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1、世纪之交科学家眼中的物理学世纪之交科学家眼中的物理学19191919世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上汤姆森（一堂。会上汤姆森（一堂。会上汤姆森（一堂。会上汤姆森（W.Thomson,1824-W.Thomson,1824-W.Thomson,1824-W.Thomson,1824-1907190719071907）发表新年祝词。）发表新年祝词。）发表新年祝词。）发表新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物他在回顾物理学所取得的伟
2、大成就时说，物他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。1现代物理学革命世纪之交科学家眼中的物理学世纪之交科学家眼中的物理学 开尔文的世纪回顾：开尔文的世纪回顾：开尔文的世纪回顾：开尔文的世纪回顾：1900190019001900年年年年4 4 4 4月月月月27272727日开尔文（日开尔文（日开尔文（日开尔文（Lord KelvinLord KelvinLord KelvinLord Kelvin）在皇家研）在皇家研）在皇家研）在皇家研究所（究
3、所（究所（究所（RIRIRIRI）发表了）发表了）发表了）发表了在热和光动力理论上空的在热和光动力理论上空的在热和光动力理论上空的在热和光动力理论上空的19191919世纪乌云世纪乌云世纪乌云世纪乌云的演讲。的演讲。的演讲。的演讲。其中说道其中说道其中说道其中说道“动力学理论断言，热和光都是运动的方式。在展望动力学理论断言，热和光都是运动的方式。在展望动力学理论断言，热和光都是运动的方式。在展望动力学理论断言，热和光都是运动的方式。在展望20202020世纪世纪世纪世纪物理学前景时，开尔文若有所思地讲道：动力理论肯定了热和光是运物理学前景时，开尔文若有所思地讲道：动力理论肯定了热和光是运物理学
4、前景时，开尔文若有所思地讲道：动力理论肯定了热和光是运物理学前景时，开尔文若有所思地讲道：动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，动的两种方式，但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，动的两种方式，但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，动的两种方式，但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了显得黯然失色了显得黯然失色了显得黯然失色了第一朵乌云出现在光的波动理论上，第二朵乌云第一朵乌云出现在光的波动理论上，第二朵乌云第一朵乌云出现在光的波动理论上，第二朵乌云第一朵乌云出现在光的波动理论上，第二朵乌云出现在关于能量
5、均分的麦克斯韦出现在关于能量均分的麦克斯韦出现在关于能量均分的麦克斯韦出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。玻尔兹曼理论上。玻尔兹曼理论上。玻尔兹曼理论上。正是这正是这正是这正是这“两朵乌云两朵乌云两朵乌云两朵乌云”和和和和“三大实验发现三大实验发现三大实验发现三大实验发现”引起了引起了引起了引起了“物理学革命物理学革命物理学革命物理学革命”。2现代物理学革命第一节第一节 1919、2020世纪之交物理学三大发现世纪之交物理学三大发现 vX射线的发现射线的发现 v放射性的发现放射性的发现 v电子的发现电子的发现3现代物理学革命现代物理学革命的开始v18951895年，物理学已经有了相当
6、的发展，几个主要部门年，物理学已经有了相当的发展，几个主要部门-牛牛顿力学、热力学和分子运动论、电磁学和光学，都已经建顿力学、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。是在细节上作些补充和修正而已，没有太多的事好做了。vX X射线的发现唤醒了沉睡的物理学界。它像一声春雷，引发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
7、的注意力引向更深入、更广阔了一系列重大发现，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。的天地，从而揭开了现代物理学革命的序幕。4现代物理学革命关于阴极射线本性的争论关于阴极射线本性的争论1.X1.X1.X1.X射线的发现起源于对阴极射线的研究，射线的发现起源于对阴极射线的研究，射线的发现起源于对阴极射线的研究，射线的发现起源于对阴极射线的研究，1856185618561856年德国盖斯勒年德国盖斯勒年德国盖斯勒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；放电管的发明为研究真空放电现象提供了实验手段；放电管的发明为研究真空放电现象提供了实验手段；放电管
