20世纪物理学的革命.docx

20世纪物理学的革命.docx

《20世纪物理学的革命.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《20世纪物理学的革命.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

20世纪物理学的革命

第四讲

20世纪物理学的革命

在19世纪末，经典物理学发展得相当完善，当德国著名的年轻物理学家普朗克向他的老师开尔文求教，是选择音乐还是物理学作为自己终身的职业时，得到的答复是：

“物理学基本是一门已经完成了的科学，因此，物理学已经无所作为，往后无非在已知规律的小数点后面加上几个数字而已。

”

　　　当时许多物理学家认为：

物理学的大厦已经落成，人类对自然界的认识已经到了尽头。

普朗克

开尔文

〔一〕物理学天空的两朵乌云

1、紫外灾难〔黑体辐射实验〕

物理学家瑞利和金斯按照经典物理理论，认为能量是一种连续变化的物理量，并建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。

但是，这个公式推出，在短波区〔紫外光区〕随着波长的变短，辐射强度趋于无穷大，这显然是不可能的。

这被称为“紫外灾难”。

因此经典物理学理论受到严重挑战。

后来人们发现黑体辐射的能量确实不是连续的，于是有了量子论。

B（λ，T）=2hc/λ5·1/exp（hc/λRT）-1

B（λ，T）—黑体的光谱辐射亮度

λ—辐射波长（μm）

T—黑体绝对温度（K、T=t+273k）

C—光速（2.998×108m·s-1）

h—普朗克常数，6.626×10-34J·S

K—波尔兹曼常数（Bolfzmann），1.380×10-23J·K-1基本物理常数

2、迈克尔逊-莫雷实验

经典的光波动理论假定真空中充满以太

光相对于以太的传播速度为C，地球上测到的真空光速应该是光对以太的速度与地球相对于以太速度的矢量差，为了能够显示出光相对于地球的传播速度不同于C，迈克耳逊设计了一个十分巧妙的实验，理论上可以观测到干预条纹的移动。

然而结果并没有观察到条纹的移动。

也就是说并不存在所谓的“以太”。

这是对经典物理学的又一个挑战。

在两朵乌云出现的前后，物理学有了三大发现

1.X光（阴极射线）

1895伦琴发现

〔二〕三大发现

威尔姆·康拉德·伦琴，德国物理学家。

1865年进入瑞士苏黎世联邦工业大学机械工程系学习，1868年毕业。

1869年获博士学位。

1871年到德国斯特拉斯堡大学任教，

1894年任维尔茨堡大学校长，

1900年任慕尼黑大学物理学教授，

同时任物理研究所主任。

1923年2月逝世。

伦琴一生在物理学许多领域中进行过实验研究工作

如电介质在充电的电容器中运动时的磁效应、热释电和压电现象、

气体的比热容、晶体的导热性、

光的偏振面在气体中的旋转、光与电的关系、

物质的弹性、毛细现象等研究都有奉献。

由于他发现X射线而赢得了巨大的荣誉，以致上述奉献大多不为人所注意。

1895年11月8日，伦琴在进行阴极射线的实验时第一次注意到放在射线管附近的氰亚铂酸钡小屏上发出微光。

经过几天废寝忘食的研究，〔夫人疑心他夜宿不归是否有外遇的故事〕他确定了荧光屏的发光是由于射线管中发出的某种射线所致。

因为当时对于这种射线的本质和属性还了解得很少，所以他称它为X射线。

为了给夫人作出解释，伦琴就用这种射线拍摄了他夫人的手的照片，显示出带有婚戒的手骨的照片。

因而在社会上立即引起很大的轰动，为伦琴带来了十分巨大的荣誉。

1901年诺贝尔奖第一次颁奖，

伦琴就由于这一发现而获得了第一个诺贝尔奖物理学奖。

1896年1月23日，伦琴在自己的研究所中作了第一次报告；报告结束时，用X射线拍摄了维尔茨堡大学著名解剖学教授克利克尔一只手的照片；克利克尔带头向伦琴欢呼三次，并建议将这种射线命名为

