第七章 世纪之交的物理学.ppt

1、第7章：世纪之交物理学的发展，1。经典物理学的局限性。19世纪物理学的三大发现。经典物理学的两朵乌云。经典力学基本概念和原理的固有局限性：1 .在绝对时间和绝对空间的框架下建立经典力学；2.将重力视为一种直接的、即时的传递和超距作用；3.物体的质量是恒定的，与它的运动和能量无关；4.它只适用于宏观低速范围，不适用于高速和微观领域。5.机械决定论，经典物理学的局限性，以及经典物理学和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。然而，随着经典物理学的深入发展，它们与经典力学之间的裂痕日益显露，从而动摇了经典力学的基本地位。1.与光学不一致：主要表现在两个方面。首

2、先，关于光一直有两种矛盾的观点：粒子理论和波动理论；第二，什么是“以太”作为绝对空间和波的载体，如何探测它？它的特性是什么？例如，从光速的巨大价值来看，“以太”应该有很大的刚性。因为天体在太空中不受阻碍地运行，“以太”必须非常薄并且没有质量，等等。这些性质不仅难以理解，有些甚至相互矛盾。2.电磁学的矛盾：媒介传递和距离作用的矛盾；即时通讯速度有限的矛盾；能量连续分布的场粒子是能量的唯一载体的矛盾等等。3.与热力学不一致：经典力学(包括电磁场理论)中的定律相对于时间是对称和可逆的，时间只是描述外部运动的一个参数。它的变化对运动的本质没有影响。然而，热力学熵增原理的发现指出了自然过程的不可逆性和历

3、史性。1883年，奥地利的马赫发表了力学及其发展批判史导论，从科学和哲学的角度对经典力学进行了尖锐的批判。例如，在牛顿力学原理中，质量的概念被定义为密度和体积的乘积。马赫认为，根据这种定义方法，不同种类物体的质量是无法比较的，相对质量的概念应该成立：加速度是一个可测量的量。如果两个物体因相互作用而产生相同大小和相反方向的加速度，那么两个物体的质量是相等的。如果测得的加速度不相等，两个物体的质量比用加速度的负反比表示。马赫批评了牛顿的绝对时空和绝对运动。马赫认为“时间是一个抽象概念”，时间不能独立存在。没有物体，空间就不能存在。如果宇宙中没有物体，谈论空间是没有意义的。如果宇宙中只有一个物体，那

4、么唯一的物体就没有运动。马赫批评了牛顿的“桶实验”，爱因斯坦指出马赫为相对论的发展铺平了道路。在建立狭义相对论的过程中，正是马赫对绝对时间的批判使爱因斯坦“最终认识到时间是可疑的”，并在“同时性的相对性”问题上取得了突破。马赫对桶实验的批判把人们的思想从“绝对运动”的桎梏中解放出来，从而建立了加速运动的相对性概念。马赫的科学哲学甚至直接或间接地影响了大量的量子物理学家，如玻尔、波恩、海森堡、泡利和薛定谔。马赫的批判思想启发并推动了世纪之交物理学的革命性变革。19世纪物理学的三大发现：1 .电子的发现2。x光的发现。天然放射性的发现。发现电子的背景：19世纪末，解决电的本质成为当务之急，这促使许

5、多科学家研究低压气体放电、阴极射线和真空技术。1.对阴极射线的研究德国学派的以太波的观点：普勒克尔、戈尔茨坦、赫兹等英国学派的带电粒子说：沃利、克鲁克斯、舒斯等。佩林的实验：1895年，支持粒子理论的法国物理学家佩林将鼓形电极安装在阴极射线管中，用静电测量鼓形电极接收的电荷。结果是否定的。带电粒子的理论得到了支持。JJ汤姆森，他发现了电机，2。电子发现：JJ Thomson (1856-1940)简介他14岁时进入曼彻斯特大学，1876年获得数学奖后进入剑桥大学三一学院深造。1880年，他获得了二等史密斯奖，并在瑞利教授的指导下进入卡文迪什实验室研究电磁学。1883年，他被选为皇家学会会员。1

6、884年，他成为卡文迪什实验室的主任(瑞利今年成为皇家学会主席)，年仅28岁。领导这个房间的员工42年。他获得了1906年的诺贝尔物理学奖。卢瑟福、玻尔、威尔逊和其他许多学生都接受了培训，他们都相继获得了诺贝尔奖。JJ汤姆逊设计了一系列实验，以无可辩驳的事实证明阴极射线是带负电的粒子。实验一：阴极射线磁偏转实验：1895年，汤姆逊对佩林实验装置做了一些改进，他把阴极甲和法拉第筒甲放在一个不在直线上的方向，如图所示。实验2:阴极射线JJ汤姆逊的静电偏转实验重复赫兹的静电场偏转实验。他改善了真空条件，降低了极间电压，最终获得了稳定的静电偏转。从而否定了以太理论。实验3:荷质比e/m的测量：方法1:

