第四講科學(xué)技術(shù)史通識(shí)課

1、科學(xué)技術(shù)與文明通識(shí)選修課2009.4.18,主講：萬輔彬教授,廣西民族大學(xué)科學(xué)技術(shù)與社會(huì)發(fā)展研究中心,第四講20世紀(jì)物理學(xué)的革命,一、兩朵烏云與三大發(fā)現(xiàn),在19世紀(jì)末，經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展得相當(dāng)完善，當(dāng)?shù)聡?guó)著名的年輕物理學(xué)家普朗克向他的老師開爾文求教，是選擇音樂還是物理學(xué)作為自己終身的職業(yè)時(shí)，得到的答復(fù)是：“物理學(xué)基本是一門已經(jīng)完成了的科學(xué)，因此，物理學(xué)已經(jīng)無所作為，往后無非在已知規(guī)律的小數(shù)點(diǎn)后面加上幾個(gè)數(shù)字而已 ?！?　　　當(dāng)時(shí)

2、許多物理學(xué)家認(rèn)為：物理學(xué)的大廈已經(jīng)落成，人類對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)已經(jīng)到了盡頭。,普朗克,開爾文,（一）物理學(xué)天空的兩朵烏云,1、紫外災(zāi)難（黑體輻射實(shí)驗(yàn)） 物理學(xué)家瑞利和金斯按照經(jīng)典物理理論，認(rèn)為能量是一種連續(xù)變化的物理量，并建立起在波長(zhǎng)比較長(zhǎng)、溫度比較高的時(shí)候和實(shí)驗(yàn)事實(shí)比較符合的黑體輻射公式。但是，這個(gè)公式推出，在短波區(qū)（紫外光區(qū)）隨著波長(zhǎng)的變短，輻射強(qiáng)度趨于無窮大，這顯然是不可能的。這被稱為“紫外災(zāi)難”。因此經(jīng)典物理學(xué)理

3、論受到嚴(yán)重挑戰(zhàn)。 后來人們發(fā)現(xiàn)黑體輻射的能量確實(shí)不是連續(xù)的，于是有了量子論。,B(λ，T)=2hc/λ5 ·1/exp(hc/λRT)-1,B(λ，T)—黑體的光譜輻射亮度λ—輻射波長(zhǎng)(μm) T—黑體絕對(duì)溫度(K、T=t+273k) C—光速(2.998×108 m·s-1 ) h—普朗克常數(shù)， 6.626×10-34 J·S K—波爾茲曼常數(shù)(

4、Bolfzmann)， 1.380×10-23 J·K-1 基本物理常數(shù),,,2、邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn),,經(jīng)典的光波動(dòng)理論假定真空中充滿以太,光相對(duì)于以太的傳播速度為C， 地球上測(cè)到的真空光速應(yīng)該是光對(duì)以太的速度與地球相對(duì)于以太速度的矢量差，為了能夠顯示出光相對(duì)于地球的傳播速度不同于C，邁克耳遜設(shè)計(jì)了一個(gè)十分巧妙的實(shí)驗(yàn)，理論上可以觀測(cè)到干涉條紋的移動(dòng)。 然而結(jié)果并沒有觀察到條紋的移動(dòng)。 也就是說并不存在所謂的“

5、以太”。 這是對(duì)經(jīng)典物理學(xué)的又一個(gè)挑戰(zhàn)。,在兩朵烏云出現(xiàn)的前后，物理學(xué)有了三大發(fā)現(xiàn) 1. X光 (陰極射線) 1895 倫琴發(fā)現(xiàn),（二）三大發(fā)現(xiàn),威爾姆·康拉德·倫琴， 德國(guó)物理學(xué)家。1865年進(jìn)入瑞士蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程系學(xué)習(xí)，1868年畢業(yè)。1869年獲博士學(xué)位。1871年到德國(guó)斯特拉斯堡大學(xué)任教，1894年任維爾茨堡大學(xué)校長(zhǎng)，1900年任慕尼黑大學(xué)物理學(xué)教授，同時(shí)任

6、物理研究所主任。1923年2月逝世。,倫琴一生在物理學(xué)許多領(lǐng)域中進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)研究工作,如電介質(zhì)在充電的電容器中運(yùn)動(dòng)時(shí)的磁效應(yīng)、熱釋電和壓電現(xiàn)象、氣體的比熱容、晶體的導(dǎo)熱性、光的偏振面在氣體中的旋轉(zhuǎn)、光與電的關(guān)系、物質(zhì)的彈性、毛細(xì)現(xiàn)象等研究都有貢獻(xiàn)。由于他發(fā)現(xiàn)X射線而贏得了巨大的榮譽(yù)，以致上述貢獻(xiàn)大多不為人所注意。,1895年11月8日，倫琴在進(jìn)行陰極射線的實(shí)驗(yàn)時(shí)第一次注意到放在射線管附近的氰亞鉑酸鋇小屏上發(fā)出微光。經(jīng)過幾天廢寢忘

