第五章 打开微观世界的三大发现

•争论的终结者：英国剑桥 争论的终结者： 争论的终结者 大学卡文迪什实验室教授J 大学卡文迪什实验室教授 ．J．汤姆生 ．汤姆生(Joseph John Thomson，l856—1940)。 ， 。 1）直接测阴极射线携带的 ） 电荷。 电荷。 2） ） 3） ） 的荷 荷 阴极射线 电 。
J.J. J.J. J.J. J.J. 汤 姆 逊 像
金属靶
克鲁斯克管
⋯
•德国物理 学家的以太说 德国物理 1858年普吕克尔 年普吕克尔(Julius Pliicker，1801—1868)在观察 年普吕克尔 ， 在观察 放电管中的放电现象时发现管壁发出绿色的荧光。 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 年 哥尔茨坦 ， 认 为这是从阴极发出的某种射线，并命名为阴极射线。 为这是从阴极发出的某种射线，并命名为阴极射线。 他根据这一射线会引起化学作用的性质， 他根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 以太波。 似于紫外线的以太波。 年曾发现电磁波的赫兹， 在1887年曾发现电磁波的赫兹，把阴极射线看成是电 年曾发现电磁波的赫兹 磁辐射，支持以太说。这样就形成了以太说。 磁辐射，支持以太说。这样就形成了以太说。
第五章 打开微观世界的三大发现
1.经典物理学的危机 经典物理学的危机 经典物理学经过三百多年的发展， 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， 世纪末已经有了完整的体系，在应用的推广 上也硕果累累。 上也硕果累累。 著名物理学家开尔文就说: 19世纪已 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， 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。 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。 自封的思想。
•贝克勒尔惊人的意外发现 贝克勒尔惊人的意外发现 生长在法国巴黎， 生长在法国巴黎， 家庭中有许多学者。 家庭中有许多学者。祖 父和父亲都是固体磷光 家， 家， 有 ， 光学 ， 始 。
•意义 意义 贝克勒尔射线的发现， 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， 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。 引起了人们对原子核问题的关注。
•英国物理学家的粒子说 英国物理学家的粒子说 1871年，瓦尔利(C．F．Varley，1828—1883)从阴极 年 瓦尔利 ． ． ， 从阴极 射线在磁场中受到偏转的事实， 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。 负电的物质微粒组成的设想。 克鲁克斯(William Crookes，1832—1919)和舒斯特赞 克鲁克斯 ， 和舒斯特赞 同这一设想。 同这一设想。 于是在19世纪的后 年 形成了两种对立的观点： 于是在 世纪的后30年，形成了两种对立的观点： 世纪的后 德国学派主张以太说，英国学派主张带电微粒说。 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。 双方争持不下，谁也说服不了谁。
天
然
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射பைடு நூலகம்
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发
现
卢 瑟
5 α
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γ射线的发现 射线的发现
福 像
由于镭的引人瞩目的 放射性， 放射性，卢瑟福等科学家 对镭的放射性进行了研究。 对镭的放射性进行了研究。
伦琴夫人手指骨的X射线照片 伦琴夫人手指骨的 射线照片
X 射线
金属靶 冷却液
克鲁斯克管
⋯
X射线装置 射线装置
•对本质的探求 对本质的探求 伦琴不满足于发现“ 光 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 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， 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、 月被印行了五次 ， 第五版同时用英 、 法 、 意 、 俄等文印出。 俄等文印出。 1896年 月送出第二篇——《论一种新的 1896年3月送出第二篇 《 射线（ ）》。 射线（续）》。 1897年 月又送出第三篇——《关于X射线 1897年3月又送出第三篇 《关于X 性质的进一步观察》 性质的进一步观察》。
•意义 意义 • 宣告了原子是可分的。 宣告了原子是可分的。 • 为进行电子和原子的研究开创了新的实验 技术。 技术。 • 电子问世开辟了电子技术的新时代。 电子问世开辟了电子技术的新时代。
J·J·汤姆逊于 汤姆逊于1906年获诺贝尔奖。 年获诺贝尔奖。 汤姆逊于 年获诺贝尔奖
贝
4.