7、在前面的实验装置中，在管的两个测量值上加一个通电线圈，产生一个垂直于电场的磁场。然后，根据电场和磁场引起的偏转，计算阴极射线的荷质比和粒子的运动速度。V2.7109厘米/秒，e/m0.8107电磁单位/克，生命的新黎明，两个x射线的发现，1。德国物理学家伦琴。1901年，伦琴获得了第一个诺贝尔物理学奖。天然放射性的发现。铀盐放射性的发现-Bekkerel 2。钋和镭的发现居里夫人3。辐射的发现卢瑟福贝克雷尔出生于法国巴黎。他的祖父和父亲是固体磷光专家。他们从事研究工作已经60多年了。贝克勒尔早期从事光学研究，选择硫酸铀酰钾作为实验材料，并将其暴露在阳光下(暴晒可使荧光物质发出更强的荧光)，底片

8、变得敏感。后来，由于持续下雨，贝克雷尔用黑纸把胶卷包起来，和铀盐一起锁在抽屉里。结果，当在实验前再次检查胶片时，胶片仍然暴露在铀盐中。经过分析，贝克雷尔认为使底片变得敏感的辐射与阳光和荧光无关，而是铀盐本身产生的辐射现象，因此第二天，他在科学院的例会上宣布了这一重要发现。贝克勒尔获得了1903年的诺贝尔奖，这是一种天然放射性物质。1.铀盐放射性的发现贝克雷尔，它是天然放射性的。居里夫人(1867-1934)从波兰中学毕业后获得了一枚金牌。因为当时波兰女性上不了大学，所以她当了8年的家教，并承担了费用。她于1891年去了法国巴黎。他于1893年获得物理学硕士学位，并于次年获得数学硕士学位。他于1

9、894年与法国物理学家皮埃尔居里结婚。他获得了1903年的诺贝尔物理学奖和1911年的诺贝尔化学奖。发现钋和镭皮埃尔居里：法国物理学家，自幼聪明，16岁获得学士学位，18岁获得硕士学位，24岁担任巴黎市理化学校物理实验室主任。他和他的兄弟约克一起发现了晶体的压电效应，并发明了测量微小电量的压电应时静电计“居里计”。后来，在研究了磁性之后，我发现了磁性消失的温度“居里点”。发现钋首先，居里夫人用应时静电计测量了铀辐射的电离特性。事实证明，铀的辐射强度只与化合物中铀的含量成正比，而与1897年7月，他们终于从铀渣中提取了钋，它的放射性是纯铀的400倍！镭的发现，但钋的放射性仍低于预期，实验仍在继续

10、。1898年12月，发现了一种新的元素镭，它的放射性比铀强200多万倍。(雷：它是古埃及最高的太阳神。居里夫人将它命名为“镭”，并亲切地称它为放射性的“小太阳”。)，为了消除人们的疑虑，他们决心提取纯镭。镭渣非常昂贵。奥地利送了一吨。从1899年到1902年，居里夫妇在低矮的棚子里度过了45个月，持续了4年。经过成千上万次的提炼，他们终于从8吨矿渣中提取出0.12克氯化镭，发现了两条特征谱线，并宣布了镭的原子。他于1903年完成博士论文，并于同年12月获得诺贝尔物理学奖。1912年，纯金属镭被成功分离，并于次年获得诺贝尔化学奖。居里和他的妻子正在工作，自然他们是放射性的。科学属于全人类。镭可以

11、治愈狼疮和癌症。0.1克镭值75万金法郎。当一家美国公司试图购买专利时，被不富裕的居里夫妇拒绝了。他们认为我们在：年发现了科学，并把它据为己有，这违背了科学精神。再说，镭能治病，所以我们应该无条件地给它保密！然而，居里夫人由于长期暴露于放射性物质而患有恶性贫血。她的丈夫和战友居里死于1906年的一场车祸。在精神打击和肉体折磨的双重压力下，居里夫人保持不变，献身于科学事业。她的高尚品德赢得了人们的尊敬。她的女婿八神(1900-1958)在20世纪50年代用仪器测试了她的实验记录簿，发现里面都被放射性物质污染了。50年后，她在那一年使用的烹饪书经过重新检查仍然具有放射性。1934年，居里夫人去世；

12、1956年，她的女儿埃隆居里(1897-1956)也死于恶性贫血。1958年，她的女婿八神也死于放射性辐射。居里夫人的家人都献身于这一伟大的事业。随着放射性的出现，镭的发现促进了对放射性的进一步研究，其中JJ汤姆逊的学生卢瑟福，3。发现了雷，卢瑟福发现了雷和雷：得知居里夫妇发现了镭辐射后，他们立即转向研究气体的放射性电离。1898年，卢瑟福用强磁铁偏转了铀射线。另一种有很强的穿透力，叫做射线。1900年，法国人维拉德将镭放入铅管中，在铅管的一侧开了一个小孔，放射出放射性射线。穿过磁场后，射线被底片记录下来。在底片和辐射口之间加了一层铝箔来阻挡辐射并让它通过。发现在朝向排放口的方向上有暴露的痕迹