7、食的研究，（夫人懷疑他夜宿不歸是否有外遇的故事）他確定了熒光屏的發(fā)光是由于射線管中發(fā)出的某種射線所致。因?yàn)楫?dāng)時(shí)對(duì)于這種射線的本質(zhì)和屬性還了解得很少，所以他稱它為X射線。,為了給夫人作出解釋，倫琴就用這種射線拍攝了他夫人的手的照片，顯示出帶有婚戒的手骨的照片。,因而在社會(huì)上立即引起很大的轟動(dòng)，為倫琴帶來了十分巨大的榮譽(yù)。 1901年諾貝爾獎(jiǎng)第一次頒獎(jiǎng)，倫琴就由于這一發(fā)現(xiàn)而獲得了第一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)。,1896年1月23日，倫琴在自己的

8、研究所中作了第一次報(bào)告；報(bào)告結(jié)束時(shí)，用X射線拍攝了維爾茨堡大學(xué)著名解剖學(xué)教授克利克爾一只手的照片；克利克爾帶頭向倫琴歡呼三次，并建議將這種射線命名為 倫琴射線。,2. 電子的發(fā)現(xiàn)(x射線的荷質(zhì)比) J.J.湯姆遜(約瑟夫·約翰·湯姆遜) 于1898年發(fā)現(xiàn)。 1856年生于英國(guó)。 1891年開始了原子核結(jié)構(gòu)的理論研究．他從實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了電子的存在，提出了原子模型，把原子看成是

9、一個(gè)帶正電的球，電子在球內(nèi)運(yùn)動(dòng)． 1906年他因在氣體導(dǎo)電研究方面的成就獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．,J.J.湯姆遜于1886年開始了劃時(shí)代的探索--對(duì)氣體放電以及陰極射線進(jìn)行分析。 大膽推測(cè)：陰極射線中的電荷載體是一種普通的物質(zhì)成分，它比元素原子的質(zhì)量還要小。同年， J.J.湯姆遜創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了一個(gè)杰出的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)測(cè)出了陰極射線的電荷與質(zhì)量的比值（后來被稱為電子的“荷值比” e/me）。一舉結(jié)束了長(zhǎng)達(dá)20多年的對(duì)陰極射線本

10、質(zhì)的爭(zhēng)論，并合理地作出假說：存在著比元素原子還要小的一種物質(zhì)狀態(tài)——電子。,3. 放射性的發(fā)現(xiàn) 1896 貝克勒爾：鈾(深究x光)一次科學(xué)家介紹X射線的報(bào)告會(huì)，引起了貝克勒爾的極大興趣，并猜測(cè)可能還有其他物質(zhì)也會(huì)發(fā)出同χ射線類似的射線。 一次偶然的機(jī)會(huì)，證實(shí)了他的猜測(cè)，藏在抽屜里的底片因沒有光線照射，一直都沒有問題。有一次，在底片上放置了兩塊含有鈾鹽的礦物，結(jié)果5天后在沒有陽光的情況下，底片,上

11、竟然出現(xiàn)明顯的感光現(xiàn)象。這說明鈾本身在發(fā)光！第二天他在科學(xué)院的學(xué)術(shù)報(bào)告上公布了這一新發(fā)現(xiàn)。他又用驗(yàn)電器對(duì)這種射線進(jìn)行了定量研究，首次發(fā)現(xiàn)了物質(zhì)的放射性。 發(fā)現(xiàn)放射性的初期，人們不知它的危害，貝克勒爾由于在毫無防護(hù)下長(zhǎng)期接觸放射物質(zhì)，健康受到嚴(yán)重?fù)p害，50多歲逝世了。科學(xué)界為了表彰他的杰出貢獻(xiàn)，將放射性物質(zhì)的射線定名為“貝克勒爾射線?！?1898 居里夫人：發(fā)現(xiàn)鐳和釙兩種天然放射性元素,瑪麗·居里（Marie Cur

12、ie），（1867.11.7—1934.7.4），出生于波蘭，世界著名科學(xué)家，研究放射性現(xiàn)象，一生兩度獲諾貝爾獎(jiǎng)（第一次物理獎(jiǎng)，第二次化學(xué)獎(jiǎng)）。因?yàn)榫永锓蛉耸浅晒ε缘南闰?qū)，她的典范激勵(lì)了很多人。蘇珊.昆（Susan Quinn）花了七年時(shí)間，出版了一本新書：《瑪麗· 居里：她的一生》（Maria Curie:：A Life）為她艱苦奮斗的生命歷程描繪了一幅生動(dòng)的圖像。 她的長(zhǎng)女伊倫娜，核物理學(xué)家，與丈夫

13、約里奧因發(fā)現(xiàn)人工放射性物質(zhì)共同獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。,瑪麗從小處處表現(xiàn)出一種頑強(qiáng)的進(jìn)取精神，自上小學(xué)開始，每門功課都考第一。15歲時(shí)，就以獲得金獎(jiǎng)?wù)碌膬?yōu)異成績(jī)從中學(xué)畢業(yè)。1896年，居里夫人以第一名的成績(jī)，完成了巴黎大學(xué)大學(xué)畢業(yè)生的任職考試。由于居里夫婦關(guān)于鐳的放射性的發(fā)現(xiàn)，1903年12月，他們和貝克勒爾一起獲得了第三屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 1906年，居里先生不幸因車禍而去世，居里夫人承受著巨大的痛苦，決心加倍努力，完成兩個(gè)人共同的科學(xué)志

