第五章打開微觀世界研究大門的三大發(fā)現(xiàn)

世界萬物是如何構(gòu)成的？

公元前400年，古希臘的哲學(xué)家德謨克里特認(rèn)為，物質(zhì)是由最小的不可再分的粒子構(gòu)成。原子的英文名字：atom。原子的希臘文名字：atomos，意思是不能再分。最早原子這個(gè)詞傳入中國時(shí)嚴(yán)復(fù)把它翻譯成“莫破塵”。我國戰(zhàn)國時(shí)的公孫龍說過：“一尺之棰，日取其半，萬世不竭。”第一頁，共三十四頁?？茖W(xué)原子論的創(chuàng)始人——英國科學(xué)家道爾頓在1807年，依據(jù)一系列實(shí)驗(yàn)首先提出：“氣體、液體和固體都是由該物質(zhì)的不可分割的原子組成的”以及“同種元素的原子其大小、質(zhì)量和各種性質(zhì)都相同”。在這里，道爾頓的原子已不再是哲學(xué)術(shù)語，而是實(shí)實(shí)在在組成物質(zhì)的基本單元。

第二頁，共三十四頁。

在這以后，不少化學(xué)家和物理學(xué)家以大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)證明了科學(xué)原子論的正確。但是原子到底是否可分？若還可分，則如何分？物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最小層次又是什么？……這些任務(wù)落到了物理學(xué)家身上。第三頁，共三十四頁。

大約又過了100年，到19世紀(jì)末，物理學(xué)家的研究有了突破性的發(fā)現(xiàn)。這就是世紀(jì)之交的三大發(fā)現(xiàn)：X射線放射性電子的發(fā)現(xiàn)人類從此打開了奇妙的微觀世界研究的大門。

第四頁，共三十四頁?！?.1X射線的發(fā)現(xiàn)

一、陰極射線的發(fā)現(xiàn)及其本性的爭論

1858年，德國物理學(xué)家普呂克爾發(fā)現(xiàn)陰極射線。德國物理學(xué)家哥爾茨坦認(rèn)為陰極射線應(yīng)該是一種類似于紫外光的以太波。赫茲和他的助手勒納德，通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：從勒納德窗透出來的射線與放電管內(nèi)射線性質(zhì)完全相同。它能使熒光物質(zhì)發(fā)光，在磁場中能偏轉(zhuǎn)，可使照相底片感光，可使空氣電離。另一種觀點(diǎn)來自英國學(xué)派，他們主張陰極射線是粒子流。第五頁，共三十四頁。兩個(gè)學(xué)派，截然相反的兩種觀點(diǎn)，在當(dāng)時(shí)雙方爭持不下。最后對陰極射線本性作出正確而肯定答案的是英國劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室教授J.J.湯姆孫。J.J.湯姆孫二、一種新射線的發(fā)現(xiàn)

倫琴用裝有勒納德窗的陰極射線管研究陰極射線，發(fā)現(xiàn)了X射線，于1901年獲得了第一個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎。倫琴第六頁，共三十四頁。1．發(fā)現(xiàn)過程：抓住異常現(xiàn)象不放過，一鼓作氣，深入研究，7周時(shí)間連續(xù)發(fā)現(xiàn)了一種奇特的新射線（X射線），這種射線：直線傳播，在磁場中不偏轉(zhuǎn)，有很強(qiáng)的穿透性，可使照相底片感光。

1895年12月28日，完成了具有歷史意義的論文《一種新射線——初步報(bào)告》，公布了歷史上第一張X射線的照片（他妻子的手骨照片）倫琴夫人手的照片

第七頁，共三十四頁。

2．重大意義：人類首次進(jìn)入了微觀世界

3．在發(fā)現(xiàn)過程中幾個(gè)值得思考的問題（1）倫琴發(fā)現(xiàn)X射線是偶然的嗎？看來好像是偶然的，實(shí)際上又是“偶然中的必然”。在倫琴發(fā)現(xiàn)X射線之前的30年中，不少科學(xué)家已發(fā)現(xiàn)過類似倫琴所見到的異常現(xiàn)象，可惜沒有抓住機(jī)會。成了恩格斯所說的“往往當(dāng)真理碰到鼻子尖上的時(shí)候，還是沒有得到真理”的人。

第八頁，共三十四頁。倫琴為什么能抓住呢？這歸功于他一貫對實(shí)驗(yàn)工作十分熱愛和專注以及他敏銳的觀察和判斷能力，還有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。機(jī)會只青睞有準(zhǔn)備的頭腦“實(shí)驗(yàn)是最強(qiáng)有力的杠桿，我們可以利用這個(gè)杠桿去撬開自然界的秘密。在解決某一假說是保留還是摒棄這樣一個(gè)問題時(shí)，這個(gè)杠桿應(yīng)當(dāng)成為最高級的評審法院?！薄獋惽俚诰彭?，共三十四頁。柏林普魯士科學(xué)院在祝賀倫琴獲得博士學(xué)位50周年的賀信中，對倫琴做出了高度的評價(jià)：“科學(xué)史表明，在每一個(gè)發(fā)現(xiàn)中通常都在成就和機(jī)遇中間存在一種特殊的聯(lián)系，而許多不完全了解事實(shí)的人，可能會傾向于把這一特殊的事例大部分歸功于機(jī)遇。但是只要深入了解您獨(dú)特的科學(xué)個(gè)性，誰都會理解這一偉大發(fā)現(xiàn)應(yīng)歸功于您這位擺脫了任何偏見，將完美的實(shí)驗(yàn)藝術(shù)和極端嚴(yán)謹(jǐn)自覺的態(tài)度結(jié)合在一起的研究者?！?/p>