伦琴射线。

2.电子的发现（x射线的荷质比）

J.J.汤姆逊（约瑟夫·约翰·汤姆逊）

于1898年发现。

1856年生于英国。

1891年开始了原子核结构

的理论研究．他从实验上发现了

电子的存在，提出了原子模型，

把原子看成是一个带正电的球，

电子在球内运动．

1906年他因在气体导电

研究方面的成就获得了诺贝尔

物理学奖．

J.J.汤姆逊于1886年开始了划时代的探索--对气体放电以及阴极射线进行分析。

大胆推测：

阴极射线中的电荷载体是一种普通的物质成分，它比元素原子的质量还要小。

同年，J.J.汤姆逊创造性地设计了一个杰出的实验。

实验测出了阴极射线的电荷与质量的比值〔后来被称为电子的“荷值比”e/me〕。

一举结束了长达20多年的对阴极射线本质的争论，并合理地作出假说：

存在着比元素原子还要小的一种物质状态——电子。

3.放射性的发现

1896贝克勒尔：

铀（深究x光）

一次科学家介绍X射线的报告会，引起了

贝克勒尔的极大兴趣，并猜测可能还有其

他物质也会发出同χ射线类似的射线。

一次偶然的时机，证实了他的猜测，

藏在抽屉里的底片因没有光线照射，一直

都没有问题。

有一次，在底片上放置了两

块含有铀盐的矿物，结果5天后在没有阳光的情况下，底片

上竟然出现明显的感光现象。

这说明铀本身在发光！

第二天他在科学院的学术报告上公布了这一新发现。

他又用验电器对这种射线进行了定量研究，首次发现了物质的放射性。

发现放射性的初期，人们不知它的危害，贝克勒尔由于在毫无防护下长期接触放射物质，健康受到严重损害，50多岁逝世了。

科学界为了表彰他的杰出奉献，将放射性物质的射线定名为“贝克勒尔射线。

”

1898居里夫人：

发现镭和钋两种天然放射性元素

玛丽·居里〔MarieCurie〕，

〔1867.11.7—1934.7.4〕，出生于

波兰，世界著名科学家，研究放射

性现象，一生两度获诺贝尔奖〔第

一次物理奖，第二次化学奖〕。

因

为居里夫人是成功女性的先驱，她

的典范激励了很多人。

苏珊.昆

〔SusanQuinn〕花了七年时间，

出版了一本新书：

《玛丽·居里：

她的一生》〔MariaCurie:

：

ALife〕

为她艰苦奋斗的生命历程描绘了一幅生动的图像。

她的

长女伊伦娜，核物理学家，与丈夫约里奥因发现人工放

射性物质共同获得诺贝尔化学奖。

玛丽从小处处表现出一种顽强的进取精神，自上小学开始，每门功课都考第一。

15岁时，就以获得金奖章的优异成绩从中学毕业。

1896年，居里夫人以第一名的成绩，完成了巴黎大学大学毕业生的任职考试。

由于居里夫妇关于镭的放射性的发现，1903年12月，他们和贝克勒尔一起获得了第三届诺贝尔物理学奖。

1906年，居里先生不幸因车祸而去世，居里夫人承受着巨大的痛苦，决心加倍努力，完成两个人共同的科学志愿。

巴黎大学决定由居里夫人接替居里先生讲授物理课，成为巴黎大学有史以来第一位女教授，

1910年，居里夫人又完成了《放射性专论》一书。

她还与人合作，成功地制取了金属镭。

1911年，居里夫人又获得诺贝尔化学奖。

一位女科学家，在不到10年的时间里，两次在两个不同的科学领域里获得世界科学的最高奖，这在世界科学史上是独一无二的事情！

1934年7月4日，居里夫人病逝了。

她最后死于恶性贫血症。

她一生创造、发展了放射科学，长期无畏地研究强烈放射性物质，直至最后把生命奉献给了这门科学。

她一生中，共得过包括诺贝尔奖等在内的10次著名奖金，得到国际高级学术机构颁发的奖章16枚；世界各国政府和科研机构授予的各种头衔多达107多个。

但是她一如既往地那样谦虚谨慎。

伟大的科学家阿尔伯特·爱因斯坦评价说：

“在我认识的所有著名人物里面，居里夫人是唯一不为盛名所宠坏的人！

”

两朵乌云的出现和三个伟大的发现预示着一场新的物理学革命即将到来，而在这场革命中，出现了一位科学巨匠，他就是爱因斯坦。

让我们进入他的生活里程去领悟

他的人格魅力吧.

