科學(xué)技術(shù)史第九講

1、科學(xué)技術(shù)史第九講：二十世紀(jì)的科學(xué),電子科技大學(xué),目錄,日趨完美的物理學(xué)大廈,自從伽利略、牛頓等人創(chuàng)立近代力學(xué)以來, 經(jīng)過200多年的發(fā)展, 到19 世紀(jì)末, 在當(dāng)時(shí)大多數(shù)物理學(xué)家眼里, 似乎已經(jīng)有了一幅清晰的世界圖景。他們看到:,世界萬物都是由80 多種元素的原子組成的, 原子是不可再分的最小微粒。 一切自然過程都是連續(xù)的。任何一個(gè)給定的狀態(tài)只能由緊接在它前面的那個(gè)狀態(tài)來解釋, 如果在前后兩個(gè)狀態(tài)之間出現(xiàn)間隙, 那就破壞了事物的因果性聯(lián)系。因此,“自然無飛躍”, 連能量的變化和轉(zhuǎn)化也應(yīng)當(dāng)是連續(xù)的。 不同原子之間的結(jié)合和分解就產(chǎn)生了化學(xué)反應(yīng)。分子是原子組成的, 它保持著物質(zhì)最基本的物理和化學(xué)屬性

2、。,日趨完美的物理學(xué)大廈,熱現(xiàn)象是大量分子作混亂的機(jī)械運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn), 用統(tǒng)計(jì)力學(xué)的方法可以解釋氣態(tài)和凝聚態(tài)物理體系的性質(zhì)。 存在兩種電荷; 電荷產(chǎn)生電場(chǎng), 電荷的運(yùn)動(dòng)又產(chǎn)生磁場(chǎng),電磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)就是電磁波。熱輻射、可見光、紫外線等都只不過是不同波長的電磁波。 無論力、熱、聲、光、電、磁等現(xiàn)象多么復(fù)雜, 一切過程都要服從能量守恒和轉(zhuǎn)化定律。,目錄,19世紀(jì)的三大發(fā)現(xiàn),一、電子的發(fā)現(xiàn) 二、X射線的發(fā)現(xiàn) 三、天然放射性的發(fā)現(xiàn),（一）X射線的發(fā)現(xiàn),X射線的發(fā)現(xiàn)源自對(duì)陰極射線的研究。 在19世紀(jì)30年代，法拉第就發(fā)現(xiàn)真空中放電會(huì)產(chǎn)生輝光現(xiàn)象。 隨著真空技術(shù)的發(fā)展，物理學(xué)家進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，真空管內(nèi)的金屬電極在通電時(shí)

3、，陰極會(huì)發(fā)出某種射線，這種射線受磁場(chǎng)影響，具有能量，被稱為“陰極射線”。,J.J.湯姆孫進(jìn)行陰極射線研究的實(shí)驗(yàn)裝置,1895年，倫琴對(duì)陰極射線產(chǎn)生極大興趣并深入研究，最終發(fā)現(xiàn)X射線。X射線很快在醫(yī)學(xué)界得到應(yīng)用，使醫(yī)學(xué)診斷水平大大提高。 x射線的發(fā)現(xiàn)，被譽(yù)為19世紀(jì)末物理學(xué)的“三大發(fā)現(xiàn) ”之一， 倫琴因此在1901年成為諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)第一個(gè)獲得者。,倫琴 （1845-1923） 德國物理學(xué)家,1895年12月22日 攝于倫琴實(shí)驗(yàn)室,X射線發(fā)現(xiàn)后，首先被用于人體透視方面，在疾病診斷上起到了重要作用；后來，X射線用于晶體結(jié)構(gòu)的分析方面，在工業(yè)和科學(xué)研究中得到了廣泛應(yīng)用。,倫琴拍攝的第一張X光照片,X

4、射線用于對(duì)肺結(jié)核病的診斷,（二）放射性的發(fā)現(xiàn),放射性的發(fā)現(xiàn)來源于對(duì)X射線的研究。 1896年，法國物理學(xué)家貝克勒爾（Becquerel，18521908）用鈾鹽包（硫酸雙氧鈾鉀）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，開始探索X射線與熒光物質(zhì)的關(guān)系。 貝克勒爾首先發(fā)現(xiàn)了鈾的天然放射性。鈾是人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)天然放射性元素。,貝克勒爾（18521908）,出生于波蘭的化學(xué)家居里夫人（Marie Sklodowska Curie，18671934）在放射線研究方面做出了重大貢獻(xiàn)。 居里夫人原名瑪麗斯克羅多夫斯卡 ，1893年以第一名的成績畢業(yè)于巴黎大學(xué)，并先后取得物理學(xué)和數(shù)學(xué)碩士學(xué)位。 1898年，居里夫婦共同研究放射性現(xiàn)象，發(fā)

