大学文科物理第五章打开微观世界的三大发现

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1899年，J．J汤姆生采用斯坦 尼(G.T．Stoney，1826— 1911)的“电子”一词来表示 他的“载荷子”。“电子”原 是斯坦尼在1891年用于表示电 的自然单位的。
01 宣告了原子是可分的。
02 为进行电子和原子的研究 开创了新的实验技术。
03 意义
04 电子问世开辟了电子技 术的新时代。 J·J·汤姆逊于1906年获 诺贝尔奖。
第五章 打开微观世界的三大发现
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经典物理学经过三百多年的发展，到19世纪末已经 有了完整的体系，在应用的推广上也硕果累累。
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著名物理学家开尔文就说:“19世纪已经将物理大厦 全部建成，今后物理学家只是修饰和完美这所大 厦。”
开尔文的话代表了不少物理学家的固步自封的思想。
3 电子的发现
•对阴极射线的众说纷纭
19世纪末，阴极 射线是一个热门话题， 有人认为这是一种以太 波，有人认为是一种电 磁波，而第一个确认它 是粒子流，并由此发现 冷却液 基本粒子——电子的是 J·J·汤姆逊。
金属靶
克鲁斯克管
01 德国物理 学家的以太说
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1858年普吕克尔(Julius Pliicker，1801—1868)在观察放电管中的放电现象时发现管壁发出绿色的荧光。 1876年，哥尔茨坦(Etigen Goldstein，1850—1930)认为这是从阴极发出的某种射线，并命名为阴极射线。他根
1895年11月8日晚,伦琴用黑 的厚纸板把阴极射线管子包起 来，意外地发现1米以外的荧 光屏在闪光，而这绝不是阴极 射线，因阴极射线穿不透玻璃， 只能行进几厘米远。
早期的X射线装置图
伦琴断定这是一种新射线，一种从未曾 记载过的东西。伦琴用它拍出了一张肉 淡骨浓的手掌照片，有人用它鉴别古画， 一时引起轰动，伦琴将这具有非凡魅力 的射线命名为“X”射线。
克鲁克斯(William Crookes， 1832—1919)和舒斯特赞同这 一设想。
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于是在19世纪的后30年， 形成了两种对立的观点：德 国学派主张以太说，英国学 派主张带电微粒说。双方争 持不下，谁也说服不了谁。
J.J.
•争论的终结者：英国剑桥大学卡
文迪什实验室教授J．J．汤姆生
汤
(Joseph John Thomson，
1897年3月又送出第三篇——《关于X射线性质的进一步观 察》。
一． 线在空气中的射程有2米多而且是直线传播的，不反 射也不会折射；
二． 磁场不会使X射线发生偏转； 三． 线来自克鲁克斯管的对阴极，即接受阴极射线轰击的
那个电极； 四． 线具有非常强的穿透性.
X射线的性质
物理革命的新曙光
•伦琴射线发现的意义
•居里夫人的突破
居
里
夫
波兰中学毕业获金质奖
人 像
章，由于波兰当时女子不能上大
学，做了8年家庭教师，筹了费
用，于1891年到巴黎大学学习。
1893年获物理硕士学位。1894
年与法国物理学家皮埃尔·居里
相恋。1903年获诺贝尔物理奖，
1911年获诺贝尔化学奖。
铀矿渣非常贵，奥地利送了一吨，在低矮的棚屋 里，居里夫妇工作了四年，在1902年，终于从8 吨矿渣中提炼出0.1克的镭盐，从中找到了两根 特征光谱线，并宣布镭的原子量为225!
•严谨的科学态度所结出的丰硕之果
1880年，哥 尔斯坦（德）
1887年，克鲁克斯
1895年，斯密 施（英）
1890年，古 兹比得（美）
都曾观察到过X射线的现象，但未深究， 错过了机会。而伦琴善于观察，精心分析，因此 他发现了“X”光。
1901年，伦琴获首届 诺贝尔物理奖，他是 当之无愧的。
诺贝尔物理奖章图
由于X射线与原子中内层电子的跃迁有关，这说明 了物理学还存在亟待搜索的未知领域。
有15项诺贝尔的课题与X射线有关，涉及20多位科 学家
•劳厄：X射线衍射，1914年获奖
•布拉格父子：X射线分析晶体结构，于1915年获奖 •康普顿散射，1927年获奖
• 生物学家沃森和物理学家克里克，用X射线方法获 得DNA分子结构的实验数据，发现DNA螺旋结 构，1962年获奖
据这一射线会引起化学作用的性质，判断它是类似于紫外线的以太波。 在1887年曾发现电磁波的赫兹，把阴极射线看成是电磁辐射，支持以太说。这样就形成了以太说。Biblioteka 01英国物理学家的粒子说
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1871年，瓦尔利 (C．F．Varley，1828—1883) 从阴极射线在磁场中受到偏转 的事实，提出这一射线是由带 负电的物质微粒组成的设想。
原子核物理学起源于放射性的研究!