14、愿。巴黎大學(xué)決定由居里夫人接替居里先生講授物理課，成為巴黎大學(xué)有史以來第一位女教授，1910年，居里夫人又完成了《放射性專論》一書。她還與人合作，成功地制取了金屬鐳。1911年，居里夫人又獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。一位女科學(xué)家，在不到10年的時(shí)間里，兩次在兩個(gè)不同的科學(xué)領(lǐng)域里獲得世界科學(xué)的最高獎(jiǎng)，這在世界科學(xué)史上是獨(dú)一無二的事情！,1934年7月4日，居里夫人病逝了。她最后死于惡性貧血癥。她一生創(chuàng)造、發(fā)展了放射科學(xué)，長(zhǎng)期無畏地研究強(qiáng)烈放射性物

15、質(zhì)，直至最后把生命貢獻(xiàn)給了這門科學(xué)。她一生中，共得過包括諾貝爾獎(jiǎng)等在內(nèi)的10次著名獎(jiǎng)金，得到國(guó)際高級(jí)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)頒發(fā)的獎(jiǎng)?wù)?6枚；世界各國(guó)政府和科研機(jī)構(gòu)授予的各種頭銜多達(dá)107多個(gè)。但是她一如既往地那樣謙虛謹(jǐn)慎。偉大的科學(xué)家阿爾伯特·愛因斯坦評(píng)價(jià)說：“在我認(rèn)識(shí)的所有著名人物里面，居里夫人是唯一不為盛名所寵壞的人！”,兩朵烏云的出現(xiàn)和三個(gè)偉大的發(fā)現(xiàn)預(yù)示著一場(chǎng)新的物理學(xué)革命即將到來，而在這場(chǎng)革命中，出現(xiàn)了一位科學(xué)巨匠，他就是愛因斯坦。

16、,讓我們進(jìn)入他的生活里程去領(lǐng)悟他的人格魅力吧.,愛因斯坦的青少年時(shí)代,愛因斯坦和的妹妹瑪伽,愛因斯坦的青少年時(shí)代,5歲時(shí)的愛因斯坦,這是愛因斯坦出生地德國(guó)的烏爾姆鎮(zhèn)大(Ulm)。,愛因斯坦小時(shí)候?qū)W校的照片,16歲那年，又一個(gè)極富挑戰(zhàn)性的問題占據(jù)了他的頭腦：假如某種光的接受器，比如：人的眼睛或是攝影機(jī)，跟隨在光的后面，用光速飛奔，那么，會(huì)發(fā)生什么情形？他把問題捕捉住，記在本子上。正是這個(gè)令愛因斯坦日思夜想的高難問題，孕育了未來相對(duì)論的神

17、奇萌芽。也許，這可以看作是小愛因斯坦向科學(xué)堡壘發(fā)起的第一次勇敢進(jìn)攻。,16歲那年，他報(bào)考大學(xué)，盡管物理數(shù)學(xué)成績(jī)很好，但由于需要死記硬背的科目考砸了鍋，名落孫山。第二年進(jìn)入大學(xué)后，他擅自“刷掉了”很多課程，只以“極大的興趣”去聽某些課和在家里自學(xué)。,由于他的落拓不羈的性格和獨(dú)立思考的習(xí)慣，為教授們所不滿，大學(xué)一畢業(yè)就失業(yè)，兩年后才找到固定職業(yè)。正因?yàn)槿绱?，成名后的愛因斯坦通過自身的體驗(yàn)和長(zhǎng)期的觀察，形成了一種與眾不同的教育觀點(diǎn)。

18、“知識(shí)是死的，而學(xué)校卻要為活人服務(wù)?！?他反對(duì)把學(xué)校僅僅看做是傳授知識(shí)的工具，更反對(duì)把學(xué)生“當(dāng)作死的工具來對(duì)待”。他認(rèn)為：“學(xué)校的目的始終應(yīng)當(dāng)是：青年人在離開學(xué)校時(shí)，是作為一個(gè)和諧的人，而不是作為一個(gè)專家?！?1905年，26歲的愛因斯坦尚未知名，小人物寫出了大文章。他在科學(xué)史上創(chuàng)造了一個(gè)史無前例奇跡。這一年他寫了六篇論文，利用在瑞士伯爾尼專利局每天八小時(shí)工作以外的業(yè)余時(shí)間，在三個(gè)領(lǐng)域做出了四個(gè)有劃時(shí)代意義的貢獻(xiàn)，他發(fā)表了：1.關(guān)于光