5、現(xiàn)釙和鐳兩種天然放射性元素，其中鐳的放射強(qiáng)度要比鈾強(qiáng)200萬倍。,一是要判明放出的射線是什么？ 二是查清物質(zhì)放出射線以后變成了什么？,放射性物質(zhì)發(fā)明的重要意義,1898年，盧瑟福(E. Rutherford)通過吸收實(shí)驗(yàn)證明鈾輻射穿透力弱的稱為射線，穿透力強(qiáng)的稱為射線。 1899年，貝克勒爾證實(shí)射線能被磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，其行為與陰極射線相似。 1900年，法國化學(xué)家維拉德(P.Villard)發(fā)現(xiàn)在鈾輻射中還有另一種成分，穿透力更強(qiáng)，稱為射線。 從1902年起，盧瑟福和索第(FSoddy)等人研究。射線和放射性物質(zhì)的規(guī)律，終于導(dǎo)致原子核嬗變規(guī)律和原子核的發(fā)現(xiàn)。,放射性物質(zhì)發(fā)現(xiàn)的重要意義,電子也是在研究

6、陰極射線的過程中發(fā)現(xiàn)的，是人類認(rèn)識(shí)的第一個(gè)基本粒子。 1897年，英國物理學(xué)家J.J.湯姆孫（J.J.Thoms，18561940）用實(shí)驗(yàn)證明，陰極射線不僅能被磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，而且能被電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)；比較精確地測(cè)出了這種帶電微粒的荷質(zhì)比（即電荷與質(zhì)量之比em）。,（三）電子的發(fā)現(xiàn),J.J.湯姆孫（18561940）,J.J湯姆孫因發(fā)現(xiàn)電子獲得1906年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。先后擔(dān)任皇家學(xué)會(huì)會(huì)長、劍橋大學(xué)三一學(xué)院院長，曾獲得牛津、都柏林、倫敦、劍橋、格丁根等20多個(gè)大學(xué)的名譽(yù)學(xué)位。 在湯姆孫的組織領(lǐng)導(dǎo)下，卡文迪什實(shí)驗(yàn)室成為全世界現(xiàn)代物理研究的一個(gè)重要中心。 近百年來，卡文迪什實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)出的諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者已達(dá)2

7、6人。,三大實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)誘發(fā)了經(jīng)典物理學(xué)危機(jī),三大實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)打開了經(jīng)典物理學(xué)的缺口 原來認(rèn)為原子是不可分割的最小質(zhì)點(diǎn)現(xiàn)在從原子里發(fā)現(xiàn)了電子、X射線和射線； 原來認(rèn)為元素是固定不變的，但放射現(xiàn)象表明一種元素可蛻變?yōu)榱硪环N元素； 原來認(rèn)為物質(zhì)的質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)無關(guān)，現(xiàn)今電子的質(zhì)量隨運(yùn)動(dòng)速度變化而變化，質(zhì)量似乎不守恒了；,三大實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)誘發(fā)了經(jīng)典物理學(xué)危機(jī),三大實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)打開了經(jīng)典物理學(xué)的缺口 原來認(rèn)為能量守恒只存在于機(jī)械能、熱能和電能相互轉(zhuǎn)化之中，現(xiàn)在一塊靜止的放射物質(zhì)本身就是熱源，即便沒有外力作用，能量也源源不斷地向外界釋放，能量好像也不守恒了； 原來認(rèn)為質(zhì)量和能量不搭界，現(xiàn)在放射性物質(zhì)因能量不斷釋放，質(zhì)量也不

