物理與文化第五章打開微觀世界研究大門的三大發(fā)現(xiàn)

第四章光的本性是什么？墨子有名的光學成就？？現(xiàn)象——說明？薄膜干涉——說明光是波？現(xiàn)象——說明？分光——白光是復色光，由七種顏色的光組成？光是什么惠更斯認為光是？托馬斯?楊說明？菲涅耳泊松第五章打開微觀世界研究大門的三大發(fā)現(xiàn)科學對于人類事務的影響有兩種方式:第一種方式是大家熟知的：科學直接的并在更大程度上間接地產(chǎn)生出完全改變?nèi)祟惿畹墓ぞ撸坏诙N方式是教育的性質——它作用于心靈。

——愛因斯坦世界萬物是如何構成的？公元前400年，古希臘的哲學家德謨克里特認為，物質是由最小的不可再分的粒子構成。原子的英文名字：atom。原子的希臘文名字：atomos，意思是不能再分。最早原子這個詞傳入中國時嚴復把它翻譯成“莫破塵”。

我國戰(zhàn)國時的公孫龍說過：“一尺之棰，日取其半，萬世不竭?！薄獰o限可分的。

亞里士多德亦如此。。道爾頓（英國）化學家物質是由不可再分的微粒構成，這種微粒叫做“原子”；原子在化學變化中不可再分；同一元素原子質量、性質相同；不同元素化合時，原子按簡單整數(shù)比化合。初始科學原子論（1807）片面性:原子并非組成物質的最后質點,不可再分,只不過在化學反應條件下是不可再分的.同一元素的原子在質量和性質上不一定都相同.不同元素化合時，原子按簡單整數(shù)比化合,不準確.合理性:提出了原子的定義和組成定律。在這里，道爾頓的原子已不再是哲學術語，而是實實在在組成物質的基本單元。

在這以后，不少化學家和物理學家以大量實驗事實證明了科學原子論的正確。但是原子到底是否可分？若還可分，則如何分？物質結構的最小層次又是什么？……這些任務落到了物理學家身上。大約又過了100年，到19世紀末，物理學家的研究有了突破性的發(fā)現(xiàn)。這就是世紀之交的三大發(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。

本章主要內(nèi)容：介紹3大發(fā)現(xiàn)的過程及意義以及科學家如何抓住機遇、克服困難、勇于突破傳統(tǒng)的創(chuàng)新精神、鍥而不舍的探索精神。§5.1X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，德國物理學家普呂克爾發(fā)現(xiàn)陰極射線。

一石激起千層浪，對于陰極射線的本質爭論持續(xù)了幾十年。“波或粒子”？

1876年，德國物理學家戈德斯坦經(jīng)實驗研究，認為：陰極射線跟陰極的材料無關，直線前進，應該是一種類似于紫外光的以太波。赫茲支持，形成了德國學派。赫茲和他的助手勒納德，通過實驗研究發(fā)現(xiàn)：從勒納德窗透出來的射線與放電管內(nèi)射線性質完全相同。它能使熒光物質發(fā)光，在磁場中能偏轉，可使照相底片感光，可使空氣電離。為此勒納德獲得1905年的諾貝爾獎。另一種觀點來自英國學派，他們主張陰極射線是粒子流。1871年，英國科學家瓦爾利從陰極射線在磁場中的偏轉認為——射線是帶負電的粒子組成。英國人克魯克斯、休斯特、JJ湯姆孫等贊同。兩個學派，截然相反的兩種觀點，在當時雙方爭持不下。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卡文迪許實驗室教授J.J.湯姆孫。J.J.湯姆孫克魯克斯二、一種新射線的發(fā)現(xiàn)

在陰極射線的爭論中，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年獲得了第一個諾貝爾物理學獎。倫琴

1．偉大的偶然發(fā)現(xiàn)過程：他在擔任維爾茨堡大學校長和慕尼黑物理研究所所長時，1895年某時，研究陰極射線時，為了防止干擾，用黑紙將陰極射線管包了起來，并在暗室中實驗。一天傍晚，一個偶然事件引起了他的注意。當時房間一片漆黑，他突然發(fā)現(xiàn)在不到1m的桌上有一塊熒光屏發(fā)出熒光，更奇怪的是，他突發(fā)靈感將熒光板轉了個面，將背面對著射線管，并放到2m遠的地方，但熒光仍然散發(fā)著。于是他意識到這不是陰極射線，而是另一種穿透性很強的新射線（X射線）。抓住異?，F(xiàn)象不放過，一鼓作氣，深入研究，7周時間連續(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，有很強的穿透性，可使照相底片感光。1895年12月28日，寫好了具有歷史意義的論文《一種新射線——初步報告》，公布了歷史上第一張X射線的照片（他妻子的手骨照片）