19、量子說 2.分子大小測(cè)定法 3.布朗運(yùn)動(dòng)理論4.狹義相對(duì)論 做出了二十世紀(jì)物理學(xué)史上最輝煌的幾項(xiàng)貢獻(xiàn)。,伯爾尼一條繁忙的街道和市內(nèi)著名的鐘樓景色。,愛因斯坦在專利局的工作既有責(zé)任感也很有趣，并且他有時(shí)間從事自己的科學(xué)研究工作。,二、從狹義相對(duì)論到廣義相對(duì)論,(一) 狹義相對(duì)論1905年愛因斯坦提出了勻速運(yùn)動(dòng)體系的狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本原理 1 相對(duì)性原理愛因斯坦認(rèn)為時(shí)間、運(yùn)動(dòng)、質(zhì)量不是絕對(duì)的，而是相對(duì)的。較典型的

20、現(xiàn)象是運(yùn)動(dòng)的物體長(zhǎng)度變短（尺縮效應(yīng)）、運(yùn)動(dòng)的鐘比靜止的鐘走得慢（鐘慢效應(yīng)）、運(yùn)動(dòng)的物體重量變大，當(dāng)速度接近光速時(shí)，質(zhì)量趨于無窮大。 2 光速不變?cè)砉馑俨蛔冊(cè)韯t認(rèn)為光的傳播速度在任何條件下都是不變的。 愛因斯坦的狹義相對(duì)論順理成章地導(dǎo)出了著名的質(zhì)能關(guān)系式：E=mc2，對(duì)后來發(fā)展的原子能事業(yè)起到了指導(dǎo)作用 重大意義：突破了經(jīng)典力學(xué)（從宏觀低速到宇觀高速）；改變了傳統(tǒng)的牛頓時(shí)空觀。,（二）廣義相對(duì)論

21、 1916年，愛因斯坦完成了長(zhǎng)篇論文《廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)》，表述了廣義相對(duì)性原理：物理學(xué)的定律必須對(duì)于無論哪種方式運(yùn)動(dòng)著的參照系都成立。愛因斯坦預(yù)言，遙遠(yuǎn)的星光如果掠過太陽表面將會(huì)發(fā)生一點(diǎn)七秒的偏轉(zhuǎn)。1919年，英國(guó)派出了兩支遠(yuǎn)征隊(duì)分赴兩地觀察日全食，經(jīng)過認(rèn)真的研究得出最后的結(jié)論是：星光在太陽附近的確發(fā)生了一點(diǎn)七秒的偏轉(zhuǎn)。英國(guó)皇家學(xué)會(huì)確認(rèn)廣義相對(duì)論的結(jié)論是正確的。會(huì)上，著名物理學(xué)家、皇家學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)湯姆孫說：“這是自從牛頓時(shí)代以來所取得的關(guān)于

22、萬有引力理論的最重大的成果”，“愛因斯坦的相對(duì)論是人類思想最偉大的成果之一”。,廣義相對(duì)論,愛因斯坦指出物體使周圍空間、時(shí)間彎曲，在物體具有很大的相對(duì)質(zhì)量（例如一顆恒星）時(shí)，這種彎曲可使從它旁邊經(jīng)過的任何其它事物，即使是光線，改變路徑。,地球周圍引力場(chǎng)和時(shí)空結(jié)構(gòu)拖曳扭曲時(shí)的情景?？茖W(xué)家通過分析兩枚繞地球軌道的人造衛(wèi)星11年的運(yùn)行軌跡，發(fā)現(xiàn)由于地球旋轉(zhuǎn)所造成的特異的空間結(jié)構(gòu)，使這些衛(wèi)星大概每年出現(xiàn)大約2米的軌道偏離的現(xiàn)象。,宇宙中黑洞旋

23、轉(zhuǎn)引起的時(shí)空扭曲效應(yīng)，以及黑洞物質(zhì)猛烈噴發(fā)的情景。,愛因斯坦的相對(duì)論不僅是物理學(xué)的一次革命，也是哲學(xué)的一次革命，它變革了物質(zhì)觀、能量觀和時(shí)空觀。而且促進(jìn)了一系列技術(shù)革命：如原子能的利用，激光的應(yīng)用。此外還推動(dòng)了宇宙學(xué)的發(fā)展?？梢哉f愛因斯坦是20 世紀(jì) 最偉大的物理學(xué)家、科學(xué)家和思想家。,愛因斯坦的其他貢獻(xiàn),1、運(yùn)用分子運(yùn)動(dòng)論成功的解釋了布朗運(yùn)動(dòng)2、愛因斯坦提出受激輻射概念 3、建構(gòu)統(tǒng)一場(chǎng)論的努力4、對(duì)量子力學(xué)完備性的