爱因斯坦和的妹妹玛伽

爱因斯坦的青少年时代

5岁时的爱因斯坦

这是爱因斯坦出生地德国的乌尔姆镇大（Ulm）。

爱因斯坦小时候学校的照片

16岁那年，又一个极富挑战性的问题占据了他的头脑：

假设某种光的接受器，比方：

人的眼睛或是摄影机，跟随在光的后面，用光速飞奔，那么，会发生什么情形？

他把问题捕捉住，记在本子上。

正是这个令爱因斯坦日思夜想的高难问题，孕育了未来相对论的神奇萌芽。

也许，这可以看作是小爱因斯坦向科学堡垒发起的第一次勇敢进攻。

16岁那年，他报考大学，尽管物理数学成绩很好，但由于需要死记硬背的科目考砸了锅，名落孙山。

第二年进入大学后，他擅自“刷掉了”很多课程，只以“极大的兴趣”去听某些课和在家里自学。

由于他的落拓不羁的性格和独立思考的习惯，为教授们所不满，大学一毕业就失业，两年后才找到固定职业。

正因为如此，成名后的爱因斯坦通过自身的体验和长期的观察，形成了一种与众不同的教育观点。

“知识是死的，而学校却要为活人服务。

”他反对把学校仅仅看做是传授知识的工具，更反对把学生“当作死的工具来对待”。

他认为：

“学校的目的始终应当是：

青年人在离开学校时，是作为一个和谐的人，而不是作为一个专家。

”

和牛顿一样，爱因斯坦年幼时也未显出智力超群，相反，到了四岁多还不会说话，家里人甚至担忧他是个低能儿。

1905年，26岁的爱因斯坦尚未知名，小人物写出了大文章。

他在科学史上创造了一个史无前例奇迹。

这一年他写了六篇论文，利用在瑞士伯尔尼专利局每天八小时工作以外的业余时间，在三个领域做出了四个有划时代意义的奉献，他发表了：

1.关于光量子说

2.分子大小测定法

3.布朗运动理论

4.狭义相对论

做出了二十世纪物理学史上最辉煌的几项奉献。

我疑心刚三十岁出头的杨振宁先生，当年假设不在普林斯顿大学，而在中关村原子能所就职，能否脱颖而出、名满天下，该打个大问号！

伯尔尼一条繁忙的街道和市内著名的钟楼景色。

爱因斯坦在专利局的工作既有责任感也很有趣，并且他有时间从事自己的科学研究工作。

（一）狭义相对论

1905年爱因斯坦提出了匀速运动体系的狭义

相对论的两个基本原理

1相对性原理爱因斯坦认为时间、运动、

质量不是绝对的，而是相对的。

较典型的现象

是运动的物体长度变短〔尺缩效应〕、运动的

钟比静止的钟走得慢〔钟慢效应〕、运动的物

体重量变大，当速度接近光速时，质量趋于无

穷大。

2光速不变原理光速不变原理则认为光的传播速度在任何条件下都是不变的。

爱因斯坦的狭义相对论顺理成章地导出了著名的质能关系式：

E=mc2，对后来发展的原子能事业起到了指导作用

重大意义：

突破了经典力学〔从宏观低速到宇观高速〕；改变了传统的牛顿时空观。

〔二〕广义相对论

1916年，爱因斯坦完成了长篇论文《广义相对论的基础》，表述了广义相对性原理：

物理学的定律必须对于无论哪种方式运动着的参照系都成立。

爱因斯坦预言，遥远的星光如果掠过太阳外表将会发生一点七秒的偏转。

1919年，英国派出了两支远征队分赴两地观察日全食，经过认真的研究得出最后的结论是：

星光在太阳附近确实发生了一点七秒的偏转。

英国皇家学会确认广义相对论的结论是正确的。

会上，著名物理学家、皇家学会会长汤姆孙说：

“这是自从牛顿时代以来所取得的关于万有引力理论的最重大的成果”，“爱因斯坦的相对论是人类思想最伟大的成果之一”。

广义相对论

爱因斯坦指出物体使周围空间、时间弯曲，在物体具有很大的相对质量〔例如一颗恒星〕时，这种弯曲可使从

它旁边经过的任何其它事物，即使是光线，改变路径。

地球周围引力场和时空结构拖曳扭曲时的情景。

科学家通过分析两枚绕地球轨道的人造卫星11年的运行轨迹，发现由于地球旋转所造成的特异的空间结构，使这些卫星大概每年出现大约2米的轨道偏离的现象。

宇宙中黑洞旋转引起的时空扭曲效应，以及黑洞物质猛烈喷发的情景。

爱因斯坦的相对论不仅是

物理学的一次革命，也是哲学

的一次革命，它变革了物质观、

能量观和时空观。

而且促进了

一系列技术革命：

如原子能的

利用，激光的应用。

此外还推

动了宇宙学的发展。

可以说爱

因斯坦是20世纪最伟大的物理学家、科学家