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1、走进物理世界走进物理世界现代物理学探究之旅现代物理学探究之旅西北大学物理学系西北大学物理学系 田来科田来科目目 录录 现代物理探究之旅现代物理探究之旅 第一章第一章 世纪之交物理学的发展世纪之交物理学的发展 第二章第二章 1919世纪的三大发现世纪的三大发现 第三章第三章 经典物理学上空的两朵乌云经典物理学上空的两朵乌云 第四章第四章 相对论的诞生相对论的诞生 第五章第五章 量子力学的建立量子力学的建立 第六章第六章 原子核及粒子物理学的兴起原子核及粒子物理学的兴起 物理学的探究之旅启示录物理学的探究之旅启示录第一章第一章 世纪之交物理学的发展世纪之交物理学的发展1.经典物理学的局限性经典物理
2、学的局限性2.19世纪的三大发现世纪的三大发现3.经典物理学的两朵乌云经典物理学的两朵乌云一一 经典力学基本概念和基本原理的固有局限性经典力学基本概念和基本原理的固有局限性 1.把经典力学建立在绝对时间和绝对空间的框架上；把经典力学建立在绝对时间和绝对空间的框架上； 2.把引力看作为直接的、即时传递的、超距的作用；把引力看作为直接的、即时传递的、超距的作用； 3.物体的质量恒定不变，与物体的运动和能量无关；物体的质量恒定不变，与物体的运动和能量无关； 4.只适于宏观低速的范围，不适于高速和微观领域。只适于宏观低速的范围，不适于高速和微观领域。 5.机械决定论。机械决定论。二二 经典物理学与经典
3、力学之间的矛盾经典物理学与经典力学之间的矛盾 经典物理学是运用经典力学的基本概念和原理建立起来经典物理学是运用经典力学的基本概念和原理建立起来的理论体系，但是，随着经典物理学的深入发展，却越来越的理论体系，但是，随着经典物理学的深入发展，却越来越显露出他们与经典力学之间的裂痕，从而动摇了经典力学的显露出他们与经典力学之间的裂痕，从而动摇了经典力学的基础地位。主要表现如下几个方面：基础地位。主要表现如下几个方面： 1 1 经典物理学的局限经典物理学的局限1.1.与光学的不调和性与光学的不调和性 主要表现在两个方面，一是对光的认识一直存在两种互相主要表现在两个方面，一是对光的认识一直存在两种互相矛
4、盾的观点：微粒说和波动说；二是对于作为绝对空间和波的矛盾的观点：微粒说和波动说；二是对于作为绝对空间和波的载体的载体的“以太以太”究竟是什么，如何对究竟是什么，如何对它进行检测？它进行检测？它到底具有它到底具有哪些性质？如哪些性质？如从光速的巨大数值来看，从光速的巨大数值来看，“以太以太”应具有极大的应具有极大的刚性。又由于天体不受阻碍的在太空中穿行，刚性。又由于天体不受阻碍的在太空中穿行，“以太以太”必须极必须极其稀薄且没有质量等等。这些性质不但难以理解，有些甚至相其稀薄且没有质量等等。这些性质不但难以理解，有些甚至相互矛盾。互矛盾。2.与电磁学的矛盾与电磁学的矛盾 媒体传递作用与超距作用的
5、矛盾；即时传播与有限速度的媒体传递作用与超距作用的矛盾；即时传播与有限速度的矛盾；能量连续分布的场与质点是能量的唯一载体的矛盾等。矛盾；能量连续分布的场与质点是能量的唯一载体的矛盾等。3.与热学的不协调与热学的不协调 经典力学（包括电磁场理论）中的规律关于时间都是对称的、经典力学（包括电磁场理论）中的规律关于时间都是对称的、可逆的，时间只是从外部描述运动的一个参量。它的变化对于可逆的，时间只是从外部描述运动的一个参量。它的变化对于运动的性质并无影响。而热学中熵增原理的发现，却指出了自运动的性质并无影响。而热学中熵增原理的发现，却指出了自然过程的不可逆性和历史性（所谓马尔科夫过程即具有记忆功然过
6、程的不可逆性和历史性（所谓马尔科夫过程即具有记忆功能）。能）。三三 马赫对经典力学的批判马赫对经典力学的批判 18831883年，奥地利的马赫出版了年，奥地利的马赫出版了力学及其发展的批判历史力学及其发展的批判历史概论概论，从科学和哲学的角度对经典力学进行了尖锐的批判。，从科学和哲学的角度对经典力学进行了尖锐的批判。例如质量的概念，在牛顿的例如质量的概念，在牛顿的力学原理力学原理中，质量被定义为密中，质量被定义为密度和体积的乘积。马赫认为，按照这种定义的方法，不同种类度和体积的乘积。马赫认为，按照这种定义的方法，不同种类物体的质量无法比较，应当建立相对质量的概念：加速度是可物体的质量无法比较，