8、的发明为研究真空放电现象提供了实验手段；1859185918591859年德国普吕克发现了放电管阴极发出的绿色辉光，年德国普吕克发现了放电管阴极发出的绿色辉光，年德国普吕克发现了放电管阴极发出的绿色辉光，年德国普吕克发现了放电管阴极发出的绿色辉光，1876187618761876年年年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，德国戈尔茨坦指出绿色辉光是由阴极的某种射线引起的，德国戈尔茨坦指出绿色辉光是由阴极的某种射线引起的，德国戈尔茨坦指出绿色辉光是由阴极的某种射线引起的，命名为命名为命名为命名为“阴极射线阴极射线阴极射线阴极射线”。2.2.2.2.围绕阴极射线的本性究竟是光波还是粒
9、子，德国和英国科围绕阴极射线的本性究竟是光波还是粒子，德国和英国科围绕阴极射线的本性究竟是光波还是粒子，德国和英国科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。学家展开了争论，最终导致了物理学的三大实验发现。学家展开了争论，最终导致了物理学的三大实验发现。学家展开了争论，最终导致了物理学的三大实验发现。5现代物理学革命一、一、X X射线的发现射线的发现1895189518951895年年年年11111111月月月月10101010日，德国物理学家伦琴（日，德国物理学家伦琴（日，德国物理学家伦琴（日，德国物理学家伦琴（RontgenRontg
10、enRontgenRontgen，1854-19231854-19231854-19231854-1923）在做阴极射线实验时，偶然发现）在做阴极射线实验时，偶然发现）在做阴极射线实验时，偶然发现）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了一种新的辐射，它能轻易穿透一些如纸张之了一种新的辐射，它能轻易穿透一些如纸张之了一种新的辐射，它能轻易穿透一些如纸张之类不透明的物质。伦琴把它叫做类不透明的物质。伦琴把它叫做类不透明的物质。伦琴把它叫做类不透明的物质。伦琴把它叫做X X X X射线射线射线射线。6现代物理学革命偶然性？偶然性？X X X X射线的发现过程在物理学史
11、上是一个必然性通射线的发现过程在物理学史上是一个必然性通射线的发现过程在物理学史上是一个必然性通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。过偶然性开辟道路的典型例证。过偶然性开辟道路的典型例证。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，但在伦琴之前，英国克鲁克斯等人曾遇见过它，但在伦琴之前，英国克鲁克斯等人曾遇见过它，但在伦琴之前，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。均因疏忽而与重大发现擦肩而过。均因疏忽而与重大发现擦肩而过。均因疏忽而与重大发现擦肩而过。伦琴因发现伦琴因发现伦琴因发现伦琴因发现X X X X射线荣获射
12、线荣获射线荣获射线荣获1901190119011901年的首次颁发的诺贝年的首次颁发的诺贝年的首次颁发的诺贝年的首次颁发的诺贝尔物理学奖。尔物理学奖。尔物理学奖。尔物理学奖。7现代物理学革命二、放射性的发现二、放射性的发现伦琴发现的伦琴发现的伦琴发现的伦琴发现的X X X X射线引起法国物理学家贝克勒尔射线引起法国物理学家贝克勒尔射线引起法国物理学家贝克勒尔射线引起法国物理学家贝克勒尔（A.H.Becquerel,1852-1908A.H.Becquerel,1852-1908A.H.Becquerel,1852-1908A.H.Becquerel,1852-1908）的兴趣。）的兴趣。）的兴
13、趣。）的兴趣。因为伦琴是通过荧光材料所发出的荧光而发现因为伦琴是通过荧光材料所发出的荧光而发现因为伦琴是通过荧光材料所发出的荧光而发现因为伦琴是通过荧光材料所发出的荧光而发现X X X X射射射射线的，所以贝克勒尔想知道是否有荧光材料放出线的，所以贝克勒尔想知道是否有荧光材料放出线的，所以贝克勒尔想知道是否有荧光材料放出线的，所以贝克勒尔想知道是否有荧光材料放出X X X X射线。射线。射线。射线。8现代物理学革命太阳光下实验太阳光下实验1896189618961896年年年年2 2 2 2月，贝克勒尔把感光片包在黑纸里放到太阳月，贝克勒尔把感光片包在黑纸里放到太阳月，贝克勒尔把感光片包在黑纸