1896年1月1日，X先生印發(fā)了文章并寄給了一些著名的物理學家，立即在全世界引起轟動。許多國家實驗室開展了X射線的研究。在1896年一年的時間內(nèi)，就發(fā)表了1000多篇論文。

在X射線發(fā)現(xiàn)3個月后，維也納醫(yī)院中首次用X射線對人體進行了拍片。半年后，英國出版了第一本X射線應用的專業(yè)雜志。一個重大發(fā)現(xiàn)被如此之快地應用到實際中也是很很少見的。

X射線的發(fā)現(xiàn)，使人類首次進入了微觀世界。X射線

2．重大意義：人類首次進入了微觀世界！

3．在發(fā)現(xiàn)過程中幾個值得思考的問題（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，不少科學家已發(fā)現(xiàn)過類似倫琴所見到的異?，F(xiàn)象，可惜沒有抓住機會。成了恩格斯所說的“往往當真理碰到鼻子尖上的時候，還是沒有得到真理”的人。

如：克魯克斯發(fā)現(xiàn)照相底片變黑，認為底片質量有問題，——退貨。美國的Goodspeed同樣發(fā)現(xiàn)，把底片扔了。幾年后得知X射線后又重新拾起研究。

勒納德等人在實驗中也發(fā)現(xiàn)不遠處的熒光屏會發(fā)光，但認為是“莫名其妙的次要現(xiàn)象”，準備以后研究。倫琴為什么能抓住呢？這歸功于他一貫對實驗工作十分熱愛和專注以及他敏銳的觀察和判斷能力，還有嚴謹?shù)目茖W態(tài)度?！既恢械谋厝?。機會只青睞有準備的頭腦在作為大學校長的講演中，深有感觸地指出——“實驗是最強有力的杠桿，我們可以利用這個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問題時，這個杠桿應當成為最高級的評審法院。”

——倫琴柏林普魯士科學院在祝賀倫琴獲得博士學位50周年的賀信中，對倫琴做出了高度的評價：“科學史表明，在每一個發(fā)現(xiàn)中通常都在成就和機遇中間存在一種特殊的聯(lián)系，而許多不完全了解事實的人，可能會傾向于把這一特殊的事例大部分歸功于機遇。但是只要深入了解您獨特的科學個性，誰都會理解這一偉大發(fā)現(xiàn)應歸功于您這位擺脫了任何偏見，將完美的實驗藝術和極端嚴謹自覺的態(tài)度結合在一起的研究者。”

（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)明全部奉獻給了人類。

三、X射線的本性和應用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射線的性質和應用的研究，除倫琴外，還有15項獲諾貝爾獎的課題與X射線有關。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射線衍射進行晶體結構分析1927康普頓康普頓散射，揭示了X射線光子的粒子性在應用方面值得指出的是：用X射線衍射可以對晶體表面進行分析，尤其值得一提的是用此方法，沃森和克里克獲得了DNA分子結構，從而提出DNA雙螺旋結構模型。用特征X射線可對材料的元素成分做出分析，在考古、醫(yī)學診斷、材料研究等方面有重要應用。

DNA分子雙螺旋結構§5.2放射性的發(fā)現(xiàn)

一、貝克勒爾的一個驚人的意外發(fā)現(xiàn)

1．發(fā)現(xiàn)過程起因是法國物理學家彭加勒在接到倫琴的論文后，在法國科學院介紹。貝克勒爾就問：X射線怎么來的。彭加勒錯誤推測：X射線可能是從熒光物質發(fā)出的。

貝克勒爾貝克勒爾家族物理學世家：祖父-法國自然歷史博物館第一任物理教授父親-先作為祖父的助手，后也為館內(nèi)教授兒子-繼承父業(yè)，也當了。。。但還擔任過法國科學院院長。全家都研究熒光，都是專家。于是為研究X射線，開始研究熒光是否能使照相底片感光。。。反復試驗，發(fā)現(xiàn)了一種熒光物質——鈾鹽可以。貝克勒爾他把鈾鹽放在兩張黑紙包好的底片上，然后在太陽下暴曬，結果底片上呈現(xiàn)出了鈾鹽的像?！J為發(fā)熒光的鈾鹽同時發(fā)出了x射線，使底片感光了。1896年2月24日，他向法國科學院報告了這一結果。可只過了一周，3月2日，他又報告了更震驚的發(fā)現(xiàn)：上次報告后，他想再做實驗，可連續(xù)陰天，他就把鈾鹽和底片一起放在抽屜里。想等天晴再做。可是幾天了都不見太陽，于是不知哪來的靈感，突然想看看沒曬過的底片是否或感光，于是。。。偶然間的機會又降臨到他的頭上。。。。第一張鈾輻射照片