7、应当建立相对质量的概念：加速度是可测量的量，如果测得两物体由于相互作用产生了彼此大小相等、测量的量，如果测得两物体由于相互作用产生了彼此大小相等、方向相反的加速度，那么这两个物体的质量就相等，如果测得方向相反的加速度，那么这两个物体的质量就相等，如果测得的加速度不相等，则用加速度的负反比来表示这两个物体的质的加速度不相等，则用加速度的负反比来表示这两个物体的质量之比。量之比。 马赫对牛顿绝对时空和绝对运动进行了批判，马赫认为：马赫对牛顿绝对时空和绝对运动进行了批判，马赫认为：“时间是一种抽象时间是一种抽象”，时间是不能独立自存的。空间也不能脱，时间是不能独立自存的。空间也不能脱离物体而存在。如
8、果宇宙中没有物体，谈论空间就毫无意义。离物体而存在。如果宇宙中没有物体，谈论空间就毫无意义。如果宇宙中只有一个物体，这唯一的物体也无运动可言。如果宇宙中只有一个物体，这唯一的物体也无运动可言。 马赫批判了牛顿的马赫批判了牛顿的“水桶实验水桶实验” 牛顿是这样叙述的：牛顿是这样叙述的： “ “如果用长绳吊一水桶，让它旋转如果用长绳吊一水桶，让它旋转至绳扭紧，然后将水注入，水与桶都暂处于静止之中。再至绳扭紧，然后将水注入，水与桶都暂处于静止之中。再以另一力突然使桶沿反方向旋转，当绳子完全放松时，桶以另一力突然使桶沿反方向旋转，当绳子完全放松时，桶的运动还会维持一段时间；水的表面起初是平的，和桶开的
9、运动还会维持一段时间；水的表面起初是平的，和桶开始旋转时一样。但是后来，当桶逐渐把运动传递给水，使始旋转时一样。但是后来，当桶逐渐把运动传递给水，使水也开始旋转。于是可以看到水渐渐地脱离其中心而沿桶水也开始旋转。于是可以看到水渐渐地脱离其中心而沿桶壁上升形成凹状。运动越快，水升得越高。直到最后，水壁上升形成凹状。运动越快，水升得越高。直到最后，水与桶的转速一致，水面即呈相对静止。与桶的转速一致，水面即呈相对静止。” 马赫认为水的爬升是因为对天体的相对运动马赫认为水的爬升是因为对天体的相对运动 在马赫看来，物体的运动都不是相对于绝对空间，而在马赫看来，物体的运动都不是相对于绝对空间，而是相对于别
10、的物体而言的，相对于绝对空间的绝对运动是是相对于别的物体而言的，相对于绝对空间的绝对运动是不存在的。离开了物体之间的相互关系，说物体的运动是不存在的。离开了物体之间的相互关系，说物体的运动是毫无意义的。毫无意义的。 在马赫看还认为：所有一切都是相对的，所有的质量，在马赫看还认为：所有一切都是相对的，所有的质量，所有的速度，所有的力都是相对的。所以他认为牛顿转动所有的速度，所有的力都是相对的。所以他认为牛顿转动的水桶是相对于其它天体的相对运动，的水桶是相对于其它天体的相对运动，“水面沿桶壁的升水面沿桶壁的升高是离心力的作用的结果，也可以看作相对惯性力的作用，高是离心力的作用的结果，也可以看作相对
11、惯性力的作用，而这个惯性力是无数遥远天体对水面的引力的作用，所以而这个惯性力是无数遥远天体对水面的引力的作用，所以惯性力本质上就是引力。惯性力本质上就是引力。” ” 爱因斯坦指出：爱因斯坦指出：马赫为相对论的发展铺平了道路。在狭义相马赫为相对论的发展铺平了道路。在狭义相对论创立的过程中，正是马赫对绝对时间的批判，使爱因斯对论创立的过程中，正是马赫对绝对时间的批判，使爱因斯坦坦“终于醒悟到时间是可疑的终于醒悟到时间是可疑的”，并从，并从“同时性的相对性同时性的相对性”这个问题上取得了突破性的进展。马赫对水桶实验的批判，这个问题上取得了突破性的进展。马赫对水桶实验的批判，使人们的思想从使人们的思想
12、从“绝对运动绝对运动”的桎梏中解放出来，从而确立的桎梏中解放出来，从而确立加速运动的相对性的观念。马赫的科学哲学思想甚至还直接加速运动的相对性的观念。马赫的科学哲学思想甚至还直接或间接的影响了玻尔、玻恩、海森堡、泡利、薛定谔等一大或间接的影响了玻尔、玻恩、海森堡、泡利、薛定谔等一大批量子物理学家。批量子物理学家。 马赫的批判思想在世纪之交对物理学的革命性变革起到了马赫的批判思想在世纪之交对物理学的革命性变革起到了启蒙和推动作用。启蒙和推动作用。第第2 2章章 1919世纪的三大发现世纪的三大发现一一. .电子的发现电子的发现二二.X.X射线的发现射线的发现三三. .天然放射性的发现天然放射性的
13、发现一一 电子的发现电子的发现1.1.阴极射线的研究：阴极射线的研究：德国学派的以太波的观点：德国学派的以太波的观点：普吕克尔普吕克尔，哥尔茨坦哥尔茨坦，赫兹等赫兹等英国学派的带电微粒说：英国学派的带电微粒说：瓦尔利瓦尔利，克鲁克斯克鲁克斯，舒斯等。舒斯等。佩兰佩兰(Perrin)(Perrin)实验：实验： 18951895年法国物理学家微粒说支持者年法国物理学家微粒说支持者佩兰佩兰(Perrin)(Perrin)将将圆桶电极安装在阴极射线管中，用静电计测圆桶接收到圆桶电极安装在阴极射线管中，用静电计测圆桶接收到的电荷。的电荷。结果为负电。结果为负电。支持了带电微粒说。支持了带电微粒说。发发