8、斷減小。,三大實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)猛烈地沖擊著牛頓力學(xué)的物質(zhì)質(zhì)量、能量、動(dòng)量等基本概念，經(jīng)典物理學(xué)中質(zhì)量守恒、能量守恒、運(yùn)動(dòng)定律等基本定律也面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。 面對(duì)物理學(xué)危機(jī)，一些抱殘守缺的物理學(xué)家悲觀失望，唯心主義趁虛而入。,三大實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)誘發(fā)了經(jīng)典物理學(xué)危機(jī),目錄,第二節(jié) 相對(duì)論的創(chuàng)立,19世紀(jì)末20世紀(jì)初，物理學(xué)領(lǐng)域存在兩大棘手問題：“以太之謎”和“紫外災(zāi)難”。 正是這兩個(gè)問題引發(fā)了20世紀(jì)的物理學(xué)革命，導(dǎo)致了相對(duì)論和量子力學(xué)的誕生。,一、邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn),“以太”（aether）最早由亞里士多德提出，用以說明構(gòu)成天體的元素，后來笛卡兒認(rèn)為宇宙中充滿以太，以太是傳播光的媒介。 19世紀(jì)時(shí)，以太理論的研究中

9、心是以開爾文勛爵為代表的英國劍橋大學(xué)派。他們構(gòu)造出以太模型，企圖把光學(xué)和電磁學(xué)歸結(jié)為以太學(xué)。,笛卡爾漩渦以太模型,為了搞清地球相對(duì)于以太的運(yùn)動(dòng)，19世紀(jì)末，物理學(xué)家做過各種各樣的實(shí)驗(yàn)，其中精度最高的是邁克爾遜（Michelson，18521931）的實(shí)驗(yàn)。 邁克爾遜因發(fā)明精密光學(xué)儀器和在光學(xué)測(cè)量中取得的成就，于1907年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，其代表性著作有光速度（1902）、光波及其利用（1903）等。,邁克爾遜（18521931）與邁克爾遜干涉儀,1887年，邁克爾遜同美國化學(xué)家莫雷（Morley，18381923）合作，以更高的精度重復(fù)了以太測(cè)定實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)精度達(dá)到40億分之一。 他們觀測(cè)了5天

10、，看不到一點(diǎn)兒以太漂移的跡象。 實(shí)驗(yàn)的“零”結(jié)果否定了以太風(fēng)的存在，否定了絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。這就著名的以太漂移實(shí)驗(yàn)，邁克爾遜一莫雷以太漂移實(shí)驗(yàn)的結(jié)果轟動(dòng)了物理界 。,以太漂移實(shí)驗(yàn),1892年，荷蘭物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家洛倫茲（Lorentz，18531928）提出了收縮假說。 洛倫茲認(rèn)為物質(zhì)是由帶電粒子組成，物質(zhì)在帶有磁性的以太中運(yùn)動(dòng)時(shí)，在其運(yùn)動(dòng)方向上會(huì)發(fā)生收縮，其收縮程度正好與光速的減慢相抵消。 洛倫茲因研究磁場(chǎng)對(duì)輻射現(xiàn)象的影響取得重要成果，與塞曼共獲1902年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。,二、愛因斯坦與相對(duì)論,真正突破舊理論，開辟現(xiàn)代物理學(xué)新篇章的是德國青年物理學(xué)家愛因斯坦（Einstein，18791955）。

11、 在1905年3月6月四個(gè)月內(nèi)，愛因斯坦在輻射理論、分子動(dòng)理論、力學(xué)和電動(dòng)力學(xué)的基本理論等物理學(xué)的三個(gè)不同領(lǐng)域，發(fā)表了4篇具有歷史意義的論文。,1905年，愛因斯坦在伯爾尼專利局的辦公室,1905年，愛因斯坦發(fā)表了一篇具有劃時(shí)代意義的論文論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)，即“狹義相對(duì)論”。 愛因斯坦通過洛倫茲變換得出了如尺度縮短、時(shí)鐘變慢、光速不可逾越、質(zhì)量隨運(yùn)動(dòng)速度而改變等一系列重要結(jié)論。 相對(duì)論還提供了質(zhì)能關(guān)系式（Emc2），從理論上預(yù)示了原子能利用的前景。,（一）狹義相對(duì)論的提出,同時(shí)的相對(duì)性,時(shí)間延緩,狹義相對(duì)論的主要推論,狹義相對(duì)論的理論體系,狹義相對(duì)論的基本原理： 1、狹義相對(duì)性原理（物理定律在一

