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文檔簡(jiǎn)介
世界萬(wàn)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(guó)時(shí)嚴(yán)復(fù)把它翻譯成“莫破塵”。我國(guó)戰(zhàn)國(guó)時(shí)的公孫龍說(shuō)過(guò):“一尺之棰,日取其半,萬(wàn)世不竭?!蹦壳耙豁?yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于十六點(diǎn)科學(xué)原子論的創(chuàng)始人——英國(guó)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(yǔ),而是實(shí)實(shí)在在組成物質(zhì)的基本單元。
目前二頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于十六點(diǎn)
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。目前三頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于十六點(diǎn)
大約又過(guò)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。
目前四頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于十六點(diǎn)§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(zhēng)論
1858年,德國(guó)物理學(xué)家普呂克爾發(fā)現(xiàn)陰極射線。德國(guó)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(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn):從勒納德窗透出來(lái)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(chǎng)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(lái)自英國(guó)學(xué)派,他們主張陰極射線是粒子流。目前五頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于十六點(diǎn)兩個(gè)學(xué)派,截然相反的兩種觀點(diǎn),在當(dāng)時(shí)雙方爭(zhēng)持不下。最后對(duì)陰極射線本性作出正確而肯定答案的是英國(guó)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(jiǎng)。倫琴目前六頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于十六點(diǎn)1.發(fā)現(xiàn)過(guò)程:抓住異常現(xiàn)象不放過(guò),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(chǎng)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
目前七頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于十六點(diǎn)
2.重大意義:人類首次進(jìn)入了微觀世界
3.在發(fā)現(xiàn)過(guò)程中幾個(gè)值得思考的問(wèn)題(1)倫琴發(fā)現(xiàn)X射線是偶然的嗎?看來(lái)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(guò)類似倫琴所見(jiàn)到的異?,F(xiàn)象,可惜沒(méi)有抓住機(jī)會(huì)。成了恩格斯所說(shuō)的“往往當(dāng)真理碰到鼻子尖上的時(shí)候,還是沒(méi)有得到真理”的人。
目前八頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于十六點(diǎn)倫琴為什么能抓住呢?這歸功于他一貫對(duì)實(shí)驗(yàn)工作十分熱愛(ài)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(huì)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(shuō)是保留還是摒棄這樣一個(gè)問(wèn)題時(shí),這個(gè)杠桿應(yīng)當(dāng)成為最高級(jí)的評(píng)審法院。”——倫琴目前九頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于十六點(diǎn)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(duì)倫琴做出了高度的評(píng)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(huì)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(shuí)都會(huì)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(jiàn),將完美的實(shí)驗(yàn)藝術(shù)和極端嚴(yán)謹(jǐn)自覺(jué)的態(tài)度結(jié)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(xiàn)給了人類。
目前十頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于十六點(diǎn)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(zhǎng)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(jiǎng)的課題與X射線有關(guān)。獲獎(jiǎng)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射線光子的粒子性目前十一頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于十六點(diǎn)在應(yīng)用方面值得指出的是:用X射線衍射可以對(duì)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(duì)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)目前十二頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于十六點(diǎn)§5.2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(guò)程起因是彭加勒對(duì)X射線來(lái)源的一個(gè)錯(cuò)誤推測(cè):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。
貝克勒爾目前十三頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于十六點(diǎn)
他發(fā)現(xiàn)鈾鹽本身就會(huì)放出一中肉眼看不見(jiàn)的射線,它與熒光完全無(wú)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(lái)對(duì)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(huì)知道放射性是來(lái)自原子核,這使人類的認(rèn)識(shí)又深入一個(gè)層次。第一張鈾輻射照片
目前十四頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于十六點(diǎn)3.在發(fā)現(xiàn)過(guò)程中幾個(gè)值得思考的問(wèn)題(1)偶然中的必然:家族幾代人對(duì)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(jué)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。“靈感”是一種頓悟式的、突發(fā)性的直覺(jué)。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(lái)潮的結(jié)果。目前十五頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于十六點(diǎn)(3)從簡(jiǎn)單的甚至錯(cuò)誤的假設(shè)出發(fā),通過(guò)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(shí)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(jiàn)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(méi)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(shuō):“因?yàn)榉派渚€是通過(guò)鈾認(rèn)識(shí)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(duì)這個(gè)新現(xiàn)象的普遍性的研究似乎就沒(méi)有對(duì)它的本質(zhì)的物理研究來(lái)的緊迫。”目前十六頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于十六點(diǎn)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(shí),極具挑戰(zhàn)性(1)她毫不保守,毅然將測(cè)量對(duì)象從一種鈾鹽擴(kuò)展到她所能找到的各類礦石。(2)通過(guò)高精度定量化的測(cè)量弱電離電流來(lái)測(cè)量放射性的強(qiáng)度。目前十七頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于十六點(diǎn)
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(wàn)倍。1903年居里夫婦與貝克勒爾共享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
居里夫婦目前十八頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于十六點(diǎn)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(shuō):“在這樣的設(shè)備條件下,我們開始了令任何人都會(huì)疲乏不堪的工作。然而,就是在這陳舊不堪的棚子里,度過(guò)了我們一生中最美好和最幸福的年月。”居里夫人目前十九頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于十六點(diǎn)
作為第一位兩獲諾獎(jiǎng)的科學(xué)家,功名、財(cái)富近在咫尺。然而居里夫人不為所動(dòng),不把自己的發(fā)明申請(qǐng)專利,將制鐳技術(shù)奉獻(xiàn)給全人類。她說(shuō):“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(qǐng)專利,這是違背科學(xué)精神的?!蹦壳岸?yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于十六點(diǎn)討論與思考:在強(qiáng)調(diào)保護(hù)“知識(shí)產(chǎn)權(quán)”的今天,如何認(rèn)識(shí)和看待居里夫人的舉動(dòng)?
愛(ài)因斯坦在悼詞中說(shuō):
“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(duì)人類做出的貢獻(xiàn)。第一流人物對(duì)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。目前二十一頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于十六點(diǎn)
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(chǎng)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)是一種原子核衰變目前二十二頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于十六點(diǎn)
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)椋耗壳岸?yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于十六點(diǎn)
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(guò)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。目前二十四頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于十六點(diǎn)
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目前二十五頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于十六點(diǎn)
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。目前二十六頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于十六點(diǎn)
證明:當(dāng)足夠小時(shí),,所以
由,可得的物理意義是:?jiǎn)挝粫r(shí)間放射性核素的衰變概率(單位是s-1)目前二十七頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于十六點(diǎn)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:目前二十八頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于十六點(diǎn)4.已知放射性活度隨時(shí)間的變化,可以測(cè)得相應(yīng)的時(shí)間
于是有目前二十九頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于十六點(diǎn)
例題:有一古尸,現(xiàn)測(cè)得此古尸1
g碳中的的活度是0.121Bq。問(wèn)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:考古目前三十頁(yè)\總數(shù)三十四頁(yè)\編于十六點(diǎn)
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
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