14、 现现 电电 子子 的的 J J J J 汤汤 姆姆 逊逊2.电子的发现：电子的发现：J JJ J汤姆逊汤姆逊 (1856-1940)(1856-1940)简介简介 1414岁进入曼彻斯特大学，岁进入曼彻斯特大学，18761876年获数学奖金而进入剑年获数学奖金而进入剑桥大学三一学院深造。桥大学三一学院深造。18801880年获二等史密斯奖金，进入卡年获二等史密斯奖金，进入卡文迪什实验室，在文迪什实验室，在瑞利瑞利教授的指导下进行电磁学研究。教授的指导下进行电磁学研究。18831883年被选为英国皇家学会会员。年被选为英国皇家学会会员。18841884年汤姆逊年仅年汤姆逊年仅2828岁岁出任卡
15、文迪什实验室主任（这一年瑞利出任皇家学会会出任卡文迪什实验室主任（这一年瑞利出任皇家学会会长），领导该室人员工作长达长），领导该室人员工作长达4242年。年。19061906年获得诺贝尔物年获得诺贝尔物理学奖。培养的学生有卢瑟福、玻尔、威尔逊等多人，他理学奖。培养的学生有卢瑟福、玻尔、威尔逊等多人，他们都先后荣获了诺贝尔奖。们都先后荣获了诺贝尔奖。 J.J.汤姆逊设计了一系列实验，以无可辩驳的事实确证了汤姆逊设计了一系列实验，以无可辩驳的事实确证了阴极射线是带负电的粒子流。阴极射线是带负电的粒子流。实验一实验一 阴极射线的磁偏转实验：阴极射线的磁偏转实验： 1895年，汤姆逊将佩兰实验装置做了
16、一些改进，他把阴年，汤姆逊将佩兰实验装置做了一些改进，他把阴极极A和法拉第圆桶和法拉第圆桶F放在不在一条直线的方向上，如图示。放在不在一条直线的方向上，如图示。实验二：阴极射线的静电偏转实验：实验二：阴极射线的静电偏转实验： J.J.J.J.汤姆逊重复了赫兹的静电场偏转实验，他改善真空汤姆逊重复了赫兹的静电场偏转实验，他改善真空条件，并减小极间电压，终于获得了稳定的静电偏转。从而条件，并减小极间电压，终于获得了稳定的静电偏转。从而否定了以太说。否定了以太说。 实验三：荷质比实验三：荷质比e/m的测量：的测量： 方法一方法一是在上一实验装置管子的两测各加一通电线圈，是在上一实验装置管子的两测各加
17、一通电线圈，以产生垂直于电场的磁场。然后根据电场和磁场分别造成以产生垂直于电场的磁场。然后根据电场和磁场分别造成的偏转，计算出阴极射线的荷质比以及微粒子的运动速度。的偏转，计算出阴极射线的荷质比以及微粒子的运动速度。 v2.7109厘米厘米/秒，秒，e/m0.8107电磁单位电磁单位/克。克。二二 X X射线的发现射线的发现1.1.伦琴伦琴 德国物理学家。德国物理学家。 1901年，伦琴获首届诺贝尔物理奖。年，伦琴获首届诺贝尔物理奖。伦琴全名伦琴全名威廉威廉.康拉德康拉德.伦琴伦琴（德语：（德语：Wilhelm Conrad Röntgen）（）（18451923），德国），德国实验
18、物理学家。实验物理学家。 伦琴伦琴1845年年3月月27日出生在德国尼普镇。日出生在德国尼普镇。 3岁时全家迁居荷兰并入荷兰籍。岁时全家迁居荷兰并入荷兰籍。 1865年年 迁居瑞士苏黎世，伦琴进入苏黎世联邦工业大学机迁居瑞士苏黎世，伦琴进入苏黎世联邦工业大学机械工程系，械工程系，1868年毕业。年毕业。 1869年从年从苏黎世大学苏黎世大学获得哲学博士学位，并担任了物理学获得哲学博士学位，并担任了物理学教授孔脱的助手。教授孔脱的助手。 随后的十九年间，伦琴在一些不同的大学工作，逐步地随后的十九年间，伦琴在一些不同的大学工作，逐步地赢得了优秀科学家的声誉。赢得了优秀科学家的声誉。 x x射线的发
19、现射线的发现 18951895年间伦琴使用他的同行年间伦琴使用他的同行赫兹赫兹、希托夫希托夫、克鲁克斯克鲁克斯、特特斯拉斯拉和莱纳德设计的设备研究真空管中的高压放电效应。和莱纳德设计的设备研究真空管中的高压放电效应。1111月初伦琴重复着莱纳德管试验，这个莱纳德管加入了一月初伦琴重复着莱纳德管试验，这个莱纳德管加入了一个很窄的金属铝做的窗口，允许阴极射线从管子射出来，个很窄的金属铝做的窗口，允许阴极射线从管子射出来，另外有块纸板覆盖住铝窗口保护它不被产生阴极射线的强另外有块纸板覆盖住铝窗口保护它不被产生阴极射线的强电场区破坏。他知道纸屏能够防止光线逃逸，但是观察到电场区破坏。他知道纸屏能够防止
