《现代物理学》PPT课件.ppt

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1、第三章第三章 现代物理学现代物理学2023/2/6第一节第一节 19世纪末物理学的三大发现世纪末物理学的三大发现一、一、X射线的发现射线的发现 1895年11月8日，德国物理学家伦琴在进行阴极射线研究时偶然发现了一些奇异的现象：伦琴在暗室中做阴极射线管气体放电实验时，为避免紫外线与可见光的影响，特用黑纸将射线管包住，但位于高真空阴极射线管附近的用黑纸严密包好的照相底片会被感光；用黑纸包裹的阴极射线管也能使荧光物质发出荧光，而阴极射线是透不出玻璃管的。2023/2/6 伦琴认为，还存在着发自阴极射线管，但又非阴极射线的另一种看不见的射线。因对其本质的不确定性，他把这种射线称为X射线，但是人们为了

2、尊重他的功绩，又称之为伦琴射线。经过6个多星期的深入研究，伦琴于12月28日向德国维尔茨堡物理医学会递交了一种新的射线初步报告的论文。1912年，德国物理家劳厄从晶体衍射的新发现中判断X射线是一种频率极高的电磁波，从而揭示了X射线的本质。不久后，莫斯莱证实它是由原子中内层电子跃迁所发出的射线。伦琴，德（1845-1923）和他的第一张X照片第一节第一节 19世纪末物理学的三大发现世纪末物理学的三大发现一、一、X射线的发现射线的发现二、放射性的发现二、放射性的发现 1896年2月，法国物理学家贝克勒尔选择了一种荧光物质铀盐 做实验，结果发现，不仅受阳光照射发出荧光的铀盐能使照片底片感光，而且包于

3、黑纸中未受阳光照射的铀盐也能使底片感光。经过反复实验，贝克勒尔证实铀盐无需任何外界作用就能自发地放出一种穿透力很强的射线，这种射线显然只与铀盐有关而与荧光无关，是有别于X射线的新射线。人们就把物质能自发地放出射线的性质叫放射性，把有放射性的物质称为放射性物质。第一节第一节 19世纪末物理学的三大发现世纪末物理学的三大发现贝克勒尔，法（1852-1908）得到的第一张铀辐射照片 贝克勒尔的新发现引起了世界各国科学家的关注和兴趣，著名的法国女科学家居里夫人和她的丈夫居里投入了寻找像铀那样的其他放射性元素的工作。第一节第一节 19世纪末物理学的三大发现世纪末物理学的三大发现二、放射性的发现二、放射性

4、的发现 1902年，居里夫妇宣布，他们测得镭的原子量为225，找到了两根明亮的特征谱线，至此，镭的存在才得到公认。皮埃尔.居里，法（1859-1906）玛丽.居里，法籍波兰（1867-1934）第一节第一节 19世纪末物理学的三大发现世纪末物理学的三大发现二、放射性的发现二、放射性的发现三、三、电子的发现电子的发现 1876年，德国物理学家戈德斯坦在对气体放电进行了细致的研究后，将电流通过低压气体放电管时，对着阴极的那一端管壁出现荧光现象的原因归结为是某种射线从阴极发出，打在了对面的管子上，并给这种射线取名为阴极射线。2023/2/6 1897年，英国理学家汤姆孙对阴极射线的本质作出了正确的回

5、答。首先，他测出了阴极射线的传播速度远远小于光速，因而证明它不是电磁波。接着汤姆孙又用电磁场把阴极射线引到了一种用于测电荷的接收器中，证明它是一种带负电荷的粒子流。还测出了这种粒子流的质量与电荷的比（名为荷质比e/m）。汤姆孙起初称该粒子为“微粒”，后来又采用了爱尔兰物理学家斯托尼于1891年提出用来表示电荷最小单位的“电子”一词称之。第一节第一节 19世纪末物理学的三大发现世纪末物理学的三大发现J.J汤姆孙，英（1856-1940）在做实验 电子的发现不仅揭示出电的物质本质，而且向世人宣告，原子已不再是组成物质的最小粒子。这是一个非常重要的结论，原子不可分的传统观念彻底破灭了。汤姆逊被誉为:

6、一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人。电子的发现导致了原子物理学这门学科的诞生。第一节第一节 19世纪末物理学的三大发现世纪末物理学的三大发现三、三、电子的发现电子的发现四、四、经典物理学的危机经典物理学的危机 X射线、放射性和电子的发现，使传统的物理学观念受到了挑战，不仅原来的原子不可分学说由于电子的发现而必须摒弃，而且过去认为一种元素不可能转变为另一种元素的观点，也因为现在看到放射性元素在放出某种射线后就逐渐转变成另一种元素的事实而应该予以推翻。2023/2/6 它标志着人们对物质结构的认识进入了一个新的层次，经典物理学理论正遭受着巨大的冲击。面对这样一些事实，有些科学家显现出认识上的

7、混乱，他们说：“原子非物质化了，物质消失了”，否认物质存在的客观性，导出了唯心主义的结论。他们还把物理学的这些新发现看成是“原理的普遍毁灭”，这就是所谓的“物理学危机”。X射线、放射性和电子的发现，拉开了物理学革命的序幕，是科学史上的决定性事件，因此被人们誉为“19世纪物理学的三大发现”。第一节第一节 19世纪末物理学的三大发现世纪末物理学的三大发现第二节第二节 相对论物理学相对论物理学一、一、绝对时空观和以太之谜绝对时空观和以太之谜 1 1、牛顿的绝对时空观、牛顿的绝对时空观2023/2/6 “绝对的空间，就其本性而言，是与外界无关而永远是相同的和不动的。”“绝对的、真正的和数学的时间自身在

8、流逝着，而且由于其本性而在均匀地、与任何其他外界事物无关地流逝着，它又可以名之为延续性。”牛顿的绝对时空观夸大了时空的绝对性，割裂了时空与物质及其运动的关系。2 2、以太之迷、以太之迷2023/2/6 “以太之谜”是人们在研究光传播媒介时所发现的问题。按照经典物理学的理论，没有媒介振动就不能变成波动。让人不解的是，光和其它形式的电磁波在真空中也是能够传播的。人们设想“以太”是一个迷漫于宇宙空间且无所不在的理想参考系，电磁波就是以它为介质来传递的。但是，是否真的存在“以太”？如果存在“以太”的话，我们怎样证实它的存在？18761887年间，美国物理学家迈克尔逊和化学家莫雷设计了一个非常精致的实验

9、，来寻找“以太”存在的证据。第二节第二节 相对论物理学相对论物理学一、一、绝对时空观和以太之谜绝对时空观和以太之谜假设太空中弥漫着“以太”，当地球运动时就应该有一个相对于“以太”的速度。在地球上发出的不同方向上的光束，由于受到地球相对于“以太”速度的影响，其合速度应该是不一样的。这项实验就是为了测量不同方向上的光速差值，这个差值人们称之为“以太漂移”。实验的结果是否定性的，人们观测不到“以太漂移”，这就是所谓的“以太之谜”。迈克尔逊，美（1852-1931）迈克尔逊-莫雷实验装置该实验没有找到“以太”，反而证明了光速与参照系无关。人们开始提出疑问：解释光的运动是否真的需要“以太”假设？人们对空

10、间、运动的认识是否存在问题？第二节第二节 相对论物理学相对论物理学一、一、绝对时空观和以太之谜绝对时空观和以太之谜 2 2、以太之迷、以太之迷二、狭义相对论的诞生二、狭义相对论的诞生如果一个人以光速跟着光线一起跑，那将看到一幅什么样的世界图景呢?“对于在一个参考系的观测者来说是同时发生的事件，对在另一个参考系的观测者不见得是同时的。”爱因斯坦，美（1879-1955）爱因斯坦和两个年轻朋友组成“奥林比亚科学院”第二节第二节 相对论物理学相对论物理学1905年6月，爱因斯坦发表了论动体的电动力学论文，宣告了狭义相对论的诞生，文中提出了狭义相对论的两条基本原理。第一条：相对性原理。即物理规律在任何