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，是一中穿透能力很強的神秘射線。這種射線還可以使空氣電離。這一性質為后來對射線強度的定量研究打下了實驗基礎。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，這使人類的認識又深入一個層次。3．在發(fā)現(xiàn)過程中幾個值得思考的問題（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踐經(jīng)驗，培養(yǎng)了他嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和科學家的“靈感”。（2）“靈感”是一種創(chuàng)造性思維?？茖W思維包括邏輯思維（歸納、演繹、類比等）和超邏輯思維（科學想象、直覺和靈感）。人們的科學思維是這兩種思維的綜合運用。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，更具創(chuàng)造性作用。“靈感”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、不斷探索和實踐經(jīng)驗的積累為前提的，決不是憑空想象和心血來潮的結果。（3）從簡單的甚至錯誤的假設出發(fā)，通過實驗檢驗不斷修正，甚至推翻原有的假設，使人們的認識逐步走向真理，最終得到世人公認的重大發(fā)現(xiàn)，這正是科學研究的一種常見模式。

二、貝克勒爾的“先驗觀念”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：“因為放射線是通過鈾認識的，所以有一種先驗的觀念，認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，于是對這個新現(xiàn)象的普遍性的研究似乎就沒有對它的本質的物理研究來的緊迫。”沒有意識到放射性是一種普遍現(xiàn)象。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度。其丈夫和哥哥曾發(fā)明了測量微弱電流的裝置。

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約100萬倍。1903年居里夫婦與貝克勒爾共享了諾貝爾物理學獎。

新元素的發(fā)現(xiàn)震動了科學界，但有人懷疑：“把他們的相對原子量測出來，把鐳放在瓶子里，否則無法相信”居里夫婦3．居里夫人的高尚品德居里夫婦克服困難，歷時4年堅持不懈地工作，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?！本永锓蛉俗鳛榈谝晃粌色@諾獎的科學家，功名、財富近在咫尺。然而居里夫人不為所動，不把自己的發(fā)明申請專利，將制鐳技術奉獻給全人類。她說：“物理學家總是把研究成果全部發(fā)表的。不能因為我們的發(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，這是違背科學精神的?！?/p>

愛因斯坦在悼詞中說：

“在像居里夫人這樣一位崇高人物結束她的一生的時候，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。第一流人物對于時代和歷史進程的意義，在其道德品質方面，也許比單純的才智成就方面還要大。

三、、和三種射線

放射性發(fā)現(xiàn)后不久，卡文迪許實驗室的盧瑟福（湯姆孫的學生）也馬上進行了研究。1898年他發(fā)現(xiàn)放射性物質發(fā)出的2種射線并取名為：射線、射線。

1900年法國科學家維拉德發(fā)現(xiàn)還有另一種穿透力更強的射線，盧瑟福取名為γ射線。放射性現(xiàn)象實質是一種原子核衰變，同時發(fā)出3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)生的轉變

2．放射性現(xiàn)象實質是一種原子核衰變

衰變：原子核自發(fā)地放射出粒子或俘獲一個軌道電子而發(fā)生的轉變

在考古上常用的核的衰變?yōu)椋涸卺t(yī)學上常用的核的衰變?yōu)椋核プ儯夯蛩プ兒?，留下的子核處于激發(fā)態(tài)時，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。

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

2．

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

3．半衰期與的關系某放射性核素的數(shù)目衰變掉一半所需的時間放射性核素指數(shù)衰變規(guī)律圖

衰變規(guī)律可以改寫為：

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1g碳中的放射性活度A0的計算如下：

應用舉例：考古

已知12g（1摩爾質量）碳中含有的碳原子數(shù)為阿伏加德羅常數(shù)個，所以1g碳中的原子數(shù)為個，相應的原子數(shù)目為個，于是可得可見此人已死去5340年了?！?.3電子的發(fā)現(xiàn)一位最先打開通向基本粒子物理學大門的偉人——湯姆孫！在陰極射線是什么的爭論中，另外一項偉大的發(fā)現(xiàn)誕生了。