14、里放到太阳月，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。下，再把荧光物质的晶体压在上面。下，再把荧光物质的晶体压在上面。下，再把荧光物质的晶体压在上面。他的设想是：他的设想是：他的设想是：他的设想是：太阳光照射晶体产生荧光，如果荧光中太阳光照射晶体产生荧光，如果荧光中太阳光照射晶体产生荧光，如果荧光中太阳光照射晶体产生荧光，如果荧光中有有有有X X X X射线，那么它就能穿透黑纸使底片暴光。射线，那么它就能穿透黑纸使底片暴光。射线，那么它就能穿透黑纸使底片暴光。射线，那么它就能穿透黑纸使底片暴光。结果：结果：结果：结果：底片冲洗后，上面有了阴影。这证明有放射线底片冲洗后
15、，上面有了阴影。这证明有放射线底片冲洗后，上面有了阴影。这证明有放射线底片冲洗后，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穿透了黑纸，贝克勒尔断定荧光确实放出穿透了黑纸，贝克勒尔断定荧光确实放出穿透了黑纸，贝克勒尔断定荧光确实放出X X X X射线。射线。射线。射线。9现代物理学革命阴天的实验阴天的实验贝克勒尔只好把包好的底片放进抽屉，上面还是贝克勒尔只好把包好的底片放进抽屉，上面还是贝克勒尔只好把包好的底片放进抽屉，上面还是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。压着那块荧光物质的晶体。压着那块荧光物质的晶体。压着那块荧光物质的晶体。结果：底
16、片上有很多的阴影。显然，这阴影与太结果：底片上有很多的阴影。显然，这阴影与太结果：底片上有很多的阴影。显然，这阴影与太结果：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。阳无关、与荧光无关，而与晶体本身有关。阳无关、与荧光无关，而与晶体本身有关。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贝克勒尔用的晶体是一种铀的化合物贝克勒尔用的晶体是一种铀的化合物贝克勒尔用的晶体是一种铀的化合物硫酸双硫酸双硫酸双硫酸双氧铀钾，这样他便发现了铀能自发辐射出能量。氧铀钾，这样他便发现了铀能自发辐射出能量。氧铀钾，这样他便发现了铀能自发辐射出能量。氧铀钾，这
17、样他便发现了铀能自发辐射出能量。居里夫人在居里夫人在居里夫人在居里夫人在18981898年把这种现象命名为放射性。年把这种现象命名为放射性。年把这种现象命名为放射性。年把这种现象命名为放射性。10现代物理学革命X X X X射线和铀的放射性激发了居里夫人（射线和铀的放射性激发了居里夫人（射线和铀的放射性激发了居里夫人（射线和铀的放射性激发了居里夫人（Marie Marie Marie Marie CurieCurieCurieCurie，1867-19341867-19341867-19341867-1934）对放射线的研究兴趣。）对放射线的研究兴趣。）对放射线的研究兴趣。）对放射线的研究兴趣
18、。居里夫人首先证实了贝克勒尔关于铀盐辐射的强居里夫人首先证实了贝克勒尔关于铀盐辐射的强居里夫人首先证实了贝克勒尔关于铀盐辐射的强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，但她不满度与化合物中铀的含量成正比的结论，但她不满度与化合物中铀的含量成正比的结论，但她不满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足于局限在铀盐，决定对已知的各种元素进行普足于局限在铀盐，决定对已知的各种元素进行普足于局限在铀盐，决定对已知的各种元素进行普查。查。查。查。11现代物理学革命钋和镭的发现钋和镭的发现1898189818981898年年
19、年年7 7 7 7月居里夫妇从铀矿中分离出放射性比铀强月居里夫妇从铀矿中分离出放射性比铀强月居里夫妇从铀矿中分离出放射性比铀强月居里夫妇从铀矿中分离出放射性比铀强数百倍的物质。向巴黎科学院提交数百倍的物质。向巴黎科学院提交数百倍的物质。向巴黎科学院提交数百倍的物质。向巴黎科学院提交“论沥青铀矿中论沥青铀矿中论沥青铀矿中论沥青铀矿中的一种新物质的一种新物质的一种新物质的一种新物质”，命名为命名为命名为命名为“钋钋钋钋”PoloniumPoloniumPoloniumPolonium（Poland)Poland)Poland)Poland)1898189818981898年年年年12121212月