11、惯性参照系中都一样，不存在一种特殊的惯性系（顿定律适用的参照系）；第二条：光速不变原理。即对任何惯性系，真空中的光速c皆相同。2023/2/6 狭义相对论的基本观点：空间和时间并不是互不相干的，而是存在着本质的联系；空间和时间都同物质的运动变化有关，并随物质运动的速度变化而变化；对于不同的惯性系，时间与空间的量度不可能是相同的。狭义相对论还得出了一些新的推论：（1）一个物体相对于观察者静止时，它的长度测量值最大。（2）一只时钟相对于观察者静止时，它走得最快。（3）在任何惯性系中，物体的运动速度都不能超越光速。（4）如果物体运动速度比光速小很多，相对论力学就还原为牛顿力学。第二节第二节 相对论物

12、理学相对论物理学二、狭义相对论的诞生二、狭义相对论的诞生三、广义相对论的建立三、广义相对论的建立狭义相对论所讨论的问题是以惯性系为前提的，但爱因斯坦认为，相对性原理是普遍存在的，它不仅适用于惯性系，而且也适用于非惯性系。爱因斯坦研究广义相对论，经历了一条比建立狭义相对论更漫长，也更艰难的探索道路。从1907年到1916年的九年时间，他的思想发展过程可划分为三个阶段：从1907年冬到1912年春的4年多时间里，他确立了广义相对论的两个基本原理；从l912年夏到19l5年夏解决了广义相对论的数学表述；1915年完成了普遍协变的引力场方程。广义相对论以惯性质量和引力质量相等的事实为依据，提出了两个基

13、本原理等效原理和广义原理，并指出：惯性系与非惯性系可以等效地用来描述物理定律。其基本观点认为：物质存在的现实空间不是平坦的，而是弯曲的；空间弯曲的程度（曲率）取决于物质的质量及其分布状况；空间曲率体现为引力场的强度。第二节第二节 相对论物理学相对论物理学迄今为止，广义相对论的应用主要是在宇观领域，即宇宙学和天体物理学方面。2023/2/6 在广义相对论建立之初，爱因斯坦提出三项实验检验。一是水星近日点的进动，二是光线在引力场中的弯曲，三是光谱线的引力红移。水星近日点的进动光线在引力场中弯曲第二节第二节 相对论物理学相对论物理学三、广义相对论的建立三、广义相对论的建立用天文学观测检验广义相对论的

14、事例还有许多。例如：有关宇宙膨胀的哈勃定律、黑洞的发现、中子星的发现、微波背景辐射的发现等等。通过各种实验检验，广义相对论越来越令人信服。但我们仍然不能说它是惟一的正确理论。2023/2/6 爱因斯坦正在讲解广义相对论第二节第二节 相对论物理学相对论物理学三、广义相对论的建立三、广义相对论的建立第三节第三节 量子力学与物质结构理论量子力学与物质结构理论一、一、普朗克能量子假说普朗克能量子假说 二十世纪初物理学上的另一大成就是量子论的产生和在此基础上建立起来的量子力学。而量子论的产生则是从研究黑体辐射性质开始的。2023/2/6所谓黑体，是指能全部吸收外来电磁辐射而毫无反射和透射的理想物体，它也

15、被称为“绝对黑体”。黑体的模拟1896年，德国物理学家维恩建立了一个关于黑体辐射能量按波长分布的“维恩公式”。该公式在波长较短、温度较低时才与实验结果相符，在长波内完全不适用。1900至1905年，英国物理学家瑞利和金斯也推算出一个“瑞利一金斯”公式。该公式在波长较长、温度较高时都与实验事实相符，但在短波范围内与实验结果完全不符。由于“瑞利一金斯”公式是在短波（紫外光）区出现问题的，因此人们便称之为“紫外灾难”，它就是经典物理学上空两朵乌云中的另一朵。2023/2/6德国物理学家普朗克经过认真研究，于1900年建立了一个在短波区域近似于维恩公式，而在长波区域近似于瑞利一金斯公式的普遍公式。第三

16、节第三节 量子力学与物质结构理论量子力学与物质结构理论一、一、普朗克能量子假说普朗克能量子假说能量子假说：物体在发射辐射和吸收辐射时，能量是不连续变化的，这种分立变化不是随意的，它有最小的能量单元，该单元称“能量子”或“量子”。2023/2/61900年12月14日，普朗克向德国物理学会报告了关于正常光谱的能量分布定律的理论的论文，提出了能量子假说，标志着20世纪物理学又一种崭新的思想观念诞生了。普朗克，德（1858-1947）及能量子假说第三节第三节 量子力学与物质结构理论量子力学与物质结构理论一、一、普朗克能量子假说普朗克能量子假说二、爱因斯坦光量子论二、爱因斯坦光量子论爱因斯坦从普朗克的

