(1.12)-讲稿11-微观物理（1）物理史话

讲稿讲授内容备注第5页共5页引题：上节课详细讲述了几何光学形成过程中各位科学家的卓越贡献，以及这一完整学科建立过程的曲折经历，今天开始进入光学史下一阶段的学习一、经典困难几朵乌云1.光谱的研究：2.固体的比热容（1）固体比热的历史1819年，化学家杜隆（P.L.Dulong，1785—1838）物理学家珀替（A.T.Petit,1790—1820）发现：所有简单物体的原子具有的热容量相同。1832年纽比曼（F.E.Neumann）提出分子热定律：化学式为Aa、Bb、Cc的化合物，其分子热容量为：C=aCA+bCB+cCC+⋯即比热容与温度无关1872年，H.F.韦伯，1898年贝恩（Behn）、1905年杜瓦均有文章论述：温度越低，比热越小(H．F．韦伯是苏黎世联邦工业大学的物理教授，爱因斯坦早年就学于苏黎世时，正好听过他的讲课，并在他的实验室中工作过)（2）爱因斯坦对固体比热的研究1906年，爱因斯坦应用普朗克的量子假说推导出的比热容公式，与H.F韦伯的测量数据基本相符，第一次用量子理论解释了固体比热的温度特性（3）能斯特的工作1910年2月能斯特发表在液氢温度（20.3K）利用他创制了真空量热计，测出的比热容与爱因斯坦的理论定性相符1911年能斯特与林德曼根据爱因斯坦的方程提出一经验公式对爱因斯坦理论的重要补充。爱因斯坦旋即承认这是一个有价值的公式（其实，他早就申明过，用单一频率是为了简化，不可避免某些地方会造成理论和实验结果的分歧）。（4）第一届索尔威会议1911年10月29日在比利时的布鲁塞尔召开第一届索尔威（化学工业巨头）国际物理会议，讨论的主题就是《辐射理论和量子》能斯特和爱因斯坦都作了发言宣传量子理论，影响很大，例如：卢瑟福回到英国曾与玻尔详细讨论过，法国的路易斯·德布罗意从他兄长莫里斯·德布罗意编辑的索尔威会议文集中获得会议的信息，他们两人后来都对量子理论的发展作了卓越的贡献。3.经典实验（1）黑体辐射——1900年普朗克公式（2）光电效应——1905年爱因斯坦光电子论（3）康普顿效应——1904年英国物理学家伊夫(A.S.Eve)发现——1923年康普顿成功解释光的波粒二象性二、原子模型的建立1.电子的发现（1）阴极射线的发现1858年德国物理学家普吕克尔（JuliusPlücker，1801—1868）在观察放电管中的放电现象时发现。阴极射线的本性：德国学派主张以太说，英国学派主张带电微粒说。1871年，英国物理学家瓦尔利（C.F.Varley，1828—1883）提出这一射线是由带负电的物质微粒组成的设想。1876年哥尔茨坦（EügenGoldstein,1850—1930）命名为阴极射线判断它是类似于紫外线的以太波（2）J.J.汤姆生的工作定性研究：改进了赫兹的静电场偏转实验进一步提高了真空度并且减小极间电压，以防止气体电离，终于获得了稳定的静电偏转。定量研究方法一：测荷质比e/m用静电场偏转管在管子两侧各加一通电线圈以产生垂直于电场方向的磁场，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e/m，法二：测量阴极的温升把热电偶接到阴极，测量它由于阴极射线撞击引起的温度变化，两种不同的方法得到的结果相近证明电子存在的普遍性。用不同的阴极和不同的气体做实验，结果都是同一数量级，证明各种条件下得到的都是同样的带电粒子流，与电极材料、气体成分无关。1897年4月30日J.J.