克 勒 尔 像
居 里 夫 妇 在 工 作
我追求的是一种创造之乐，这才是永远的幸福。 我追求的是一种创造之乐，这才是永远的幸福。 ——居里夫人 居里夫人
•科学属于全人类 科学属于全人类
镭可以治狼疮和癌肿， 克镭就值75万金法郎! 75万金法郎 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， 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。 夫妇谢绝了。 他们认为: 我们发现了科学， 又把它据为己有， 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， 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， 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 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， 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。 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。 亮节，赢得了人们的敬重。
测阴极射线 。 e m 1011
以《论阴极射线》为题发表论文，其中写道(J．J 论阴极射线》为题发表论文，其中写道 ． 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 阴极射线的载荷子比起电解的氢离子， ／ 值小 阴极射线的载荷子比起电解的氢离子 得多。 ／ 小的原因可能是 小的原因可能是m小 也可能是e大 得多。m／e小的原因可能是 小，也可能是 大， 或两者兼而有之。我想， 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。 通分子小。这可从勒纳德的结果看出。” 1899年，J．J汤姆生采用斯坦尼 年 汤姆生采用斯坦尼 ． 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 的 电子”一词来表示他的“ 子”。“电子”原是斯坦尼在1891年用于表示电的 电子”原是斯坦尼在 年用于表示电的 年用于表示 自然单位的。 自然单位的。
伦琴断定这是一 种新射线， 种新射线 ， 一种从未 曾记载过的东西。 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， 淡骨浓的手掌照片 ， 有人用它鉴别古画， 有人用它鉴别古画 ， 一时引起轰动， 一时引起轰动 ， 伦琴 将这具有非凡魅力的 射线命名为“ 射线 射线。 射线命名为 “ X”射线 。
•严谨的科学态度所结出的丰硕之果 严谨的科学态度所结出的丰硕之果
1880年，哥 年 尔斯坦（ 尔斯坦（德） 1895年，斯密 年 施（英）
1887年，克鲁克斯 年
1890年，古 年 兹比得（ 兹比得（美）
都曾观察到过X射线的现象，但未深究， 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， 错过了机会 。而伦琴善于观察 ， 精心分析， 因此他发现了“ 光 因此他发现了“X”光。
物
理
革
命
的
新
曙
光
•伦琴射线发现的意义 伦琴射线发现的意义
由于X 射线与原子中内层电子的跃迁有关， 这 由于 X 射线与原子中内层电子的跃迁有关 ， 说明了物理学还存在亟待搜索的未知领域。 说明了物理学还存在亟待搜索的未知领域。 项诺贝尔的课题与X射线有关 有15项诺贝尔的课题与 射线有关，涉及 项诺贝尔的课题与 射线有关，涉及20 多位科学家 •劳厄：X射线衍射，1914年获奖 劳厄： 射线衍射 射线衍射， 劳厄 年获奖 •布拉格父子：X射线分析晶体结构，于1915年获奖 布拉格父子： 射线分析晶体结构 射线分析晶体结构， 布拉格父子 年获奖 •康普顿散射，1927年获奖 康普顿散射， 康普顿散射 年获奖 • 生物学家沃森和物理学家克里克，用X射线 生物学家沃森和物理学家克里克， 射线 方法获得DNA分子结构的实验数据，发现 分子结构的实验数据， 方法获得 分子结构的实验数据 DNA螺旋结构，1962年获奖 螺旋结构， 螺旋结构 年获奖
1901年 伦琴获首届诺贝尔物理奖， 1901 年 ， 伦琴获首届诺贝尔物理奖 ， 他 是当之无愧的。 是当之无愧的。
诺贝尔物理奖章
图
3 电子的发现
•对阴极射线的众说纷纭 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， 射线是一个热门话题 ， 有人认为这是一种以 太波， 太波 ， 有人认为是一 种电磁波， 种电磁波 ， 而第一个 冷却液 确认它是粒子流， 确认它是粒子流 ， 并 由此发现基本粒子— 由此发现基本粒子 —电子的是J·J·汤姆逊。 电子的是J 汤姆逊。 电子的是 J 汤姆逊
物
理
革
命
的
新
曙
光
然而，正是在这个时候， 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， 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! 向物理学家的自满情绪提出挑战!
“江山代有才人出， 江山代有才人出， 各领风骚数百年。 各领风骚数百年。”