17、思想中得到启发，但他又对普朗克把能量不连续性仅局限于辐射的发射和吸收过程感到不满足。爱因斯坦认为，能量的不连续性可以推广至辐射的空间传播过程。也就是说，光在传播时，能量不连续地分布于空间，它由分立的能量子组成。这种能量子称为“光量子”，对于频率为的辐射，它的一个光量子的能量就是hv。1909年他又进一步指出，光不仅具有粒子性，而且具有波动性，即光具有波粒二象性。光量子理论在解释过去用经典物理学理论难于解释的光电效应规律时，获得了巨大的成功。所谓光电效应就是某些金属被光照射后放出电子的现象。1902年，德国物理学家勒纳德从实验中总结出了光电效应的规律：当照射光的频率高于一定值时，才能有电子逸出表

18、面；逸出电子的能量随光的频率增加而增加，与光的强度无关；光的强度只决定单位时间内被打出的电子数目。第三节第三节 量子力学与物质结构理论量子力学与物质结构理论三、玻尔模型与物质结构理论三、玻尔模型与物质结构理论1 1、玻尔原子结构模型、玻尔原子结构模型19世纪末20世纪初，由于元素的放射性和电子的发现，促使人们去研究原子的内部结构。当时出现了不少原子结构模型，如1903年，汤姆孙提出了第一个原子模型。汤姆孙，英（1824-1907）原子模型第三节第三节 量子力学与物质结构理论量子力学与物质结构理论1911年2月卢瑟福发表了和粒子物理散射效应和原子结构一文，正式提出了原子的有核模型。2023/2/

19、6卢瑟福，新西兰（1871-1937）原子模型第三节第三节 量子力学与物质结构理论量子力学与物质结构理论1 1、玻尔原子结构模型、玻尔原子结构模型三、玻尔模型与物质结构理论三、玻尔模型与物质结构理论1913年，在卢瑟福实验室工作的丹麦物理学家玻尔根据一系列实验事实，巧妙地将有核模型与普朗克的能量子假说结合起来，提出了量子化的原子模型。2023/2/6尼玻尔，丹麦（1885-1962）原子模型第三节第三节 量子力学与物质结构理论量子力学与物质结构理论三、玻尔模型与物质结构理论三、玻尔模型与物质结构理论 电子只能在一些特定的圆轨道上绕核运行，处在这些特定轨道上时是一种稳定的分立状态，因此并不发射能

20、量，只有当它从一个较高能量的轨道上跃迁到一个较低能量的轨道时才发出辐射能，反之则吸收辐射能。而发出和吸收辐射的能量等于两个稳定态之间的能量差，即E=hv。1 1、玻尔原子结构模型、玻尔原子结构模型玻尔理论是否正确？这主要看他的计算结果与实验的比较。光谱实验，从光谱的分离特征，证明了原子内部量子态的存在。在1914年，弗兰克和赫兹进行了电子轰击原子的实验，证明了原子内部的能量确是量子化的。它的不足之处在于保留了经典粒子的观念，仍然把电子的运动看做经典力学描述下的轨道运动。2023/2/6第三节第三节 量子力学与物质结构理论量子力学与物质结构理论三、玻尔模型与物质结构理论三、玻尔模型与物质结构理论

21、1 1、玻尔原子结构模型、玻尔原子结构模型1927年索尔瓦会议参加者2 2、物质结构理论、物质结构理论1919年，卢瑟福和他的助手用镭放射出来的粒子轰击氮原子核，结果发现，氮原子俘获了粒子后变成氧原子，并且产生了一种新的射程很长的、质量比粒子更小、带一份正电荷的粒子。研究表明，这种粒子就是氢的原子核，人们称它为质子，并且有人猜想，原子核就是由带正电的质子组成。人们又发现，除了氢元素之外，所有元素原子核中的电荷数并不等于它们的质量，如氮的原子核质量是氢的4倍，可是只带有2份正电荷。有人提出，原子核是由质子和电子组成的，电子中和了一部分质子的电荷，使剩下的正电荷正好与核外电子数相等。假如原子核由质

