现代物理学革命

• 1900年普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难， 引入了能量子概念，为量子理论奠下了基石。
• “紫外灾难”：科学家们致力于建立辐射强度与光波长之间
的函数关系。瑞利—金斯的公式在长波区和实验结果符合， 而当波长接近紫外时，计算出的能量为无限大! • 普朗克认为物体在发射辐射和吸收辐射时，能量是不连续的， 这种分离变化不是随意的，它有最小的能量单元，该单元称
现代物理学革命
8
阴天的实验
贝克勒尔只好把包好的底片放进抽屉，上面还是
压着那块荧光物质的晶体。
结果：底片上有很多的阴影。显然，这阴影与太
阳无关、与荧光无关，而与晶体本身有关。
贝克勒尔用的晶体是一种铀的化合物——硫酸双
氧铀钾，这样他便发现了铀能自发辐射出能量。
居里夫人在1898年把这种现象命名为放射性。
现代物理学革命
4
一、X射线的发现
1895年11月10日，德国物理学家伦琴（Rontgen， 1854-1923）在做阴极射线实验时，偶然发现了一种 新的辐射，它能轻易穿透一些如纸张之类不透明的 物质。伦琴把它叫做X射线。
现代物理学革命
5
偶然性？
X射线的发现过程在物理学史上是一个必然性通
过偶然性开辟道路的典型例证。 在伦琴之前，英国克鲁克斯等人曾遇见过它，但 均因疏忽而与重大发现擦肩而过。
现代物理学革命 3
关于阴极射线本性的争论
1.X射线的发现起源于对阴极射线的研究，1856年德国盖斯勒
放电管的发明为研究真空放电现象提供了实验手段；1859
年德国普吕克发现了放电管阴极发出的绿色辉光，1876年 德国戈尔茨坦指出绿色辉光是由阴极的某种射线引起的， 命名为“阴极射线”。 2.围绕阴极射线的本性究竟是光波还是粒子，德国和英国科 学家展开了争论，最终导致了物理学的三大实验发现。
现代物理学革命
32
第三节
相对论与时空观
Albert Einstein in 1916
现代物理学革命
33
一、狭义相对论
1、伽利略相对性原理
• 1632年伽利略《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对 话》。
• 对于力学规律来说一切惯性系都是等价的。
• 不可能在惯性系内部进行任何力学实验来确定该系统作匀
光谱，激光，超导，晶体管，介观纳米物理，原子激光 ......
现代物理学革命 30
四、量子理论的科学思想
•
量子论是现代物理学的两大基石之一。 量子论给我们提供了新的关于自然界的表述方法和思考方法。 量子论揭示了微观物质世界的基本规律，为原子物理学、固体
物理学、核物理学和粒子物理学奠定了理论基础。
现代物理学革命 35
3、狭义相对论基本原理
(1)相对性原理；
(2)光速不变原理。
现代物理学革命
36
狭义相对论的基本原理
光速不变：光在 不同介质中的传 播速度是可以不 一样的
相对性：所有的物理 规律在不同的惯性参 照系中是一样的
现代物理学革命 37
(3)相对论时空观
• 同时的相对性 • 运动的钟变慢 • 运动的长度缩短
现代物理学革命 27
波粒二象性
德布罗意于1924年提出，微 观粒子也具有波动性，根据
光波与光子之间的关系，把
微观粒子的粒子性质（能量 E和动量p）与波动性质（频 率ν和波长λ）用所谓德布 罗意关系联系起来了，即 E= hν，p=h/λ。
现代物理学革命 28
（二）量子论的建立
• 1925年9月，玻恩与另一位物理学家约丹合作，将海森伯 的思想发展成为系统的矩阵力学理论。不久，狄拉克改 进了矩阵力学的数学形式，使其成为一个概念完整、逻
现代物理学革命
7
太阳光下实验
1896年2月，贝克勒尔把感光片包在黑纸里放到太阳
下，再把荧光物质的晶体压在上面。
他的设想是：太阳光照射晶体产生荧光，如果荧光
中有X射线，那么它就能穿透黑纸使底片暴光。
结果：底片冲洗后，上面有了阴影。这证明有放射
线穿透了黑纸，贝克勒尔断定荧光确实放出X射线。
• J．J．汤姆生把热电偶接到阳极，测量它的温度变化。 根据温升和阳极的热容量可以计算粒子的动能，再从 阴极射线在磁场中偏转的曲率半径，推算出阴极射线 的荷质比与速度。