20、光线逃逸，但是观察到当他用涂了氰亚铂酸钡的小纸屏靠近铝窗，看不到的阴极当他用涂了氰亚铂酸钡的小纸屏靠近铝窗，看不到的阴极射线能够在纸屏上产生射线能够在纸屏上产生荧光荧光效应。这让伦琴想到，比莱纳效应。这让伦琴想到，比莱纳德管的管壁更厚的德管的管壁更厚的克鲁克斯管克鲁克斯管可能也会导致荧光效应。可能也会导致荧光效应。 18951895年年1111月月8 8日下午晚些时候，他决定试验他的想法。他日下午晚些时候，他决定试验他的想法。他仔细的做了一个跟莱纳德管试验类似的黑纸屏，并用这块仔细的做了一个跟莱纳德管试验类似的黑纸屏，并用这块版覆盖住克鲁克斯管并把电极放到一个感应线圈版覆盖住克鲁克斯管并把电极
21、放到一个感应线圈 ( (旧称为旧称为“鲁姆科夫线圈鲁姆科夫线圈”) )中来产生静电电荷。在用氰亚铂酸钡中来产生静电电荷。在用氰亚铂酸钡屏验证他的想法之前，伦琴把房间弄暗以检测是不是他的屏验证他的想法之前，伦琴把房间弄暗以检测是不是他的纸板漏光。当他把线圈穿过管子的时候，确定板子确实不纸板漏光。当他把线圈穿过管子的时候，确定板子确实不透光，并着手进行下一步实验。就在这时，他从距离试验透光，并着手进行下一步实验。就在这时，他从距离试验管几米远的地方注意到微弱的光。为了确定他的发现，他管几米远的地方注意到微弱的光。为了确定他的发现，他试着重复上面的操作，每次都能看到同样的微光。试着重复上面的操作，每
22、次都能看到同样的微光。 擦燃擦燃一根火柴，他才发现是他放在工作台上准备下一步使用的一根火柴，他才发现是他放在工作台上准备下一步使用的氰亚铂酸钡发光。氰亚铂酸钡发光。接下来的几个小时伦琴一遍一遍的重复着试验。他很快接下来的几个小时伦琴一遍一遍的重复着试验。他很快确定出一个距离管子特定的距离，从这里能够观察到比前确定出一个距离管子特定的距离，从这里能够观察到比前面的试验更强的荧光。他推测可能发现了一种新的射线。面的试验更强的荧光。他推测可能发现了一种新的射线。1111月月8 8日是一个星期五，伦琴利用这个周末重复试验并做了日是一个星期五，伦琴利用这个周末重复试验并做了第一次记录。在接下来的几个星期
23、他在实验室内吃住，研第一次记录。在接下来的几个星期他在实验室内吃住，研究了他暂时命名为究了他暂时命名为X X射线射线的新射线的差不多所有性质，并用的新射线的差不多所有性质，并用对未知的部分给出数学表示。尽管最终新的射线用他的名对未知的部分给出数学表示。尽管最终新的射线用他的名字来命名为伦琴射线，但是他总是首选最初的术语字来命名为伦琴射线，但是他总是首选最初的术语X X射线。射线。 伦琴发现伦琴发现X X射线并非偶然，他也不是独自工作。据调查，射线并非偶然，他也不是独自工作。据调查，当时多个国家不少人都在进行这方面的研究，而且，发现当时多个国家不少人都在进行这方面的研究，而且，发现时间也很接近。
24、事实上，时间也很接近。事实上，2 2年前宾夕法尼亚大学就已经制造年前宾夕法尼亚大学就已经制造出出X X射线和它的影像记录。然而，那里的研究人员没有意识射线和它的影像记录。然而，那里的研究人员没有意识到这一发现的重要性，只是把他们归档了事，因此也就失到这一发现的重要性，只是把他们归档了事，因此也就失去了获得最伟大物理发现的赞誉的机会。他碰巧在屏上发去了获得最伟大物理发现的赞誉的机会。他碰巧在屏上发现的东西把他的注意力从原来的研究中引开了。他当时已现的东西把他的注意力从原来的研究中引开了。他当时已经计划在下一步的试验中用那个屏，那之前很短时间他就经计划在下一步的试验中用那个屏，那之前很短时间他就取
25、得了这一发现。取得了这一发现。 当他研究不同材料对这种射线的阻挡能力当他研究不同材料对这种射线的阻挡能力, , 就把这一小片材就把这一小片材料放到射线产生的地方。可以想象当看到第一张呈现在他制作的料放到射线产生的地方。可以想象当看到第一张呈现在他制作的屏幕上的屏幕上的X X光影像上闪烁的骨架的时候，伦琴是多么地惊讶。据光影像上闪烁的骨架的时候，伦琴是多么地惊讶。据说他后来在实验室秘密的进行这项试验，因为他害怕如果这个发说他后来在实验室秘密的进行这项试验，因为他害怕如果这个发现是个错误会影响他的教授声誉。现是个错误会影响他的教授声誉。 伦琴的原始伦琴的原始论文论文一种新的一种新的X X射线射线在