（2）倫琴淡薄名利的高尚品德值得稱頌。他將發(fā)現(xiàn)和發(fā)明全部奉獻(xiàn)給了人類。

第十頁，共三十四頁。三、X射線的本性和應(yīng)用X射線與通常的光波一樣，是電磁波，只是波長很短（0.001～1nm）。圍繞X射線的性質(zhì)和應(yīng)用的研究，除倫琴外，還有15項(xiàng)獲諾貝爾獎的課題與X射線有關(guān)。獲獎年代人物成就1914勞厄提出了用天然晶體的晶格作為衍射光柵，觀察到了X射線的衍射現(xiàn)象，證明X射線是電磁波1915布拉格父子利用X射線衍射進(jìn)行晶體結(jié)構(gòu)分析1927康普頓康普頓散射，揭示了X射線光子的粒子性第十一頁，共三十四頁。在應(yīng)用方面值得指出的是：用X射線衍射可以對晶體表面進(jìn)行分析，尤其值得一提的是用此方法，沃森和克里克獲得了DNA分子結(jié)構(gòu)，從而提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。用特征X射線可對材料的元素成分做出分析，在考古、醫(yī)學(xué)診斷、材料研究等方面有重要應(yīng)用。

DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)第十二頁，共三十四頁?！?.2放射性的發(fā)現(xiàn)

一、貝克勒爾的一個(gè)驚人的意外發(fā)現(xiàn)

1．發(fā)現(xiàn)過程起因是彭加勒對X射線來源的一個(gè)錯誤推測：他認(rèn)為X射線可能是從熒光物質(zhì)發(fā)出的。貝克勒爾是研究熒光現(xiàn)象的世家子弟，他用熒光物質(zhì)鈾鹽做實(shí)驗(yàn)，事隔一周后，所給出的兩次報(bào)告的結(jié)果截然不同。

貝克勒爾第十三頁，共三十四頁。

他發(fā)現(xiàn)鈾鹽本身就會放出一中肉眼看不見的射線，它與熒光完全無關(guān)，是一中穿透能力很強(qiáng)的神秘射線。這種射線還可以使空氣電離。這一性質(zhì)為后來對射線強(qiáng)度的定量研究打下了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。2．重大意義：人類第一次接觸到核現(xiàn)象，下章我們將會知道放射性是來自原子核，這使人類的認(rèn)識又深入一個(gè)層次。第一張鈾輻射照片

第十四頁，共三十四頁。3．在發(fā)現(xiàn)過程中幾個(gè)值得思考的問題（1）偶然中的必然：家族幾代人對鈾鹽的研究，使貝克勒爾積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)了他嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和科學(xué)家的“靈感”。（2）“靈感”是一種創(chuàng)造性思維?？茖W(xué)思維包括邏輯思維（歸納、演繹、類比等）和超邏輯思維（科學(xué)想象、直覺和靈感）。人們的科學(xué)思維是這兩種思維的綜合運(yùn)用。但超邏輯思維能打破常規(guī)思路、突破思維定式、洞察事物本質(zhì)，更具創(chuàng)造性作用?！办`感”是一種頓悟式的、突發(fā)性的直覺。它是以創(chuàng)造者善于思考、不斷探索和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累為前提的，決不是憑空想象和心血來潮的結(jié)果。第十五頁，共三十四頁。（3）從簡單的甚至錯誤的假設(shè)出發(fā)，通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)不斷修正，甚至推翻原有的假設(shè)，使人們的認(rèn)識逐步走向真理，最終得到世人公認(rèn)的重大發(fā)現(xiàn)，這正是科學(xué)研究的一種常見模式。

二、貝克勒爾的“先驗(yàn)觀念”和居里夫人的新的突破

1．貝克勒爾為什么“保守”了？

貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鈾鹽的放射性后，沒有將研究拓寬和深入下去，而是僅僅只限于鈾鹽。各種原因正如他多年后所說：“因?yàn)榉派渚€是通過鈾認(rèn)識的，所以有一種先驗(yàn)的觀念，認(rèn)為其他已知物體的放射性可比鈾還要大很多是不大可能的，于是對這個(gè)新現(xiàn)象的普遍性的研究似乎就沒有對它的本質(zhì)的物理研究來的緊迫。”第十六頁，共三十四頁。2．居里夫人的創(chuàng)新思維居里夫人根據(jù)其丈夫的建議，將剛被發(fā)現(xiàn)的放射性的研究作為她的博士論文。有膽識，極具挑戰(zhàn)性（1）她毫不保守，毅然將測量對象從一種鈾鹽擴(kuò)展到她所能找到的各類礦石。（2）通過高精度定量化的測量弱電離電流來測量放射性的強(qiáng)度。第十七頁，共三十四頁。