1856年出生于英格蘭的曼徹斯特附近，蘇格蘭人家庭。他在曼徹斯特的歐文學院學習了工程學，畢業(yè)后進入了劍橋大學三一學院。后進入卡文迪許實驗室工作，師從Professor瑞利。1884年他成為卡文迪許物理學教授，28歲即成為卡文迪許實驗室主任。1890年他與露絲·佩杰特結婚，并養(yǎng)育了兩個孩子。他的學生之一盧瑟福，于1919年接替湯姆孫就任卡文迪許物理學教授。JosephJohnThomson，1856年12月18－1940年8月30湯姆孫思想活躍，有很深的理論造詣，并善于把理論和實驗結起來，設計構思新實驗。他連續(xù)擔任卡文迪許實驗室主任35年，對實驗室成為世界第一流的物理學研究基地作出了重要貢獻。1895年起，他倡導從全國各地及世界各地招收一批批年輕有為的學者作為研究生。新的發(fā)現(xiàn)不斷，電子、放射性規(guī)律、云霧室。。在他的直接培養(yǎng)下有8位諾貝爾獎獲得者，盧瑟福、威爾遜、GP湯姆孫。。。。

一、湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子過程

三個關鍵性實驗：第一個實驗：1897年，通過提高真空度，完成了陰極射線在電場中的偏轉實驗，證明陰極射線是帶電粒子流。

？這種粒子到底是什么呢——分子、原子。。。。？第二個實驗：利用湯姆孫管，定量測出陰極射線的荷質比約為1011C/kg，這要比氫原子的荷質比大1000倍左右。他結合了其他人的實驗，尤其是陰極射線能穿過勒納德窗（鋁箔）的實驗，提出這種微粒應比原子、分子小得多，且是原子的組成部分。換用不同材料的陰極測量，荷質比不變，與陰極物質材料無關，他進一步得出結論：這種粒子應是各種物質不同原子所包含的普適成分。湯姆孫管荷質比=電量與質量之比

1898年，第三個實驗：利用威爾遜所發(fā)明的云霧室，測定這種微粒所帶電荷為1.1×10-19C，有力地證明了此微粒的質量要比氫離子小約1000倍。這種微粒后來被命名為“電子”，電子的發(fā)現(xiàn)是關于陰極射線本質的爭論宣告結束。

在繼承中發(fā)展，這是科學研究的正確方法。但是在認識發(fā)展的過程中要有敢于創(chuàng)新，敢于突破傳統(tǒng)觀念束縛的勇氣。正如英國科學家貝爾納所說：“發(fā)現(xiàn)的最大困難，在于擺脫一些傳統(tǒng)的觀念?！泵鎸少|比的測定結果，只有湯姆孫認為它可以不是傳統(tǒng)原子、分子微粒，而是一種新的、前人從未見到過的比原子、分子微粒小得多的帶電粒子。二、電子發(fā)現(xiàn)的啟示：要敢于突破傳統(tǒng)觀念貝爾納效應。貝爾納是一位著名科學天才，但貝爾納一生未能獲得諾貝爾獎金。

貝爾納的同事和學生們都相信，按創(chuàng)造天賦講，貝爾納是可以不止一次地獲得諾貝爾獎金的。然而，他一生中最高的榮譽不過是獲得英國皇家學會勛章和國外院士之職。貝爾納為什么沒有獲得諾貝爾獎金有一種公認的回答是“他總是喜歡提出一個題目，拋出一個思想。首先自己涉足一番，然后，就留給他人去創(chuàng)造出最后的成果。全世界有許許多多的其原始思想應歸功于貝爾納的論文，都在別人的名下出版問世了，……他一直由于缺乏‘面壁十年’的恒心而蒙受了損失”。這句話提出了一個關鍵問題，即興趣過于廣泛、思維過于發(fā)散，對精細、深入的創(chuàng)造是非常不利的。后人就將這種現(xiàn)象成為貝爾納效應?，F(xiàn)今時代，很難見到先天有藝術靈感者，還可以在游刃有余地玩藝術的同時，又在某一個數(shù)理領域的職業(yè)有所建樹從而達到文理兼融的人；更不用說在某專業(yè)上有驚人的成就，同時還精通文、史、哲的奇人?！诂F(xiàn)今科技高度專業(yè)化的時代，人們無不受到貝爾納效應的制約。But1、達·芬奇（15世紀）是意大利文藝復興時的“三杰”(另二位是米開朗基羅與拉斐爾)之首，他不僅是畫家，而且是建筑工程師和數(shù)學家。2、羅蒙諾索夫（18世紀）是俄羅斯著名的化學家、物質不滅定律的發(fā)現(xiàn)者、俄羅斯語言奠基人、數(shù)學家與詩人?！?748年秋創(chuàng)建了俄國第一個化學實驗室。1755年創(chuàng)辦了俄國第一所大學---莫斯科大學。