现代物理学革命
18
证明电子存在的普遍性
汤姆生还用不同的阴极和不同的气体做实验，所 得荷质比数量级相同，证明各种条件下的粒子流 都是相同的，不因电极材料和气体成分而异。 Thomson被认为是电子的发现者，并因此获得 1906年诺贝尔物理学奖。此后他的七个助手先后
现代物理学革命 21
原子模型
• 玻尔原子模型(玻尔假 说)：原子核外电子各自
原子模型
在固定轨道上绕核转动，
且无电磁辐射；当电子
h = 6.63×10-34焦耳· 秒 —— 普朗克常数
从一轨道跃迁到另一轨
道时，放出（或吸出）
能量为的光子, 其中ν
为光子频率。
现代物理学革命 22
二、量子论的发展过程
速直线运动的速度。
现代物理学革命
34
2、“以太”概念的消除——光速不 变
• 经典物理学绝对空间的根基：以太 • 1887年迈莫实验出现零结果。 • 1889年，菲茨杰拉德提出物体长度沿运动方向收缩。 • 1892年，荷兰物理学家洛仑兹也独立地提出了类似的 假说，并给出了著名的洛仑兹变换。 • 1905年，爱因斯坦：以太概念不必要，光速不变，同 时性是相对的 。
电荷接受器(法拉第圆桶)安装
在真空管的一侧，平时没有电 荷进入接收器。 • 用磁场使射线偏折，当磁场达 到某一值时，接收器接收到的
电荷猛增，说明电荷来自阴极
射线。
现代物理学革命 16
使阴极射线受静电偏转
汤姆生重复了赫兹的静电场偏转实验，注意到在刚加上电压
的瞬间，射束轻微摆动。这是由于残余气体分子在电场的作
它能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性 质、光的吸收与辐射等。
现代物理学革命
31
四、量子理论的科学思想
• 扎扎实实的科学作风，扎实基础， 厚积广积，切莫急功近利 ！
• 科学研究有其自身的规律：先基础，后突破，成就以基础为前
提，在成就突破过程中完善和丰厚研究者的基础。基本功扎实 的程度直接决定了突破的可能性和成就的分量；反之，从成就 的分量也可以一目了然地看出研究者基本功的扎实程度。 • 科学的否定观：量子力学在低速微观领域中对牛顿力学的否定， 用事实证实了观点，客观、扬弃和创新。
现代物理学
主讲人：蒋淑丽
现代物理学革命
1
第一节
19、20世纪之交物理学三大发现
X射线的发现
放射性的发现 电子的发现
现代物理学革命
2
现代物理学革命的开始
1895年，物理学已经有了相当的发展，几个主要部门--牛
顿力学、热力学和分子运动论、电磁学和光学，都已经建
立了完整的理论，在应用上也取得了巨大成果。这时物理 学家普遍认为，物理学已经发展到顶了，以后的任务无非 是在细节上作些补充和修正而已，没有太多的事好做了。 X射线的发现唤醒了沉睡的物理学界。它像一声春雷，引 发了一系列重大发现，把人们的注意力引向更深入、更广 阔的天地，从而揭开了现代物理学革命的序幕。
伦琴因发现X射线荣获1901年的首次颁发的诺贝
尔物理学奖。
现代物理学革命 6
二、放射性的发现
伦琴发现的X射线引起法国物理学家贝克勒尔
（A.H. Becquerel, 1852 -1908）的兴趣。
因为伦琴是通过荧光材料所发出的荧光而发现X
射线的，所以贝克勒尔想知道是否有荧光材料
放出X射线。
26
（二）量子论的建立
• 1923年，德布罗意提出了物质波假说，将波粒二象性运 用于电子之类的粒子束，把量子论发展到一个新的高度。 • 1925年-1926年薛定谔率先沿着物质波概念成功地确立了
wenku.baidu.com
电子的波动方程，为量子理论找到了一个基本公式，并
由此创建了波动力学。 • 几乎与薛定谔同时，海森伯写出了以“关于运动学和力 学关系的量子论的重新解释”为题的论文，创立了解决 量子波动理论的矩阵方法。
• 1898年，卢瑟福(E. Rutherford)通过吸收实验证明铀辐射 穿透力弱的称为α射线，穿透力强的称为β射线。 • 1899年，贝克勒尔证实ρ射线能被磁场偏转，其行为与阴极 射线相似。
• 1900年，法国化学家维拉德(P.Villard)发现在铀辐射中还