1896-1932年，是核物理学的前期，1933年中子发现，核 物理学诞生，核能的开发利用，大大促进了核物理和高能 物理的发展。
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从1895-1897年，出现的 三大发现，揭开了物理学革 命的序幕，给予物理学界的 刺激是兴奋的，它标志着物 理学的研究由宏观进入到微 观。尽管充满着疑惑和争论， 但也预示着希望。
居里夫妇在工作
1898年12月，又宣布发现了镭 (radium) !
1898年7月，居里夫人宣布发现了“钋”。
我追求的是一种创造之 乐，这才是永远的幸福。
——居里夫人
科学属于全人类
镭可以治狼疮和癌肿，0.1克镭就 值75万金法郎!一个美国公司想 收买专利，都被生活并不富裕的 居里夫妇谢绝了。
他们认为:我们发现了科学，又把 它据为己有，这违反科学精神， 再说镭能治病，我们就更应该无 条件地献出它的秘密!然而，居里 夫人由于长期接触放射性物质， 患了恶性贫血症，她的丈夫和战 友居里1906年死于车祸，居里夫 人在精神打击和身体折磨的双重 压力下，仍然初衷不改，献身于 科学事业。她的高风亮节，赢得 了人们的敬重。
伦琴夫人手指骨的X射线照片
X 射线
冷却液
金属靶
克鲁斯克管
X射线装置
对本质的探求
伦琴不满足于发现“X”光，还想进一步了解其本质。 1895年12月28日，向物理医学学会提出《论一种新的射 线》报告，在三个月被印行了五次，第五版同时用英、法、 意、俄等文印出。
1896年3月送出第二篇——《论一种新的射线（续）》。
4.天然放射性的发现
贝
克
勒
•贝克勒尔惊人的意外发现
尔 像
生长在法国巴黎， 家庭中有许多学者。祖父 和父亲都是固体磷光专家， 从事研究工作有60年的 历史，贝克勒尔早期从事 光学研究，43岁开始研 究放射现象。
意义
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贝克勒尔获1903年诺贝尔奖。
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贝克勒尔射线的发现，是人类第一次发现某些元 素自身也具有自发辐射现象，引起了人们对原子 核问题的关注。
5 α、β、γ射线的发现
天然放射性的发 现 由于镭的引人瞩目的放射 性，卢瑟福等科学家对镭 的放射性进行了研究。
卢瑟福像
卢瑟福(18711937)发现了
α射线(即氦核 的离子流）
β射线(即高速 的负电离子流 ）
法国人维拉德：
γ射线，它是一 种波长极短的 电磁波，比X 射线的波长还 要短。
原子核物理学的兴起
姆 逊
l856—1940)。
像
1）直接测阴极射线携带的电 荷。
2）使阴极射线受静电偏转。
3）用不同方法测阴极射线的 荷质比。
荷质比都是e／m～1011库仑／千克
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以《论阴极射线》为题发表论 文，其中写道(J．J Thomson， Phil．Mag．(5)44，1897， p.293．)
“阴极射线的载荷子比起电解 的氢离子，m／e值小得多。m ／e小的原因可能是m小，也 可能是e大，或两者兼而有之 。我想，阴极射线的载荷子要 比普通分子小。这可从勒纳德 的结果看出。”
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列宁曾谈到：现代物理学是 在临产中，它正在产生辩证 唯物主义。
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经典物理学的危机
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“江山代有才人出， 各领风骚数百年。”
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物理革命的新曙 光
然而，正是在这个时候， 物理实验有了重大发现，打 破了沉闷的空气，向物理学 家的自满情绪提出挑战!
2.神秘之光——X射线
伦琴像
妙手偶得
19世纪末，阴极射线的研究正方兴未 艾，德国的维尔芝堡大学，治学严谨 的伦琴（1845-1923）教授，也致力 于这个问题的研究。