20、居里夫妇检测出了放射性更强的物质，月居里夫妇检测出了放射性更强的物质，月居里夫妇检测出了放射性更强的物质，月居里夫妇检测出了放射性更强的物质，并把它命名为镭。并把它命名为镭。并把它命名为镭。并把它命名为镭。1902190219021902年他们经过了无数次的结年他们经过了无数次的结年他们经过了无数次的结年他们经过了无数次的结晶处理，终于成功地制出晶处理，终于成功地制出晶处理，终于成功地制出晶处理，终于成功地制出0.10.10.10.1克的克的克的克的镭镭镭镭。12现代物理学革命因对放射线的研究，因对放射线的研究，因对放射线的研究，因对放射线的研究，1903190319031903年居里夫人和她
21、的丈年居里夫人和她的丈年居里夫人和她的丈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；夫、贝克勒尔分享了该年度的诺贝尔物理学奖；夫、贝克勒尔分享了该年度的诺贝尔物理学奖；夫、贝克勒尔分享了该年度的诺贝尔物理学奖；1911191119111911年她又因发现两种新元素而获得诺贝尔化年她又因发现两种新元素而获得诺贝尔化年她又因发现两种新元素而获得诺贝尔化年她又因发现两种新元素而获得诺贝尔化学奖。学奖。学奖。学奖。13现代物理学革命放射性物质发现的重要意义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？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？二是查清物质放出
22、射线以后变成了什么？14现代物理学革命放射性物质发现的重要意义放射性物质发现的重要意义18981898年，卢瑟福年，卢瑟福(E.Rutherford)(E.Rutherford)通过吸收实验证明铀辐射穿通过吸收实验证明铀辐射穿透力弱的称为透力弱的称为射线，穿透力强的称为射线，穿透力强的称为射线。射线。18991899年，贝克勒尔证实年，贝克勒尔证实射线能被磁场偏转，其行为与阴极射线能被磁场偏转，其行为与阴极射线相似。射线相似。19001900年，法国化学家维拉德年，法国化学家维拉德(P.Villard)(P.Villard)发现在铀辐射中还有发现在铀辐射中还有另一种成分，穿透力更强，称为另一种
23、成分，穿透力更强，称为射线。射线。从从19021902年起，卢瑟福和索第年起，卢瑟福和索第(F(FSoddy)Soddy)等人研究。射线和放等人研究。射线和放射性物质的规律，终于导致射性物质的规律，终于导致原子核嬗变规律和原子核的发现原子核嬗变规律和原子核的发现。15现代物理学革命三、电子的发现三、电子的发现v阴极射线：大的波动还是带电粒子流？vJ.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 16现代物理学革命JJ汤姆生把联到静电计的电荷接受器(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
24、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。直接测阴极射线携带的电荷17现代物理学革命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的瞬间，射束轻微摆动。这是由于残余气体分子在电场的作用下发生了电离，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。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
25、且减小极间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。电压，终于获得了稳定的静电偏转。18现代物理学革命用不同方法测阴极射线的荷质比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。JJ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。19现代物理学革命汤姆生还用不同的阴极和不同的气体做实验，所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得荷质比数量级相同，证明各种条件下的粒
26、子流都是相同的，不因电极材料和气体成分而异。都是相同的，不因电极材料和气体成分而异。ThomsonThomson被认为是电子的发现者，并因此获得被认为是电子的发现者，并因此获得19061906年诺贝尔物理学奖。此后他的七个助手先后都获年诺贝尔物理学奖。此后他的七个助手先后都获得过诺贝尔奖。得过诺贝尔奖。证明电子存在的普遍性证明电子存在的普遍性20现代物理学革命三大实验发现诱发了经典物理学危机三大实验发现诱发了经典物理学危机v三大实验发现打开了经典物理学的缺口三大实验发现打开了经典物理学的缺口三大实验发现打开了经典物理学的缺口三大实验发现打开了经典物理学的缺口原来认为原子是不可分割的最小质点现在