在極端困難情況下，她在1898年接連發(fā)現(xiàn)了新的放射性元素：釷、釙和鐳。其中鐳的放射性要比鈾強(qiáng)約100萬倍。1903年居里夫婦與貝克勒爾共享了諾貝爾物理學(xué)獎。

居里夫婦第十八頁，共三十四頁。3．居里夫人的高尚品德居里夫婦克服困難，歷時(shí)4年堅(jiān)持不懈地工作，在幾噸礦渣中提煉出了0.1克純氯化鐳。居里夫人的健康受到很大損害，體重減輕了10公斤。然而回憶這段歷史，她說：“在這樣的設(shè)備條件下，我們開始了令任何人都會疲乏不堪的工作。然而，就是在這陳舊不堪的棚子里，度過了我們一生中最美好和最幸福的年月?！本永锓蛉说谑彭?，共三十四頁。

作為第一位兩獲諾獎的科學(xué)家，功名、財(cái)富近在咫尺。然而居里夫人不為所動，不把自己的發(fā)明申請專利，將制鐳技術(shù)奉獻(xiàn)給全人類。她說：“物理學(xué)家總是把研究成果全部發(fā)表的。不能因?yàn)槲覀兊陌l(fā)現(xiàn)偶有商業(yè)前途而從中牟利，特別是，鐳有治病的功效……我們不能申請專利，這是違背科學(xué)精神的?！钡诙?，共三十四頁。討論與思考：在強(qiáng)調(diào)保護(hù)“知識產(chǎn)權(quán)”的今天，如何認(rèn)識和看待居里夫人的舉動？

愛因斯坦在悼詞中說：

“在像居里夫人這樣一位崇高人物結(jié)束她的一生的時(shí)候，我們不要僅僅滿足于回憶她的工作成果對人類做出的貢獻(xiàn)。第一流人物對于時(shí)代和歷史進(jìn)程的意義，在其道德品質(zhì)方面，也許比單純的才智成就方面還要大。第二十一頁，共三十四頁。

三、、和三種射線

射線：射線：e-電子流射線：中性的電磁輻射1．三種射線在磁場中可以分開：

衰變：原子核自發(fā)地放射出粒子而發(fā)生的轉(zhuǎn)變

2．放射性現(xiàn)象實(shí)質(zhì)是一種原子核衰變第二十二頁，共三十四頁。

衰變：原子核自發(fā)地放射出粒子或俘獲一個(gè)軌道電子而發(fā)生的轉(zhuǎn)變軌道電子俘獲：

在考古上常用的核的衰變?yōu)椋涸卺t(yī)學(xué)上常用的核的衰變?yōu)椋旱诙摚踩捻摗?/p>

其中、是質(zhì)量很接近零的中微子。它們是電中性的，有很強(qiáng)的穿透力。表示從最靠近核的K層電子軌道上俘獲的電子。衰變：或衰變后，留下的子核處于激發(fā)態(tài)時(shí)，它可以通過放出射線而退激。子核放出的射線不止一種，可能含有幾種不同能量的射線，例如

處于激發(fā)態(tài)的子核可以再放出的射線有1.17MeV和1.33MeV兩種。第二十四頁，共三十四頁。

四、放射性衰變規(guī)律

1．指數(shù)衰變規(guī)律

為衰變常數(shù)，是反映衰變快慢的物理量第二十五頁，共三十四頁。

2．

放射性活度和衰變常數(shù)的意義在實(shí)際應(yīng)用中，放射性強(qiáng)弱應(yīng)是與放射性核的數(shù)目及衰變快慢有關(guān)，所以定義放射性活度：

其物理意義是：在t時(shí)刻，放射性核素的衰變率，即在 時(shí)刻內(nèi)發(fā)生衰變的放射性核素?cái)?shù)目與時(shí)間之比。第二十六頁，共三十四頁。

證明：當(dāng)足夠小時(shí)，，所以

由，可得的物理意義是：單位時(shí)間放射性核素的衰變概率（單位是s-1）第二十七頁，共三十四頁。3．半衰期與的關(guān)系某放射性核素的數(shù)目衰變掉一半所需的時(shí)間放射性核素指數(shù)衰變規(guī)律圖

衰變規(guī)律可以改寫為：第二十八頁，共三十四頁。4．已知放射性活度隨時(shí)間的變化，可以測得相應(yīng)的時(shí)間

于是有第二十九頁，共三十四頁。

例題：有一古尸，現(xiàn)測得此古尸1

g碳中的的活度是0.121Bq。問此人已死亡多少年了？此人剛死亡時(shí)1g碳中的放射性活度A0的計(jì)算如下：

應(yīng)用舉例：考古第三十頁，共三十四頁。

已知12g（1摩爾質(zhì)量）碳中含有的碳原子數(shù)為阿伏加德羅常數(shù)個(gè)，所以1g碳中的原子數(shù)為個(gè)，相應(yīng)的原子數(shù)目為