24、質(zhì)疑，促進(jìn)了量子力學(xué)的發(fā)展,他為原子彈懊悔終身 愛因斯坦對(duì)物理學(xué)的貢獻(xiàn)無庸置疑，但他對(duì)人類歷史最大的影響或許更在于他曾經(jīng)推動(dòng)了一項(xiàng)自己不曾參與、卻為其后果抱憾終身的計(jì)劃。他的和平主義思想并未能阻止他研究原子彈的強(qiáng)烈愿望。但原子彈在日本投下后，他又痛心地說，這是他一生中最大的錯(cuò)誤和遺憾。1939年8月2日，愛因斯坦給當(dāng)時(shí)的美國(guó)總統(tǒng)羅斯福寫信警告說，原子彈這種武器的確有可能制造出來，而且德國(guó)也許也正在研制。正是在這封信的幫助下，美國(guó)啟

25、動(dòng)了制造原子彈的“曼哈頓工程”。,原子彈蘑菇云,原子彈蘑菇云,三、量子論的建立和發(fā)展,1900年，普朗克為了克服描述黑體輻射的瑞利金斯公式的困難，拋棄了能量是連續(xù)的經(jīng)典物理觀念，導(dǎo)出了與實(shí)驗(yàn)完全符合的黑體輻射經(jīng)驗(yàn)公式。,（一）普朗克的量子假說,B(λ，T)=2hc2 /λ5 ·1/exp(hc/λRT)-1 B(λ，T)—黑體的光譜輻射亮度(W，m-2 ，Sr-1 ，μm-1 ) λ—輻射波長(zhǎng)(μm) T—黑體絕對(duì)

26、溫度(K、T=t+273k) C—光速(2.998×108 m·s-1 ) h—普朗克常數(shù)， 6.626×10-34 J·S K—波爾茲曼常數(shù)(Bolfzmann)， 1.380×10-23 J·K-1 基本物理常數(shù),在理論上導(dǎo)出這個(gè)公式，必須假設(shè)物質(zhì)輻射的能量是不連續(xù)的，只能是某一個(gè)最小能量的整數(shù)倍。普朗克把這一最小能量單位稱為“能量子”。普朗克的假設(shè)解決了黑體輻

27、射的理論困難。普朗克還進(jìn)一步提出了能量子與頻率成正比的觀點(diǎn)，并引入了普朗克常數(shù)h。量子理論現(xiàn)已成為現(xiàn)代理論和實(shí)驗(yàn)的不可缺少的基本理論。普朗克由于創(chuàng)立了量子理論而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,（二）原子的結(jié)構(gòu),玻爾的原子結(jié)構(gòu)理論玻爾，N．(Niels Henrik David Bohr，1885.10.07～1962.11.18) 丹麥物理學(xué)家，哥本哈根學(xué)派的創(chuàng)始人。1916年任哥本哈根大學(xué)物理學(xué)教授，1917年當(dāng)選為丹麥皇家科學(xué)

28、院院士。 1920年創(chuàng)建哥本哈根理論物理研究所，任所長(zhǎng)。1922年玻爾榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,1937年5、6月間，玻爾曾經(jīng)到過我國(guó)訪問和講學(xué)。1939年任丹麥皇家科學(xué)院院長(zhǎng)。第二次世界大戰(zhàn)開始，丹麥被德國(guó)法西斯占領(lǐng)。1943年玻爾為躲避納粹的迫害，逃往瑞典。1944年玻爾在美國(guó)參加了和原子彈有關(guān)的理論研究。1947年丹麥政府為了表彰玻爾的功績(jī)，封他為“勛爵”。1952年玻爾倡議建立歐洲原子核研究中心(CERN)，并且擔(dān)任主席。,玻

29、爾的原子結(jié)構(gòu)理論之前的原子模型,J.J.湯姆遜的原子模型，他從實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了電子的存在，并提出了原子模型，他把原子看成是一個(gè)帶正電的球，電子則在球內(nèi)運(yùn)動(dòng) ，人們把它稱作西瓜式模型。盧瑟福的有核原子模型 歐內(nèi)斯特·盧瑟福(E.Rutherford, 1871—1937)英國(guó)物理學(xué)家， 1908年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。,盧瑟福有核原子模型,盧瑟福原子模型的局限性,雖然盧瑟福提出的有核模型有充分的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。 但由經(jīng)典電

30、磁理論，繞核運(yùn)動(dòng)的電子既然在作變速運(yùn)動(dòng)，必將不斷地以電磁波的形式輻射能量，輻射頻率等于電子繞核轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率。于是，整個(gè)原子系統(tǒng)的能量就會(huì)不斷減少，頻率也將逐漸改變，所發(fā)光譜應(yīng)是連續(xù)的。這與原子線狀光譜的實(shí)驗(yàn)事實(shí)不符。同時(shí)，由于電子不斷輻射能量， 最終會(huì)落在核上。 因此，盧瑟福的 有核模型是不穩(wěn)定的系統(tǒng)，遇到了 不可克服的困難。,玻爾模型,玻爾的原子理論給出這樣的原子圖像： 1 電子在一些特定的可能軌道上繞核