27、从原子里发现了原来认为原子是不可分割的最小质点现在从原子里发现了原来认为原子是不可分割的最小质点现在从原子里发现了原来认为原子是不可分割的最小质点现在从原子里发现了电子、电子、电子、电子、X X X X射线和射线和射线和射线和射线；射线；射线；射线；原来认为元素是固定不变的，但放射现象表明一种元素可原来认为元素是固定不变的，但放射现象表明一种元素可原来认为元素是固定不变的，但放射现象表明一种元素可原来认为元素是固定不变的，但放射现象表明一种元素可蜕变为另一种元素；蜕变为另一种元素；蜕变为另一种元素；蜕变为另一种元素；原来认为物质的质量与运动无关，现今电子的质量随运动原来认为物质的质量与运动无关
28、，现今电子的质量随运动原来认为物质的质量与运动无关，现今电子的质量随运动原来认为物质的质量与运动无关，现今电子的质量随运动速度变化而变化，质量似乎不守恒了；速度变化而变化，质量似乎不守恒了；速度变化而变化，质量似乎不守恒了；速度变化而变化，质量似乎不守恒了；21现代物理学革命三大实验发现诱发了经典物理学危机三大实验发现诱发了经典物理学危机v三大实验发现打开了经典物理学的缺口三大实验发现打开了经典物理学的缺口三大实验发现打开了经典物理学的缺口三大实验发现打开了经典物理学的缺口原来认为能量守恒只存在于机械能、热能和电能相互转化原来认为能量守恒只存在于机械能、热能和电能相互转化原来认为能量守恒只存在
29、于机械能、热能和电能相互转化原来认为能量守恒只存在于机械能、热能和电能相互转化之中，现在一块静止的放射物质本身就是热源，即便没有之中，现在一块静止的放射物质本身就是热源，即便没有之中，现在一块静止的放射物质本身就是热源，即便没有之中，现在一块静止的放射物质本身就是热源，即便没有外力作用，能量也源源不断地向外界释放，能量好像也不外力作用，能量也源源不断地向外界释放，能量好像也不外力作用，能量也源源不断地向外界释放，能量好像也不外力作用，能量也源源不断地向外界释放，能量好像也不守恒了；守恒了；守恒了；守恒了；原来认为质量和能量不搭界，现在放射性物质因能量不断原来认为质量和能量不搭界，现在放射性物质
30、因能量不断原来认为质量和能量不搭界，现在放射性物质因能量不断原来认为质量和能量不搭界，现在放射性物质因能量不断释放，质量也不断减小。释放，质量也不断减小。释放，质量也不断减小。释放，质量也不断减小。22现代物理学革命v三大实验发现猛烈地冲击着牛顿力学的物质质三大实验发现猛烈地冲击着牛顿力学的物质质三大实验发现猛烈地冲击着牛顿力学的物质质三大实验发现猛烈地冲击着牛顿力学的物质质量、能量、动量等基本概念，经典物理学中质量、能量、动量等基本概念，经典物理学中质量、能量、动量等基本概念，经典物理学中质量、能量、动量等基本概念，经典物理学中质量守恒、能量守恒、运动定律等基本定律也面量守恒、能量守恒、运动
31、定律等基本定律也面量守恒、能量守恒、运动定律等基本定律也面量守恒、能量守恒、运动定律等基本定律也面临严峻考验。临严峻考验。临严峻考验。临严峻考验。v面对物理学危机，一些抱残守缺的物理学家悲面对物理学危机，一些抱残守缺的物理学家悲面对物理学危机，一些抱残守缺的物理学家悲面对物理学危机，一些抱残守缺的物理学家悲观失望，唯心主义趁虚而入。观失望，唯心主义趁虚而入。观失望，唯心主义趁虚而入。观失望，唯心主义趁虚而入。三大实验发现诱发了经典物理学危机三大实验发现诱发了经典物理学危机23现代物理学革命第二节第二节 量子物理学的研究量子物理学的研究量子理论（扎扎实实的科学作风）量子理论（扎扎实实的科学作风）
32、量子力学（现代高科技的基石之一）量子力学（现代高科技的基石之一）24现代物理学革命原子模型原子模型汤姆逊原子模型汤姆逊原子模型 正正电荷背景电子（正电电荷背景电子（正电荷背景（正电荷均匀分荷背景（正电荷均匀分布），电子镶嵌）布），电子镶嵌）卢瑟福原子模型卢瑟福原子模型 （行星（行星模型或核式模型）模型或核式模型）一、原子模型与量子理论一、原子模型与量子理论25现代物理学革命原子模型原子模型玻尔原子模型玻尔原子模型(玻尔假说玻尔假说)：原子核外电子各自在原子核外电子各自在固定轨道上绕核转动，固定轨道上绕核转动，且无电磁辐射；当电子且无电磁辐射；当电子从一轨道跃迁到另一轨从一轨道跃迁到另一轨道时，
33、放出（或吸出）道时，放出（或吸出）能量为的光子能量为的光子,其中其中为光子频率。为光子频率。h=6.6310-34焦耳秒 普朗克常数26现代物理学革命二、量子论的发展过程二、量子论的发展过程 普朗克黑体辐射假说：普朗克黑体辐射假说：电磁辐射的能量交换是量电磁辐射的能量交换是量子化的，即子化的，即 ，n=1n=1，2 2，3 3，光电效应光电效应（爱因斯坦,1905年）：光是由无静止质光是由无静止质量的微粒（光子）组成的。量的微粒（光子）组成的。德布罗意波粒二象性假说德布罗意波粒二象性假说：任何微观粒子既是一任何微观粒子既是一种粒子，又是一种波动。种粒子，又是一种波动。27现代物理学革命（一）量
