于1874年，是英国剑桥高校的前身，麦克斯韦为第一任试验室主任。卡文迪什试验室，作为世界上最著名的物理学教化和科研中心之一，培育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.汤姆逊主持试验室工作，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。这期间科学探讨硕果累累，人才辈出，走在世界的前列，有10位工作人员获得诺贝尔奖。1919～1937年卢瑟福主持卡文迪什试验室工作，主要进行放射性和核物理探讨，先后取得了发觉中子、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，卡文迪什试验室达到其科学成就的高峰。在卢瑟福主持工作的18年间，试验室中共有12人获诺贝尔奖，这18年是该试验室的黄金时期，这期间它成为世界试验物理的探讨中心。§3经典物理学的两朵乌云 19世纪的最终一天，在欧洲著名的科学家年会上，英国著名物理学家W．汤姆生（开尔文）发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的宏大成就时说，物理学大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。同时，他在展望20世纪物理学前景时讲道：“动力理论确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覆盖了，”“第一朵乌云出现在光的波动理论上，”“其次朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。”他所说的第一朵乌云，主要是指：“迈克耳逊－莫雷实验”与“以太漂移说”的冲突；其次朵乌云，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说明中得出与试验不等的结果，其中尤以黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。其次朵乌云——黑体辐射与“紫外灾难” 黑体辐射试验：19世纪末，卢梅尔等人在做试验时发现：黑体辐射的能量不是连续的，它按波长的分布仅与黑体的温度有关。（与经典物理学能量连续的观点严峻冲突）。 对上述试验结果说明的三个典型人物： 一.维恩 二.瑞利和金斯 三.普朗克紫外灾难和普朗克的量子假说1.维恩定律 1896年，德国物理学家维恩通过半理论半阅历的方法，得到一个辐射能量分布公式： 3−Aν/T 但这个公式只在短波区、温度较低时和试验结果符合， 而在长波区不符。 2.瑞利——金斯定律 2 ρ(ν,T)=3