26、在5050天后也就是天后也就是18951895年年1212月月2828日被出版。日被出版。18961896年年1 1月月5 5日，奥地利一家报纸报道了伦琴的日，奥地利一家报纸报道了伦琴的发现。伦琴发现发现。伦琴发现X X射线以后，维尔兹堡大学授予他荣誉医学博士射线以后，维尔兹堡大学授予他荣誉医学博士学位。在学位。在18951895年到年到18971897年间他一共出版了总计年间他一共出版了总计3 3篇关于篇关于X X射线的论射线的论文。伦琴治学十分的严谨，到现在为止还没有发现他的学术论文文。伦琴治学十分的严谨，到现在为止还没有发现他的学术论文里面存在错误。里面存在错误。 影响和荣誉影响和荣誉
27、伦琴的发现不仅对医学诊断有重大影响，同时也影响了伦琴的发现不仅对医学诊断有重大影响，同时也影响了2020世世纪许多重大科学成就的出现。纪许多重大科学成就的出现。 受伦琴的影响，受伦琴的影响，18961896年亨利年亨利贝克勒在发光材料的试验中偶贝克勒在发光材料的试验中偶然发现了一种新射线的穿透性。这样伦琴的发现间接地影响了放然发现了一种新射线的穿透性。这样伦琴的发现间接地影响了放射性的发现。因为该发现射性的发现。因为该发现19031903年贝克勒和年贝克勒和居里夫人居里夫人被共同授予被共同授予诺诺贝尔奖贝尔奖。 为了纪念伦琴的成就，为了纪念伦琴的成就，X X射线在许多国家被称为伦琴射线。另射线
28、在许多国家被称为伦琴射线。另外第外第111111号号化学元素化学元素錀錀（Roentgenium (RgRoentgenium (Rg) )）也以伦琴命名。在）也以伦琴命名。在伦琴的祖国，德国有许多以伦琴命名为学校，街道和广场。伦琴的祖国，德国有许多以伦琴命名为学校，街道和广场。三三 天然放射性的发现天然放射性的发现 1.1.铀盐的放射性的发现铀盐的放射性的发现-贝克勒尔贝克勒尔 2.2.钋和镭的发现钋和镭的发现-居里夫人居里夫人 3.3.、射线的发现射线的发现-卢瑟福卢瑟福 贝克勒尔贝克勒尔 生于法国巴黎，祖父和父亲都是固体磷光专生于法国巴黎，祖父和父亲都是固体磷光专家，从事研究工作有家，从
29、事研究工作有6060多年的历史，贝克勒尔早期从事光多年的历史，贝克勒尔早期从事光学研究，学研究，4343岁开始研究放射现象。岁开始研究放射现象。 选择选择硫酸钾铀酰硫酸钾铀酰作为实验材料，并放在太阳底下暴晒作为实验材料，并放在太阳底下暴晒( (暴晒可使荧光物质发出更强荧光暴晒可使荧光物质发出更强荧光) )，底片感光了。后来由，底片感光了。后来由于阴雨连绵，贝克勒尔用黑纸包上底片与铀盐一起锁进抽于阴雨连绵，贝克勒尔用黑纸包上底片与铀盐一起锁进抽屉，结果屉，结果再次实验前检查底片时再次实验前检查底片时，底片仍旧被铀盐感光了。，底片仍旧被铀盐感光了。贝克勒尔经过分析，认为：使底片感光的射线与日晒和荧
30、贝克勒尔经过分析，认为：使底片感光的射线与日晒和荧光无任何关系，它是铀盐自身产生的辐射现象，于是第二光无任何关系，它是铀盐自身产生的辐射现象，于是第二天，他在科学院的例会上公布了这一重大发现。天，他在科学院的例会上公布了这一重大发现。 贝克勒尔获贝克勒尔获19031903年诺贝尔奖。年诺贝尔奖。天天 然然 放放 射射 性性 的的 发发 现现1.铀盐放射性的发现铀盐放射性的发现-贝克勒尔贝克勒尔天天 然然 放放 射射 性性 的的 发发 现现.居里夫人居里夫人(1867-1934) 波兰中学毕业获金质奖章，由于波兰当时女子不能上大波兰中学毕业获金质奖章，由于波兰当时女子不能上大学，做了学，做了8
31、8年家庭教师，筹了费用，于年家庭教师，筹了费用，于18911891年到法国巴黎，进年到法国巴黎，进入法兰西共和国大学理学院学习。入法兰西共和国大学理学院学习。18931893年获物理硕士学位，年获物理硕士学位，次年又获得数学硕士学位。次年又获得数学硕士学位。18941894年与法国物理学家皮埃尔年与法国物理学家皮埃尔居居里相恋。里相恋。19031903年获诺贝尔物理奖，年获诺贝尔物理奖，19111911年获诺贝尔化学奖。年获诺贝尔化学奖。皮埃尔皮埃尔居里居里 法国物理学家，从小聪慧过人，法国物理学家，从小聪慧过人，1616岁获学士学位，岁获学士学位，1818岁岁获硕士学位，获硕士学位，2424
32、岁被担任巴黎市立理化学校物理实验室主任。岁被担任巴黎市立理化学校物理实验室主任。曾与哥哥约克共同发现了晶体的压电效应，发明了测量微量曾与哥哥约克共同发现了晶体的压电效应，发明了测量微量电量的压电石英静电计电量的压电石英静电计-“-“居里计居里计”。后来从事磁学研究，。后来从事磁学研究，发现磁性消失的温度发现磁性消失的温度-“-“居里点居里点”。2.钋和镭的发现钋和镭的发现. .钋的发现钋的发现 首先居里夫人用石英静电计对铀发出的射线的电离性质进首先居里夫人用石英静电计对铀发出的射线的电离性质进行了精密测量。证实了铀的辐射强度只与化合物中铀的含量成行了精密测量。证实了铀的辐射强度只与化合物中铀的