汤姆生向英国皇家研究所报告了自己的工作，随即又以《论阴极射线》为题发表论文汤姆生的实验①直接检测阴极射线带的电性：改进佩兰实验——他把联到静电计的电荷接受器（法拉第圆桶）安装在真空管的一侧，平时没有电荷进入接收器。用磁场使射线偏折，当磁场达到某一值时，接收器接收到的电荷猛增，说明电荷来自阴极射线。②提高真空度：J.J.汤姆生重复了赫兹的静电场偏转实验，起初也得不到任何偏转。后来经仔细观察，注意到在刚加上电压的瞬间，射束轻微地摆动了一下。他马上领悟到，这是由于残余气体分子在电场的作用下发生了电离，正负离子把电极上射线所带电荷的实验装置的电压抵消掉了。显然这是由于真空度不够高的原因。于是，他在实验室技师的协助下努力改善真空条件，并且减小极间电压，终于获得了稳定的静电偏转。这样，J.J.汤姆生就获得了驳斥以太说的重要证据“电子”一词的来历：1891年斯坦尼（G.T.Stoney，1826—1911）用于表示电的自然单位1899年J.J.汤姆生采用“电子”“载荷子，就这样电子被发现了。J.J.汤姆生又测量了光电流和热电子及β射线的荷质比证明它们都是由电子组成的，它比原子小千倍，电子是原子的组成部分，是物质的更基本的单元。光电效应是1887年赫兹发现的热电发射效应是1884年爱迪生（ThomasEdison，1847—1931）发现的，所以也称爱迪生效应β射线是卢瑟福（ErnestRutherford，1871—1937）在1898年发现。附：约瑟夫·约翰·汤姆逊(Thomson，JosephJohn,1856-1940）1906年诺贝尔物理学奖授予英国剑桥大学的J.J.汤姆孙爵士以表彰他对气体导电的理论和实验所作的贡献。1856年生于英国曼切斯父亲是苏格兰人，以卖书为业14岁进曼彻斯特欧文学院学习工程．1876年入剑桥大学三一学院，毕业后进入卡文迪许实验室1884年（28岁）当选为皇家学会会员．1884年又继瑞利之后担任卡文迪许实验室教授1906年诺贝尔物理学奖授予英国剑桥大学的J.J.汤姆孙爵士以表彰他对气体导电的理论和实验所作的贡献1940年8月30日汤姆生在剑桥逝世J.J.汤姆孙的贡献：1.建设与发展了卡文迪许实验室（1）更新实验室，引进新的教授法，创立了一个极为成功的研究所（2）实行吸收外校(包括国外)毕业生当研究生的制度2.发现电子：对仪器工作原理的理解却是非常敏捷不善于具体操作3.名师卢瑟福，C．T．R．——原子核之父威尔逊(C．T．R．Wilson)，R．J．——云室斯特拉特(R．J．Strutt）——瑞利勋爵的儿子汤森(J．S．E．Townsend)——激光之父巴克拉(C．G．Barkla)1917年度诺贝尔物理学奖里查森(O．W．Richardson)1928年阿斯顿(F．W．Aston)——发现质谱仪泰勒(G．I．Taylor)以及汤姆逊(G．P．Thomson)从卡文迪许实验室出身的诺贝尔奖获得者1.瑞利第三1904研究气体密度，发现氮2..J.汤姆逊1906气体导电的理论和实验研究3.卢瑟福1908因放射性研究获诺贝尔化学奖4.W.H.布拉格、W.L.布拉格1915用x射线研究晶体结构5.巴克拉1917发现作为元素特征的二次X射线6.阿斯顿1922因发明质谱仪而获诺贝尔化学奖7.C.T.R.威尔逊1927发现用蒸汽凝结的方法显示带电粒子的轨迹8.理查森1928研究热电子现象，发现理查森定律9查德威克1935发现中子10.G.P.汤拇逊1937电子衍射11.阿普列顿1947上层大气的物理特性12.布莱开特1948改进威尔逊云室2.原子模型的历史演变1）长岗的土星模型：长岗半太郎（1865—1950）1903年根据麦克斯韦的土星卫环理论推测原子的结构，他的论文题目是：《用粒子系统于1904“我要讨论的系统，是由很多质量相同的质点，联接成圆，间隔角度相等，互相间以与距离成平方反比的力相互排斥。