22、子和电子组成，那么，我们无法解释原子核的自旋现象。原子有结构，原子核有没有结构呢？第三节第三节 量子力学与物质结构理论量子力学与物质结构理论三、玻尔模型与物质结构理论三、玻尔模型与物质结构理论2 2、物质结构理论、物质结构理论1920年，卢瑟福大胆地推测，原子核内还可能存在着一种质量与质子相同的中性粒子称为中子。1932年，他的学生查德威克把居里夫妇的实验结果和卢瑟福的中子假说联系起来，并进行了反复实验，终于发现了中子。同年海森伯和苏联物理学家伊凡宁科通过实验进一步证明，中子也是原子核的组成部分，确认了原子核是由中子和质子组成的。第三节第三节 量子力学与物质结构理论量子力学与物质结构理论三、玻

23、尔模型与物质结构理论三、玻尔模型与物质结构理论查德威克，英（1891-1974）四、量子力学的建立四、量子力学的建立19231924年间，法国物理学家德布罗意受爱因斯坦光量子论的启发，大胆地提出了一个假说：电子一类公认的粒子物质也将呈现出波动性，即实物粒子也具有波动性，并且预言电子束在穿过小孔时会象光波一样产生衍射现象，后来人们就将粒子的波动性称德布罗意波。1927年，美国物理学家戴维孙等人通过实验证实了德布罗意的预言。德布罗意，法（1892-1987）第三节第三节 量子力学与物质结构理论量子力学与物质结构理论1926年，奥地利物理学家薛定谔在德布罗意波理论的基础上，建立了描述微观粒子的波动力

24、学方程，称薛定谔方程。薛定谔方程的建立，奠定了量子力学的理论基础。同年，德国物理家玻恩对波函数作出了统计解释，并指出其物理意义。薛定谔，奥（1887-1961）第三节第三节 量子力学与物质结构理论量子力学与物质结构理论四、量子力学的建立四、量子力学的建立1925年，德国物理学家海森伯沿着另一条途径，也为量子力学的创立作出了奠基性的工作。海森伯建立了量子论的矩阵力学体系，后经英国物理学家狄拉克对矩阵力学的数学形式作了改进，使其成为一个更加系统和严密的理论。1926年，薛定谔和狄拉克证明了波动力学和矩阵力学二者的等价性，两种理论实际上是一种理论的两种不同形式的表述，接着他们又通过数学方法将这两种表

25、述方式统一起来，建立起完整的理论体系，统称为量子力学。海森伯，德（1901-1976）狄拉克，英（19021984）第三节第三节 量子力学与物质结构理论量子力学与物质结构理论四、量子力学的建立四、量子力学的建立量子力学虽然建立起来了，但关于它的物理解释却众说纷纭，莫衷一是。波动方程中的所谓波究竟是什么？薛定谔本人认为，它就是一种物质波。玻恩则认为，波函数表征的是电子这种粒子在某时某地出现的几率。1927年，海森伯提出了微观领域里的测不准关系，即任何一个粒子的位置和动量不可能同时准确的测量，要准确的测量一个，另一个就完全测不准。玻尔敏锐地意识到它正表征了经典概念的局限性，因此以此为基础提出了“互

26、补原理”。爱因斯坦认为统计性的量子力学是不完备的，而互补原理是一种“绥靖哲学”。玻尔在讲互补原理 爱因斯坦和玻尔在沉思第三节第三节 量子力学与物质结构理论量子力学与物质结构理论四、量子力学的建立四、量子力学的建立五、核反应研究与基本粒子的不断发现五、核反应研究与基本粒子的不断发现1 1、核反应研究、核反应研究1919年，卢瑟福用粒子轰击氮的实验是人类历史上第一次用人工的方法实现了核反应。1934年1月，居里夫妇用粒子轰击铝，得到了自然界中所没有的新放射性元素磷，它接着放出正电子进行衰变，变为稳定元素硅。1934年，意大利物理学家费米领导的研究小组利用中子不带电更容易进入原子核的特点，按照元素周