33、含量成正比，而与化合物中其他元素以及铀所处的物理、化学条件无正比，而与化合物中其他元素以及铀所处的物理、化学条件无关。居里夫人认为这说明辐射只是一种原子过程。关。居里夫人认为这说明辐射只是一种原子过程。 18971897年年7 7月，他们终于从铀矿渣中提炼出了钋，它比纯铀放月，他们终于从铀矿渣中提炼出了钋，它比纯铀放射性强射性强400400倍倍! !.镭的发现镭的发现 但是钋的放射性比预期的仍然低，继续实验，但是钋的放射性比预期的仍然低，继续实验，1898年年12月，月，又发现了比铀的放射性强又发现了比铀的放射性强200多万倍的新元素多万倍的新元素-镭镭 (radium) !天天 然然 放放
34、射射 性性 的的 发发 现现为了消除人们的怀疑，为了消除人们的怀疑，他们决心提炼出纯镭，镭矿渣他们决心提炼出纯镭，镭矿渣非常贵，奥地利送了一吨，在非常贵，奥地利送了一吨，在低矮的棚屋里，居里夫妇从低矮的棚屋里，居里夫妇从1899年至年至1902年，花了年，花了45个月个月的时间，历时四年，经过几万的时间，历时四年，经过几万次的提炼，终于从次的提炼，终于从8吨矿渣中吨矿渣中提炼出提炼出0.12克的氯化镭，从中克的氯化镭，从中找到了两根特征光谱线，并宣找到了两根特征光谱线，并宣布镭的原子量为布镭的原子量为225!1903年完成博士论文，年完成博士论文，同年同年12月获诺贝尔物理学奖。月获诺贝尔物理
35、学奖。1912年又成功分离出纯年又成功分离出纯金属镭，第二年获诺贝尔化学金属镭，第二年获诺贝尔化学奖。奖。居里夫妇在工作居里夫妇在工作天天 然然 放放 射射 性性 的的 发发 现现.科学属于全人类科学属于全人类镭可以治狼疮和癌肿，镭可以治狼疮和癌肿，0.1克镭就值克镭就值75万金法郎万金法郎!一个美国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。公司想收买专利，都被生活并不富裕的居里夫妇谢绝了。他们认为他们认为:我们发现了科学，又把它据为己有，这违反科我们发现了科学，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学精神，再说镭能治病，我们就更应该无条
36、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，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。她的女婿约里奥（的高风亮节，赢得了人们的敬重。她的女婿约里奥（1900-1958）在在50年代用仪器检测她当年的实验记录本，发现全部污染了放年代用仪器检测她当年的实验记录本，发现全部污染了放射性物质，她当年用过的烹调书，射性物质
37、，她当年用过的烹调书，50年后再检查，仍然有放射年后再检查，仍然有放射性。性。1934年，居里夫人去世；年，居里夫人去世；1956年她的女儿伊伦年她的女儿伊伦居里居里（1897-1956）也死于恶性贫血；）也死于恶性贫血；1958年女婿约里奥也因放射性年女婿约里奥也因放射性辐射而去世。居里夫人的一家全部都献给了这壮丽的伟大事业。辐射而去世。居里夫人的一家全部都献给了这壮丽的伟大事业。天天 然然 放放 射射 性性 的的 发发 现现 镭的发现促进了对放射性的进一步研究，其中镭的发现促进了对放射性的进一步研究，其中贡献最大的是贡献最大的是J.J.汤姆逊的学生汤姆逊的学生-卢瑟福卢瑟福卢瑟福卢瑟福 新
38、西兰人，祖籍英国苏格兰，新西兰人，祖籍英国苏格兰，1871年生于新西兰，年生于新西兰，18岁进入新西兰大学学习，岁进入新西兰大学学习，1893年大学毕业，年大学毕业，1895年年被选送到剑桥大学深造，在被选送到剑桥大学深造，在J.J.汤姆逊领导的卡文迪汤姆逊领导的卡文迪什实验室当研究生什实验室当研究生(J.J.汤姆逊的第一位研究生汤姆逊的第一位研究生)。1898年应邀担任加拿大麦吉尔大学物理学教授。年应邀担任加拿大麦吉尔大学物理学教授。 在获知居里夫妇发现镭辐射后，立即转向放射性在获知居里夫妇发现镭辐射后，立即转向放射性对气体电离作用的研究，提出原子的嬗变理论。对气体电离作用的研究，提出原子的