31、作圓周運(yùn)動(dòng)，離核愈遠(yuǎn)能量愈高； 2 可能的軌道由電子的角動(dòng)量必須是 h/2π的整數(shù)倍決定； 3 當(dāng)電子在這些可能的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)原子不發(fā)射也不吸收能量，只有當(dāng)電子從一個(gè)軌道躍遷到另一個(gè)軌道時(shí)原子才發(fā)射或吸收能量，而且發(fā)射或吸收的輻射是單頻的，輻射的頻率和能量之間關(guān)系由 E＝hν給出。玻爾的理論成功地說明了原子的穩(wěn)定性和氫原子光譜線規(guī)律。,玻爾的理論大大擴(kuò)展了量子論的影響，加速了量子論的發(fā)展。1915年，德國(guó)物理學(xué)家索末菲（Ar

32、nold Sommerfeld，1868-1951）把玻爾的原子理論進(jìn)行推廣，并考慮了電子的質(zhì)量隨其速度而變化的狹義相對(duì)論效應(yīng)，導(dǎo)出光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)同實(shí)驗(yàn)相符。 　　1916年，愛因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）從玻爾的原子理論出發(fā)用統(tǒng)計(jì)的方法分析了物質(zhì)的吸收和發(fā)射輻射的過程，導(dǎo)出了普朗克輻射定律。愛因斯坦的這一工作綜合了量子論第一階段的成就，把普朗克、愛因斯坦、玻爾三人的工作結(jié)合成一個(gè)整體。,哥本哈根學(xué)派

33、——玻爾研究所產(chǎn)生了多位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者所徽玻爾的互補(bǔ)哲學(xué),,哥本哈根卻四季分明，濕潤(rùn)朗澤，怡人的氣候和溫暖的海濱，塑造了安徒生“海的女兒”和美麗的童話……1922年11月，哥本哈根顯得格外喧鬧，人們喜氣洋洋，議論紛紛。原來，從斯德哥爾摩傳來特大新聞：哥本哈根大學(xué)教授尼爾斯·玻爾榮獲該年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。獲獎(jiǎng)那一年，玻爾教授只有37歲。玻爾早年求學(xué)于英國(guó)劍橋大學(xué)，是著名的物理學(xué)家盧瑟福的高足。在學(xué)期間，他掌握了卡文迪

34、許實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)良傳統(tǒng)的真諦，先后發(fā)表了史稱“物理學(xué)偉大的三部曲”的論文，奠定了原子結(jié)構(gòu)量子力學(xué)模型的理論基礎(chǔ)。,回國(guó)后，玻爾致力于原子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)研究，取得了舉世公認(rèn)的先進(jìn)水平。20世紀(jì)20年代，玻爾的學(xué)識(shí)、造詣和人格魅力，成了年輕一代物理學(xué)家心儀的導(dǎo)師；哥本哈根成為青年物理學(xué)家向往的圣地。于是，整個(gè)歐洲物理學(xué)界的年經(jīng)人涌向了哥本哈根。在哥本哈根大學(xué)理論物理研究所聚集了一大批青年精英，在玻爾教授的教導(dǎo)和激勵(lì)下，十幾個(gè)世界一流的物理學(xué)家在

35、20—30歲左右就脫穎而出了。　　玻恩、海森堡、約爾丹、泡利、羅森菲耳德以及前蘇聯(lián)的?？撕屠实赖热耍@些諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者都出自玻爾的門下。還有一大批物理學(xué)家也是吸吮著哥本哈根學(xué)派的乳汁而成長(zhǎng)的，如狄拉克、德布羅依、德拜、考斯特等人。　　同玻爾同輩的其他物理學(xué)家也得益于哥本哈根學(xué)派。玻爾——愛因斯坦論戰(zhàn)，是20世紀(jì)物理學(xué)史恒提恒新的話題，它使愛因斯坦這位物理學(xué)巨人更加豐滿高大。,20世紀(jì)物理學(xué)出現(xiàn)了兩大驚人的巨大成就，一個(gè)是相對(duì)論

36、，另一個(gè)是量子力學(xué)。迄今物理學(xué)界發(fā)展最快的當(dāng)屬相對(duì)論與量子力學(xué)的結(jié)合領(lǐng)域——基本粒子物理學(xué)?！　×孔恿W(xué)的創(chuàng)生與興起是與哥本哈根學(xué)派分不開的，是與玻爾的名字分不開的；基本粒子物理學(xué)則是在哥本哈根學(xué)派理論支援下展開的?！　]有哥本哈根學(xué)派的刻苦努力和不懈探索，20世紀(jì)物理學(xué)的繁榮興旺是不可想象的?！　「绫竟鶎W(xué)派已經(jīng)突破了丹麥這一地域概念，它的成員來自英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、美國(guó)和前蘇聯(lián)等，具有廣泛的國(guó)際性。,哥本哈根學(xué)派——玻爾研

37、究所的故事,光電效應(yīng)與光的波粒二象性,,光電效應(yīng)示意圖,（三）德布羅意波,1924年法國(guó)青年物理學(xué)家德布羅意在光的波粒二象性的啟發(fā)下想到：既然光具有波粒二象性，那么實(shí)物粒子是否也應(yīng)該具有波粒二象性呢？ 他在他的博士論文中假設(shè)：實(shí)物粒子也具有波動(dòng)性。于是他由質(zhì)能方程以及量子方程出發(fā)，推得了德布羅意波的有關(guān)公式。,一. 德布羅意假設(shè),光具有二象性: 波動(dòng)性(?,?),