12、切慣性參考系中是平權(quán)的）。物理體系的狀態(tài)據(jù)以變化的定律，同描述這些狀態(tài)變化時(shí)所參照的坐標(biāo)系究竟是用兩個(gè)互相勻速移動(dòng)著的坐標(biāo)系中的哪一個(gè)并無關(guān)系。 2、光速不變?cè)恚ㄕ婵罩泄馑俨灰蚬庠吹倪\(yùn)動(dòng)而變，永遠(yuǎn)是30萬km/s，即邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果）。,整個(gè)狹義相對(duì)論就建筑在這兩條基本原理上,雙生子宇航悖論,“天上方一日， 人間已一年”,乘坐“光子火箭”以光速作星際旅行，回到地球時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)什么變化？,（四）廣義相對(duì)論的驗(yàn)證,1845年，法國天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)。 根據(jù)牛頓理論計(jì)算，在考慮到所有可能影響之后，仍有每百年43秒的差異無法解釋。 于是，天文學(xué)家根據(jù)發(fā)現(xiàn)海王星的經(jīng)驗(yàn)又預(yù)言“火神星”的

13、存在。,（1）第一個(gè)驗(yàn)證是水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng),水星近日點(diǎn)運(yùn)動(dòng)示意圖,在廣義相對(duì)論等效原理中，具有動(dòng)質(zhì)量的光子與其他靜止質(zhì)量不為零的粒子一樣也應(yīng)參與一切引力效應(yīng)，光子要產(chǎn)生引力場(chǎng)也要受到引力場(chǎng)的作用。 1911年，愛因斯坦根據(jù)等效原理預(yù)言光線在太陽引力場(chǎng)中將要發(fā)生偏折，并給出0.83秒的偏折值。 1914年，德國天文學(xué)家率隊(duì)到俄國的克里米亞半島觀測(cè)8月的日全食，但因第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)而停止。,（2）第二個(gè)驗(yàn)證是光線在引力場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn),1915年愛因斯坦將偏轉(zhuǎn)值修正為1.7秒。 1916年，英國天文學(xué)家愛丁頓（Eddington，18821944）決定利用1919年5月29日的日全食來驗(yàn)證廣義相對(duì)論關(guān)

14、于光線在引力場(chǎng)中的偏折效應(yīng)，并推動(dòng)英國皇家天文學(xué)會(huì)著手日全食觀測(cè)的準(zhǔn)備工作。 1919年11月，皇家天文學(xué)會(huì)宣布觀測(cè)結(jié)果為1.610.30秒，證實(shí)了光線在引力場(chǎng)的彎曲效應(yīng)。,廣義相對(duì)論的理論指出：光線在穩(wěn)定引力場(chǎng)中傳播時(shí)，頻率要發(fā)生改變，從引力場(chǎng)強(qiáng)的地方向引力場(chǎng)弱的地方傳播，光子頻率將變小，相應(yīng)的波長將增加，即譜線紅移，這種引力紅移也稱相對(duì)論紅移。 1925年，美國天文學(xué)家亞當(dāng)斯（Adams，18761956 ）對(duì)天狼星伴星的光譜線觀測(cè)證實(shí)了引力紅移。,（3）第三個(gè)驗(yàn)證是引力紅移（光譜線的紅向移動(dòng)）,亞當(dāng)斯（18761956）,思考,1.狹義相對(duì)論的主要結(jié)論是什么？作為物理學(xué)理論，它的主要局限

15、是什么？ 2、狹義相對(duì)論是否徹底終結(jié)了從古希臘以來不斷演化的以太理論？你認(rèn)為，現(xiàn)代科學(xué)還有沒有復(fù)興以太理論的任何可能？原因是什么？ 3、狹義相對(duì)論討論的兩個(gè)主要問題（1）時(shí)間、空間、物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在聯(lián)系（2）運(yùn)動(dòng)規(guī)律在不同慣性系中絕對(duì)，但時(shí)間、質(zhì)量、空間由于參照系不同而相對(duì) ， a.第二個(gè)問題在認(rèn)識(shí)論上是否矛盾？ b.如果承認(rèn)相對(duì)論，我們眼中的世界圖景會(huì)發(fā)生什么樣的變革？ C.現(xiàn)代理論物理描繪的宇宙圖景徹底遠(yuǎn)離了人類的直覺,是否意味著普通人再難以進(jìn)一步認(rèn)識(shí)客觀世界？你如何看待這個(gè)問題？,量子論革命,我以前同現(xiàn)在一樣，相信物理定律越帶普遍性，就越是簡單。 M.普朗克，M.普朗克物理論文和演講集