39、嬗变理论。1907年返回英国，任曼彻斯特大学物理学教授。主要研究年返回英国，任曼彻斯特大学物理学教授。主要研究粒子的散射作用，提出了原子的核式模型。粒子的散射作用，提出了原子的核式模型。1908年年因对放射化学的研究荣获诺贝尔化学奖。因对放射化学的研究荣获诺贝尔化学奖。1919年任剑年任剑桥大学教授，并任卡文迪许实验室主任。桥大学教授，并任卡文迪许实验室主任。3.、射线的发现射线的发现卢瑟福发现卢瑟福发现射线和射线和射线：射线：1898年，卢瑟福年，卢瑟福用强磁铁使铀射线偏用强磁铁使铀射线偏转转，发现射线分为方向相反的两股，发现射线分为方向相反的两股，一股极易被吸收，他称之为一股极易被吸收，他
40、称之为射线；另一种具有较强的穿透力，称之为射线；另一种具有较强的穿透力，称之为射线。射线。维拉德维拉德(P.Villard)发现发现射线：射线：法国人，法国人，1900年年,维拉德将镭放入维拉德将镭放入一个铅管中，铅管一侧开一小口，放射性射线可从此射出，射线一个铅管中，铅管一侧开一小口，放射性射线可从此射出，射线经磁场后用底片记录。在底片和射线口之间加一层铝箔，用于阻经磁场后用底片记录。在底片和射线口之间加一层铝箔，用于阻挡挡射线而让射线而让射线通过，结果发现在正对发射口的方向有暴光的射线通过，结果发现在正对发射口的方向有暴光的痕迹，后来维拉德又加了一层铝箔，射线仍能穿透。因此表明，痕迹，后来
41、维拉德又加了一层铝箔，射线仍能穿透。因此表明，这一射线肯定不是这一射线肯定不是射线，而是一种不受磁场偏转的辐射能力更强射线，而是一种不受磁场偏转的辐射能力更强的一种新射线。与的一种新射线。与X射线非常类似，后来被卢瑟福称为射线非常类似，后来被卢瑟福称为射线。射线。原子的嬗变理论：原子的嬗变理论：对放射性过程的研究，使他们意识到对放射性过程的研究，使他们意识到“放射放射性既是原子现象，又能产生新的化学变化的伴生物性既是原子现象，又能产生新的化学变化的伴生物”。并于。并于1902年提出了放射性元素的嬗变理论。即年提出了放射性元素的嬗变理论。即“放射性原子是不稳定的，放射性原子是不稳定的，它们自发性
42、地放射出射线和能量，而自身衰变成另一种放射性原它们自发性地放射出射线和能量，而自身衰变成另一种放射性原子，直至成为一种稳定的原子为止。子，直至成为一种稳定的原子为止。” 卡文迪什实验室：卡文迪什实验室： 始建于始建于1871年，建成于年，建成于1874年，是英国剑桥大学的前身，年，是英国剑桥大学的前身，麦克斯韦为第一任实验室主任麦克斯韦为第一任实验室主任。 卡文迪什实验室，作为世界上最著名的物理学教育和科研中卡文迪什实验室，作为世界上最著名的物理学教育和科研中心之一，培养了一大批世界级的著名物理学家，心之一，培养了一大批世界级的著名物理学家，26位诺贝尔奖位诺贝尔奖获得者。获得者。 18851
43、919年，由年，由J.J.汤姆逊主持实验室工作汤姆逊主持实验室工作，在这在这34年间，年间，主要进行了电学、磁学、光学等方面的基本测量工作。这期间主要进行了电学、磁学、光学等方面的基本测量工作。这期间科学研究硕果累累，人才辈出，走在世界的前列，有科学研究硕果累累，人才辈出，走在世界的前列，有10位工作位工作人员获得诺贝尔奖。人员获得诺贝尔奖。 19191937年卢瑟福主持卡文迪什实验室工作年卢瑟福主持卡文迪什实验室工作，主要进行放主要进行放射性和核物理研究，先后取得了发现中子、验证了正电子的预射性和核物理研究，先后取得了发现中子、验证了正电子的预言、人工打破原子核的重大成就。尤其在言、人工打破
44、原子核的重大成就。尤其在19321933年间，卡年间，卡文迪什实验室达到其科学成就的高峰。文迪什实验室达到其科学成就的高峰。在卢瑟福主持工作的在卢瑟福主持工作的18年间，实验室中共有年间，实验室中共有12人获诺贝尔奖，这人获诺贝尔奖，这18年是该实验室的黄年是该实验室的黄金时期，这期间它成为世界实验物理的研究中心。金时期，这期间它成为世界实验物理的研究中心。 上述三大发现打破了几百年来形成上述三大发现打破了几百年来形成的物质不灭、能量守恒、原子不可分等的物质不灭、能量守恒、原子不可分等传统观念，揭开了物理学革命的序幕，传统观念，揭开了物理学革命的序幕，它标志着物理学的研究由宏观进入到微它标志着