有另一种成分，穿透力更强，称为γ射线。 • 从1902年起，卢瑟福和索第(F．Soddy)等人研究。射线和放 射性物质的规律，终于导致原子核嬗变规律和原子核的发现。
现代物理学革命
14
三、电子的发现
阴极射线：大的波动还是带电粒子流？ J.J.汤姆生(J.J.Thomson)
• 直接测阴极射线携带的电荷 • 使阴极射线受静电偏转 • 用不同方法测阴极射线的荷质比 • 证明电子存在的普遍性
现代物理学革命 15
直接测阴极射线携带的电荷
• J．J．汤姆生把联到静电计的
现代物理学革命 9
X射线和铀的放射性激发了居里夫人（Marie Curie， 1867-1934）对放射线的研究兴趣。 居里夫人首先证实了贝克勒尔关于铀盐辐射的强度 与化合物中铀的含量成正比的结论，但她不满足于 局限在铀盐，决定对已知的各种元素进行普查。
现代物理学革命
10
钋和镭的发现
1898年7月居里夫妇从铀矿中分离出放射性比铀强 数百倍的物质。向巴黎科学院提交“论沥青铀矿中 的一种新物质”， 命名为“钋” Polonium （Poland) 1898年12月居里夫妇检测出了放射性更强的物质， 并把它命名为镭。 1902年他们经过了无数次的结 晶处理，终于成功地制出0.1克的镭。
为能量子或者量子。物体发射和吸收的能量只能是能量子的
整数倍。
现代物理学革命 24
2、爱因斯坦光量子论
• 爱因斯坦针对光电效应实验与经典理论的矛盾，提出了光量
子假说，并在固体比热问题上成功地运用了能量子概念，为
量子理论的发展打开了局面。 • 爱因斯坦认为，能量的不连续性可以推广到辐射的空间传播 过程。光在传播时，能量不连续地分布于空间，由分离的能 量子组成，这些能量子称为光量子。 • 爱因斯坦认为他的光量子理论是波动及发射理论的一种融合。 1909年他进一步指出光不仅具有粒子性而且具有波动性，即
现代物理学革命 11
因对放射线的研究，1903年居里夫人和她的 丈夫、贝克勒尔分享了该年度的诺贝尔物理 学奖；
1911年她又因发现两种新元素而获得诺贝尔
化学奖。
现代物理学革命
12
放射性物质发现的重要意义
一是要判明放出的射线是什么？
二是查清物质放出射线以后变成了什么？
现代物理学革命
13
放射性物质发现的重要意义
辑自洽的理论体系。
• 1926年薛定谔发现波动力学和矩阵力学从数学上是完全 等价的，由此统称为量子力学，而薛定谔的波动方程由 于比海森伯的矩阵更易理解，成为量子力学的基本方程。
现代物理学革命
29
三、量子力学基本方程
• 薛定谔方程
适用于一切微观低速物理现象：
原子结构，元素周期律，分子结构，化学反应，原子分子
都获得过诺贝尔奖。
现代物理学革命
19
第二节 量子物理学的研究
• 量子理论（扎扎实实的科学作风）
• 量子力学（现代高科技的基石之一）
现代物理学革命
20
一、原子模型与量子理论
• 汤姆逊原子模型 ＝ 正 电荷背景＋电子（正电 荷背景（正电荷均匀分 布），电子镶嵌） • 卢瑟福原子模型 （行星 模型或核式模型）
光具有波粒二象性。
现代物理学革命 25
3、玻尔的原子理论
• 1913年，玻尔在卢瑟福有核模型的基础上运用量子 化概念，提出玻尔的原子理论，对氢光谱作出了满 意的解释，使量子论取得了初步胜利。随后，玻尔、
索末菲和其他物理学家为发展量子理论花了很大力
气，却遇到了严重困难。旧量子论陷入困境。
现代物理学革命
• 普朗克黑体辐射假说：电磁辐射的能量交换是量
子化的，即
E nhv
，n = 1，2，3，…
• 光电效应（爱因斯坦,1905年）：光是由无静止质
量的微粒（光子）组成的。
• 德布罗意波粒二象性假说 ：任何微观粒子既是一
种粒子，又是一种波动。
现代物理学革命 23
（一）量子论的初期
1、普朗克能量子假说
用下发生了电离，正负离子把电极上射线所带电荷的实验装 置的电压抵消掉了。显然这是由于真空度不够高的原因。 他在实验室技师的协助下努力改善真空条件，并且减小极间 电压，终于获得了稳定的静电偏转。
现代物理学革命
17
用不同方法测阴极射线的荷质比
• 测量阳极的温升，因为阴极射线撞击到阳极，会引起
阳极的温度升高。