16、 當(dāng)一個(gè)人尋求生活的和諧時(shí)，必須永不忘記，在生活的偉大戲劇中，我們既是觀眾，又是演員，這是一個(gè)古老的真理。 N.玻爾，原子物理學(xué)與自然的描述,一個(gè)密閉的空腔上開一個(gè)小孔，則此小孔就可近似地看成為黑體。只吸收，不反射。 研究它的輻射本領(lǐng)的好處是與空腔材料無關(guān)。,黑體輻射,2黑體輻射本領(lǐng)與輻射波長的關(guān)系,維恩位移定律，即不同溫度時(shí)， 的極值位置不同,紫外災(zāi)難,（2）瑞利-金斯根據(jù)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理導(dǎo)出了瑞利-金斯公式：,此式在 較大時(shí)能與實(shí)驗(yàn)很好符合，而 小時(shí)則根本不對(duì)。 特別是當(dāng)波長趨近0時(shí)，輻射能量也趨近無窮大，這不僅與實(shí)際觀測(cè)不符，本身也是十分荒謬的。這就是“紫外災(zāi)難”（“紫外”指的就是

17、短波部分）,（3）普朗克 普朗克將兩個(gè)公式綜合起來，湊出一個(gè)與整個(gè)實(shí)驗(yàn)曲線符合的經(jīng)驗(yàn)公式：,普朗克,稱為普朗克公式。其中，h是普朗克常數(shù)，c是光速，k是玻爾茲曼常數(shù)。,當(dāng) 很小 維恩公式,普朗克的基本假設(shè)： 在輻射場(chǎng)中有大量包含各種頻率的諧振子，一個(gè)頻率為 的諧振子的能量不能是連續(xù)的，只能是能量元（又稱能量子） 的整數(shù)倍，即 ，其中n只能取正整數(shù)。能量元 ，h為普朗克常數(shù)。這就是著名的“能量量子化”假設(shè)。,一、湯姆孫的原子模型 電子的發(fā)現(xiàn)者湯姆孫本人所提出的一種原子模型： 原子的正電荷是均勻分布在整個(gè)原子球體內(nèi)，而電子是一個(gè)個(gè)嵌在其中，并保持整個(gè)原子的電中性。當(dāng)時(shí)這種模型被稱之為“葡萄干布丁模

18、型”。 1904年又作進(jìn)一步假設(shè)：原子中電子是分布在一個(gè)個(gè)同心圓環(huán)上，作著旋轉(zhuǎn)，每個(gè)環(huán)中只能包含,有限個(gè)電子。這是閃光點(diǎn)！,這個(gè)假設(shè)可解釋元素周期表。,葡萄干布丁模型,二、粒子探針的奇跡 盧瑟福1871年8月13日生于 新西蘭一個(gè)蘇格蘭移民后裔家庭。 1894年大學(xué)畢業(yè)，考入劍橋大學(xué)三 一學(xué)院，成為J.J.湯姆孫第一個(gè)外 國研究生。后來成為卡文迪許實(shí)驗(yàn) 室的第四任教授。,二、玻爾原子結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)（科學(xué)背景） 1普朗克和愛因斯坦提出了“量子化”概念 2盧瑟福提出了“原子核核式結(jié)構(gòu)”模型 3描寫氫原子可見光譜線的波長的經(jīng)驗(yàn)公式巴耳末公式(1885年)：,三、玻爾模型及其發(fā)展 1玻爾模型的基本假設(shè) 玻爾的目的：要解決盧瑟福原子模型的穩(wěn)定性問題及給出原子大小。在他所發(fā)表的劃時(shí)代的關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的論文中首先對(duì)氫原子提出了玻爾模型的兩個(gè)基本假定：,（1）定態(tài)條件假定原子可以保持穩(wěn)定性 作繞核圓周運(yùn)動(dòng)的電子只能處在一些分立的允許軌道上運(yùn)動(dòng)，且不存在能量輻射。也就是說電子只允許在一些有確定分立半徑和分立能量大小的“定態(tài)”軌道上運(yùn)動(dòng)。,（2）頻率條件假定 當(dāng)電子從一定態(tài)能量為 的允許軌道躍遷到另一定態(tài)能量為 的允許軌道時(shí)，會(huì)以電磁波形式 釋放能量（當(dāng) ）,吸收能量（當(dāng) ） 若 ，則所放出的電磁波所相應(yīng)的光子能量為,玻爾的