45、物理学的研究由宏观进入到微观。观。第三章第三章 经典物理学上空的两朵乌云经典物理学上空的两朵乌云 19世纪的最后一天，在欧洲著名的科学家世纪的最后一天，在欧洲著名的科学家 年会上，英国年会上，英国著名物理学家著名物理学家W汤姆生（开尔文）发表了新年祝词。他在汤姆生（开尔文）发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理学大厦已经落成，回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理学大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。同时，他在展望所剩只是一些修饰工作。同时，他在展望20世纪物理学前景世纪物理学前景时讲道：时讲道：“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，动力理论肯定了热和光是运动的两种方式
46、，现在，它美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，它美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，” “第一朵乌云第一朵乌云出现在光的波动理论上，出现在光的波动理论上，”“”“第二朵乌云出现在关于能量均第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。玻尔兹曼理论上。” 他所说的他所说的第一朵乌云第一朵乌云，主要是指，主要是指第一朵乌云：第一朵乌云：“迈克耳逊迈克耳逊莫雷实验莫雷实验”与与“以太漂移说以太漂移说”的矛盾；的矛盾；第二朵乌云第二朵乌云，主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以，主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以及辐射能谱的理论解释中得出与实验不符的结果，其中尤以及辐射能
47、谱的理论解释中得出与实验不符的结果，其中尤以黑体辐射理论出现的黑体辐射理论出现的“紫外灾难紫外灾难”最为突出。最为突出。 黑体辐射实验：黑体辐射实验：19世纪末，世纪末，卢梅尔卢梅尔等人在做实等人在做实验时发现：验时发现：黑体辐射的能量不是连续的黑体辐射的能量不是连续的，它按波长，它按波长的分布仅与黑体的温度有关。与经典物理学严重矛的分布仅与黑体的温度有关。与经典物理学严重矛盾。盾。 实验结果的解释：实验结果的解释：当时，人们仍然以经典物理当时，人们仍然以经典物理学作为出发点，由于出发点不正确，最后都导致了学作为出发点，由于出发点不正确，最后都导致了失败的结果。典型人物是维恩、瑞利和金斯。失败
48、的结果。典型人物是维恩、瑞利和金斯。 第二朵乌云第二朵乌云黑体辐射与黑体辐射与“紫外灾难紫外灾难” 首先德国物理学家维恩建立起了黑体辐射能量首先德国物理学家维恩建立起了黑体辐射能量按波长分布的公式，但这个公式只在短波、较低温按波长分布的公式，但这个公式只在短波、较低温度时才和实验事实符合。度时才和实验事实符合。 它的失败表明经典它的失败表明经典物理学理论在黑体辐射物理学理论在黑体辐射问题上的失败，所以这问题上的失败，所以这也是整个经典物理学的也是整个经典物理学的“灾难灾难”。 英国物理学家瑞利和物理学家、天文学家金斯认为能英国物理学家瑞利和物理学家、天文学家金斯认为能量是一种连续变化的物理量，
49、建立起在长波、较高温度时量是一种连续变化的物理量，建立起在长波、较高温度时候的黑体辐射公式，和实验事实比较符合。但是，在短波候的黑体辐射公式，和实验事实比较符合。但是，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加。所以这个失败被埃伦菲斯特称为增加。所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难紫外灾难”。悲观情绪：悲观情绪： 物理学的新发现和旧原理之间的矛盾引起物理学家认识上的物理学的新发现和旧原理之间的矛盾引起物理学家认识上的严重分歧。严重分歧。 在人们提出波粒二象性新概念时，洛仑兹哀叹到：在人们提出波粒二象性新概念时，洛仑兹哀叹到：
50、“在今天，在今天，人们提出了完全相反的主张；这样一来，也就没有真理的标准人们提出了完全相反的主张；这样一来，也就没有真理的标准了，也不知道科学是什么了。我真后悔我没有在这些矛盾出现了，也不知道科学是什么了。我真后悔我没有在这些矛盾出现前的五年死去。前的五年死去。” 法国科学哲学家雷伊在法国科学哲学家雷伊在19071907年出版的年出版的现代物理学家的物理现代物理学家的物理学理论学理论中描述了当时的这种情绪：中描述了当时的这种情绪：“传统的机械论的破产，传统的机械论的破产，确切的说，它所受到的批判，造成了如下论点：科学也破产确切的说，它所受到的批判，造成了如下论点：科学也破产了。了。”“”“物理