38、 粒子性(E, p),兩者的關(guān)系為:,實(shí)物粒子呢?,德布羅意假設(shè)(1924年):,(1) 一個(gè)質(zhì)量為m的實(shí)物粒子具有波動(dòng)性.其波稱為物質(zhì)波.物質(zhì)波的波長(zhǎng)和頻率與粒子的能量和動(dòng)量滿足如下關(guān)系:,(2),德布羅意波函數(shù)為:,對(duì)自由運(yùn)動(dòng)粒子:,1927年戴維孫和革末用加速后的電子投射到晶體上進(jìn)行電子衍射實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了電子的波動(dòng)性。 同年 湯姆遜做了電子衍射實(shí)驗(yàn)。將電子束穿過金屬片(多晶膜)，在感光片上產(chǎn)生圓環(huán)衍

39、射圖和X光通過多晶膜產(chǎn)生的衍射圖樣極其相似．這也證實(shí)了電子的波動(dòng)性。　　 實(shí)物粒子波可解釋為概率波。即個(gè)別粒子在何處出現(xiàn)，有一定的偶然性；但是大量粒子在空間何處出現(xiàn)的空間分布卻服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。物質(zhì)波的這種統(tǒng)計(jì)性解釋把粒子的波動(dòng)性和粒子性正確地聯(lián)系起來了，成為量子力學(xué)的基本觀點(diǎn)之一。,（四）量子力學(xué)的建立 1.普朗克提出量子論 2.玻爾半經(jīng)典半量子原子模型 3.德布羅

40、意波概念的提出 4.薛定諤方程的建立——標(biāo)志著量子力學(xué)的初步建立 5.海森堡運(yùn)用另一種數(shù)學(xué)工具得到等效的量子力學(xué)基本公式 4和5都可以解釋原子結(jié)構(gòu)以及分離能級(jí)問題。然而量子力學(xué)的完善經(jīng)歷了很長(zhǎng)的時(shí)間并且有一些耐人尋味的故事。,索爾維會(huì)議,1911年,一位比利時(shí)的實(shí)業(yè)家歐內(nèi)斯特·索爾維創(chuàng)立了索爾維會(huì)議。第一屆索爾維會(huì)議在布魯塞爾召開，每3年舉行一屆。　　1927年，

41、第五屆索爾維會(huì)議在比利時(shí)布魯塞爾召開了，因?yàn)榘l(fā)軔于這次會(huì)議的愛因斯坦與玻爾兩人的大辯論，這次索爾維峰會(huì)被冠之以“最著名”的稱號(hào)。一張匯聚了物理學(xué)界智慧之腦的“明星照”則成了這次會(huì)議的見證。,四、原子核物理學(xué),和基本粒子物理學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展,1896年，貝可勒爾發(fā)現(xiàn)天然放射性,（一）原子核物理學(xué)的進(jìn)展,1911年，盧瑟福等人利用α射線轟擊各種原子，觀測(cè)α射線所發(fā)生的偏折，從而確立了原子的核結(jié)構(gòu),1919年，盧瑟福等又發(fā)現(xiàn)用α粒子轟擊氮核會(huì)放

42、出質(zhì)子，這是首次用人工實(shí)現(xiàn)的核蛻變(核反應(yīng))。,1932年中子的發(fā)現(xiàn) 1934年人工放射性核素的合成,1939年，哈恩和斯特拉斯曼發(fā)現(xiàn)了核裂變現(xiàn)象 1942年，費(fèi)密建立了第一個(gè)鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)堆,國(guó)際核物理的春天 四大前沿領(lǐng)域，1, Nuclei at extreme 2, To the quark structure of matter 3, The phase of nuc

43、lear matter 4, Fundamental symmetries and nuclear astrophysics 新加速器，TJNAF 美國(guó)高能強(qiáng)流連續(xù)電子加速器 RHIC 美國(guó)相對(duì)論重離子加速器 LHC CERN重離子加速器,每核子上千GeV能量 JHF 日本,

44、質(zhì)子 50GeV 放射性核束加速器: RIB - 美國(guó)橡樹嶺, A1200 - 美國(guó)MSU LISE - 法國(guó)GANIL, FRS- 德國(guó)GSI ISR, RIBLL – 中國(guó)蘭州,,,

45、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Periodic Table of the Elements 2006:Guide to Fundamental Chemical Properties,1,,,,,1,H,3,Li,4,2,B

46、e,11,12,Na,Mg,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,K,Ca,Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Ga,Ge,As,Se,Br,Kr,He,5,B,6,C,7,N,8,O,9,F,10,Ne,13,Al,14,Si,15,P,16,S,17,Cl,18,Ar,Rb,38,Sr,39,Y,40,Zr,41,Nb,42,Mo,43