13、。后来，在维拉德加了一层铝箔，辐射仍然可以穿透。因此，这种射线肯定不是射线，而是一种新的射线，具有更强的辐射能力，不会被磁场偏转。与x光非常相似，后来卢瑟福称之为射线。原子嬗变理论：对放射性过程的研究使他们认识到“放射性不仅是一种原子现象，而且是新化学变化的伴生物。”1902年，放射性元素的嬗变理论被提出。卢瑟福是新西兰人，生于英国苏格兰，1871年出生于新西兰，18岁进入新西兰大学，1893年大学毕业，1895年被送到剑桥大学深造，并在JJ汤姆逊(JJ汤姆逊第一个研究生)领导的卡文迪许实验室担任研究生。1898年，他被邀请成为加拿大麦吉尔大学的物理学教授。得知居里夫妇发现了镭辐射后，他们转而

14、研究气体的放射性电离，并提出了原子嬗变理论。1907年，他回到英国，在曼彻斯特大学担任物理学教授。主要研究了粒子的散射效应，提出了原子的核模型。1908年，他因在放射化学方面的研究获得了诺贝尔化学奖。1919年，他是剑桥大学的教授和卡文迪什的主任以上三项发现打破了数百年来形成的物质不灭、能量守恒和原子不可分割的传统观念，开启了物理学革命的序幕，标志着物理学研究从宏观走向微观。卡文迪什实验室：成立于1871年，完成于1874年，是英国剑桥大学的前身，麦克斯韦是第一个实验室主任。卡文迪什实验室作为世界上最著名的物理教育和研究中心之一，培养了一大批世界级的著名物理学家和26名诺贝尔奖获得者。从188

15、5年到1919年，JJ汤姆逊主持实验室工作。在这34年中，他主要从事电学、磁学和光学的基础测量工作。在此期间，科学研究硕果累累，才华横溢，引领世界，10名工作人员获得诺贝尔奖。卢瑟福在1919-1937年主持卡文迪什实验室，主要从事放射性和核物理研究，并在发现中子、验证正电子预测和人工破核方面取得了巨大成就。特别是在1932-1933年，卡文迪什实验室达到了科学成就的顶峰。在卢瑟福的18年中，共有12人在实验室获得诺贝尔奖，这是实验室的黄金时代，在此期间，它成为世界实验物理的研究中心。经典物理学的两朵乌云19世纪的最后一天，在欧洲著名科学家的年会上，英国著名物理学家W汤姆森(开尔文)发表了新年

16、贺词。回顾物理学取得的巨大成就，他说，物理楼已经建成，只留下一些装饰工作。同时，在展望20世纪物理学的前景时，他说：“动力学理论肯定了热和光是两种运动方式，但现在它美丽而晴朗的天空被两朵乌云所笼罩。”“第一个乌云出现在光涨落理论中”，“第二个乌云出现在麦克斯韦-玻尔兹曼能量共享理论中。”他提到的第一片乌云主要是指“迈克尔逊莫雷实验”和“以太漂移理论”之间的矛盾；第二种暗云主要是指热力学中的能量共享法则在气体比热和辐射能谱的理论解释上从实验中获得了不同的结果，尤其是黑体辐射理论中的“紫外灾难”最为突出。黑体辐射实验：19世纪末，卢梅尔等人发现黑体辐射的能量不是连续的，它根据波长的分布只与黑体的温

17、度有关。(这与经典物理学中能量连续性的观点严重矛盾)。第二次黑云的黑体辐射和“紫外灾难”，三个典型的数字解释了上述实验结果：1。维也纳，2。雷利和国王，1。维恩定律1896年，德国物理学家维恩用半理论半经验的方法得到了辐射能量分布的公式，但该公式只符合短波区和低温区的实验结果，而不符合长波区的实验结果。紫外灾难和普朗克的量子谬误理论，但瑞利和帕金斯达成的共识是根据经典物理学理论严密推导出来的。瑞利(Rayleigh)和珀金斯(Perkins)也被公认为物理学中严谨的学者，在短波区域理论值和实验值的方向相反，这揭示了经典物理学面临的严重困难，使人们不得不称之为“紫外灾难”。紫外灾难和普朗克的量子假说，悲观主义：物理学的新发现和旧原理之间的矛盾已经引起物理学家理解上的严重分歧。当人们提出波粒二象性的新概念时，洛伦兹感叹道：“今天，人们提出了完全相反的观点；这样，就没有真理的标准，