在圆中心有一大质量的质点对其它质点以同样定律的力吸引。如果这些互相排斥的质点以这系统一般将保持稳定。”提出有核模型，不稳定2）勒纳德的中性微粒模型：原子内的电子相应的正电荷组成中性微粒3）里兹的磁原子模型：1908年里兹提出原子光谱的组合原理电荷在电磁场中运动的情况相当4）汤姆生的实心带电球模型：西瓜或枣糕模型，影响最大5）哈斯将量子假说运用于原子模型的尝试哈斯（A.E.Haas，1884—1941）是奥地利的一位年青物理学家尼科尔松的量子化原子模型尼科尔（JWNicholson3.卢瑟福的有核模型：1）实验：1909年盖革（1882—1947）和马斯登（1889－1945）作α粒子的大角度散射实验2)建立：卢瑟福用土星模型计算结果与实验基本符合3)提出：1911年发表《物质的α和β粒子的散射和原子结构》原子核带正电，它的电荷是+Ze，原子的半径电子的位置必须扩展到以核为中心的，以R为半径的球内或球面上，象行星一样绕核旋转。”不足：电子绕原子核旋转向外辐射电磁波发射光谱应为连续光谱，另一方面电子最后终会落到核上，这与原子的稳定性相矛盾4.玻尔模型：1)玻尔简介：尼尔斯·亨利克·大卫·玻尔(1885.～1962)1885年10月7日出生于丹麦的哥本哈根。1903年，玻尔进入哥根哈根大学学习物理学1911年以论文《金属电子论探讨》获得博士学位。1911年秋，玻尔赴剑桥大学，并在J．J．汤姆逊指导下在卡文迪许实验室从事原子物理的实验和理论研究。1912年4月，他又到曼彻斯特大学，在卢瑟福实验室从事了4个月的α射线散射的实验工作。他的主要工作是原子、分子和原子结构理论，并作出许多重大贡献。1913年在《哲学杂志》上发表了论文《原子结构和分子结构》提出原子模型2)玻尔氢原子模型*两条基本假设（1）体系在定态中的动力学平衡可以藉普通力学进行讨论（2）在不同定态之间的过渡伴随有均匀辐射的发射，其频率与能量之间的关系*作用：很好地解释了氢和类氢原子的光谱，并预言了氢和氯的一些新谱线的存在。*实验证实：不久被弗兰克—赫兹的实验证实。由这一杰出的成果，获得1922年诺贝尔物理奖。不足：不能解释氦原子及更复杂原子的光谱，不能解释谱线的强度等问题，他的量子化假设没有从理论上作出适当的解释。尼尔斯·亨利克·大卫·玻尔(1885.～1962)简介：与普朗克、爱因斯坦人称量子物理三巨头1885年10月7日出生于丹麦的哥本哈根。1903年，玻尔进入哥根哈根大学学习物理学1911年以论文《金属电子论探讨》获得博士学位。1911年秋，玻尔赴剑桥大学，并在J．J．汤姆逊指导下在卡文迪许实验室从事原子物理的实验和理论研究。1912年4月，他又到曼彻斯特大学，在卢瑟福实验室从事了4个月的α射线散射的实验工作。他的主要工作是原子、分子和原子结构理论，并作出许多重大贡献。1913年在《哲学杂志》上发表《原子结构和分子结构》提出原子模型1916年索末菲将电子运动轨道由圆型轨道推广到椭圆轨道。1916年玻尔接受哥本哈根大学理论物理讲席。1920年倡议成立了哥本哈根理论物理研究所，玻尔担任所长（许多年轻有为的理论物理学家如海森伯、泡利、狄拉克等都曾到这里学习或工作，他们自由讨论、不断创新，最后发展成了著名的“哥本哈根学派”）1940年德国入侵丹麦，玻尔拒绝与占领军合作1943年“曼哈顿计划”。竭力阻止使用美国的原子弹。他亲自找罗斯福总统进行会谈，杜鲁门政府在广岛和长崎投掷了原子弹，令玻尔感到十分震惊和愤怒。人物特