27、期表上的顺序，从氢开始对63种元素的原子核逐一用中子作为炮弹去轰击，总共获得了37种放射性同位素。1938年12月，德国化学家哈恩和奥地利物理学家迈特纳提出假设：铀的原子核受到中子轰击后，就会分裂成差不多相等的两个部分。1939年1月，玻尔在得知这一假设后前往美国参加理论物理讨论会时，向与会者宣布了这一消息，整个会场沸腾起来，促使更多的人投入研究工作。第三节第三节 量子力学与物质结构理论量子力学与物质结构理论费米，意（1901-1954）哈恩，德（1879-1968）1942年，致力于核裂变链式反应研究的费米，领导建立了世界上第一个原子核反应堆，标志着人类利用核能时代的开始。第三节第三节 量子

28、力学与物质结构理论量子力学与物质结构理论五、核反应研究与基本粒子的不断发现五、核反应研究与基本粒子的不断发现1 1、核反应研究、核反应研究1945年07月，美国制成第一颗原子弹。1952年11月，美国成功试爆氢弹。1964年10月，我国第一颗原子弹试爆成功。1967年06月，我国第一颗氢弹试爆成功。原子弹爆炸蘑菇云图 氢弹爆炸蘑菇云图第三节第三节 量子力学与物质结构理论量子力学与物质结构理论五、核反应研究与基本粒子的不断发现五、核反应研究与基本粒子的不断发现1 1、核反应研究、核反应研究钱三强，中（1913-1992）邓稼先，中（1924-1986）第三节第三节 量子力学与物质结构理论量子力学

29、与物质结构理论五、核反应研究与基本粒子的不断发现五、核反应研究与基本粒子的不断发现1 1、核反应研究、核反应研究1954年，苏联首先建成第一座原子能发电站。1956和1957年美国和英国也相继建成核电站。1991年，我国自行设计、建成装机容量30万千瓦的秦山核电一期工程。秦山核电站 反应堆第三节第三节 量子力学与物质结构理论量子力学与物质结构理论五、核反应研究与基本粒子的不断发现五、核反应研究与基本粒子的不断发现1 1、核反应研究、核反应研究2 2、基本粒子的不断发现、基本粒子的不断发现电子、质子和中子的发现，使人们对物质结构的认识大大深化，由于它们都是比原子核更小的下一个层次的物质单元，因此

30、被称为“基本粒子”。“基本”只是相对而言，人们又接二连三地发现了其他“基本粒子”。根据作用力的特点，人们将已发现的基本粒子分为强子、轻子和传播子三大类。1964年，美国物理学家盖尔曼提出了“夸克模型”。夸克等基本粒子的不断发现，使人类认识微观世界的尺度分别缩小到原来的十亿分之一（相对于原子）和一万分之一（相对于原子核），进入了更深的层次。随着科学技术的发展，人类对物质结构的认识将不断深化，永远不会穷尽。第三节第三节 量子力学与物质结构理论量子力学与物质结构理论五、核反应研究与基本粒子的不断发现五、核反应研究与基本粒子的不断发现1964年，英国物理学家彼得希格斯（P.W.Higgs）发表了一篇学

31、术理论文章，提出一种粒子场的存在，预言一种能吸引其他粒子进而产生质量的玻色子的存在。2012年7月2日，美国能源部下属的费米国家加速器实验室宣布，该实验室最新数据接近证明被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子的存在。希格斯，英（1929）希格斯玻色子第三节第三节 量子力学与物质结构理论量子力学与物质结构理论五、核反应研究与基本粒子的不断发现五、核反应研究与基本粒子的不断发现2 2、基本粒子的不断发现、基本粒子的不断发现1968年Gabriele Veneziano（加布里埃莱韦内齐亚诺）发现弦理论的雏形，弦理论是理论物理学上的一门学说。弦理论的一个基本观点：自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的粒子。弦理论是现在最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用力统一起来的理论。弦理论第三节第三节 量子力学与物质结构理论量子力学与物质结构理论五、核反应研究与基本粒子的不断发现五、核反应研究与基本粒子的不断发现2 2、基本粒子的不断发现、基本粒子的不断发现