47、,Tc,44,Ru,45,Rh,46,Pd,47,Ag,48,Cd,49,In,50,Sn,51,Sb,52,Te,53,I,54,Xe,55,Cs,56,Ba,57,La,58,72,Hf,73,74,W,Re,,Os,77,Ir,78,Pt,79,Au,80,Hg,81,Tl,82,Pb,83,Bi,84,Po,85,At,86,Rn,87,Fr,88,Ra,89,Ac,104,Rf,105,,,107,108,,109,Bh,Hs

48、,Mt,Ce,59,Pr,60,Nd,61,Pm,62,Sm,63,Eu,64,Gd,65,Tb,66,Dy,67,Ho,68,Er,69,Tm,70,Yb,71,Lu,90,Th,91,Pa,92,U,93,Np,,Pu,95,Am,96,Cm,97,Bk,98,Cf,99,Es,100,Fm,101,Md,102,No,103,Lr,Lanthanides,Actinides,106,Ta,94,76,,94,Pu,Sg,75,2,

49、3,4,6,5,7,8,9,10,12,13,14,15,16,17,18,11,,,,,,,,,,113,115,,,118,111,110,112,114,116,Db,(Ha),,Db,重元素與超重元素的發(fā)現(xiàn)歷史,1896年起，到1996年100年間，到112號(hào)元素合成，共30多個(gè)元素被合成102-105 號(hào)元素，前蘇聯(lián) 60年代-70年代106 號(hào)元素， 美國(guó)和前蘇聯(lián)，80年代107 54Cr + 209

50、Bi → 263Bn , 1981 , GSI108 , 58Fe + 208Pb → 266Hs ,1984 , GSI109, 58Fe + 209Bi → 267Mt ,1982 , GSI110, 62Ni + 208Pb → 269110 + 1n, 1995 , GSI and Berkeley111, 64Ni + 209Bi → 272111 + 1n ,1995 ,

51、GSI (Rg)112, 70Zn + 208Pb → 277112 + 1n ,1996 , GSI113 70Zn + 209Bi → 278113 + n. 2004，RIKEN 中國(guó)人參與，徐瑚珊(蘭州), 趙宇亮(高能)114, 48Ca + 242Pu → 287114 + 3n ,1998 , Dubna 48Ca + 244Pu

52、→ 289114 + 3n ,1999 , Dubna with GSI and RIKEN115, 48Ca + 243Am → 288115 +3n , 2004, Dubna 116, 48Ca + 248Cm → 292116 + 4n ,2000 , Dubna118, Dubna and Berkeley, 2006, PRC74(2006)

53、044602,未連接上.,20世紀(jì)70年代，由于粒子物理逐漸成為一門獨(dú)立的學(xué)科，核物理已不再是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最前沿。核能利用方面也不像過去那樣迫切，核物理進(jìn)入了一個(gè)縱深發(fā)展和廣泛應(yīng)用的新的更成熟的階段。,（二）基本粒子物理學(xué)的進(jìn)展,第一階段（1897～1937） 可追溯到1897年發(fā)現(xiàn)第一個(gè)基本粒子電子 。1932 年 J.查德威克在用a粒子轟擊核的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了中子，隨即人們認(rèn)識(shí)到原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的，從而形成所有物質(zhì)都是由

54、基本的結(jié)構(gòu)單元——質(zhì)子 、中子、電子構(gòu)成的統(tǒng)一的世界圖像。,第二階段（1937～1964） 先后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了眾多的粒子。1937年從宇宙線中發(fā)現(xiàn)μ子，后來證實(shí)它不參與強(qiáng)作用，它和與之相伴的μ中微子同電子及與之相伴的電子中微子可歸入一類 ，統(tǒng)稱為輕子 。1947年發(fā)現(xiàn)π±介子 ， 1950年發(fā)現(xiàn)π0介子 ， 1947 年還發(fā)現(xiàn)奇異粒子。50年代粒子加速器和各種粒子探測(cè)器有了很大發(fā)展，從而開始了用加速器研究并大量發(fā)現(xiàn)基本粒子的新時(shí)期

55、，各種粒子的反粒子被證實(shí)；發(fā)現(xiàn)了為數(shù)不少的壽命極短的共振態(tài)?；玖Ｗ拥拇罅堪l(fā)現(xiàn)，其中大部分是強(qiáng)子，人們懷疑這些基本粒子的基本性。人們嘗試將強(qiáng)子進(jìn)行分類，提出頗為成功的強(qiáng)子分類的“八重法”,第三階段（1964～ ） 以提出強(qiáng)子 結(jié)構(gòu)的夸克模型為標(biāo)志?？淇四Ｐ涂梢哉f明當(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)的各種強(qiáng)子。夸克模型得到后來進(jìn)行的高能電子、高能中微子對(duì)質(zhì)子和中子的深度非彈性散射實(shí)驗(yàn)的支持，實(shí)驗(yàn)顯示出質(zhì)子和中子內(nèi)部存在點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)，這些點(diǎn)狀結(jié)構(gòu)可以認(rèn)為是夸克存在的證