34、子论的初期 1、普朗克能量子假说19001900年普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难，年普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难，引入了引入了能量子概念能量子概念，为量子理论奠下了基石。，为量子理论奠下了基石。“紫外灾难紫外灾难”：科学家们致力于建立辐射强度与光波长之间科学家们致力于建立辐射强度与光波长之间的函数关系。但在长波区和实验结果符合，而当波长接近紫的函数关系。但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，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
35、不是随意的，它有最小的能量单元，该单元称这种分离变化不是随意的，它有最小的能量单元，该单元称为能量子或者量子。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。整数倍。28现代物理学革命2、爱因斯坦光量子论、爱因斯坦光量子论爱因斯坦针对爱因斯坦针对光电效应实验光电效应实验与经典理论的矛盾，提出了光量与经典理论的矛盾，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。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爱因斯坦认为，能量的
36、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。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。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。19091909年他进一步指出光不仅具有粒子性而且具有波动性，即年他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。光具有波粒二象性。29现代物理学革命3、玻尔的原子理论玻尔的原子理论 19131913年，玻尔在卢瑟福有核模型的基础上运用量子年，玻尔在卢瑟福有核模型的基础上运用
37、量子化概念，提出化概念，提出玻尔的原子理论玻尔的原子理论，对氢光谱作出了满，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、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。气，却遇到了严重困难。旧量子论陷入困境。30现代物理学革命（二）量子论的建立 19231923年，德布罗意提出了物质波假说，将年，德布罗意提出了物质波假说，将波粒二象性波粒二象性运运用于电子之类的粒子束，把量子论发展到一个新的高度。用于电子之类的粒子束，把量子论发展到一个新的高度。192
38、51925年年-1926-1926年薛定谔率先沿着物质波概念成功地确立了年薛定谔率先沿着物质波概念成功地确立了电子的波动方程，为量子理论找到了一个基本公式，并电子的波动方程，为量子理论找到了一个基本公式，并由此创建了由此创建了波动力学波动力学。几乎与薛定谔同时，海森伯写出了以几乎与薛定谔同时，海森伯写出了以“关于运动学和力关于运动学和力学关系的量子论的重新解释学关系的量子论的重新解释”为题的论文，创立了解决为题的论文，创立了解决量子波动理论的矩阵方法。量子波动理论的矩阵方法。31现代物理学革命德布罗意于德布罗意于19241924年提出，微年提出，微观粒子也具有波动性，根据观粒子也具有波动性，根
39、据光波与光子之间的关系，把光波与光子之间的关系，把微观粒子的粒子性质（能量微观粒子的粒子性质（能量E E和动量和动量p p）与波动性质（频）与波动性质（频率率和波长和波长）用所谓德布）用所谓德布罗意关系联系起来了，即罗意关系联系起来了，即 E=E=hh，p=p=h/h/。波粒二象性波粒二象性32现代物理学革命（二）量子论的建立 19251925年年9 9月，玻恩与另一位物理学家约丹合作，将海森伯月，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，狄拉克改的思想发展成为系统的矩阵力学理论。不久，狄拉克改进了进了矩阵力学矩阵力学的数学形式，使其成为一个概念完整、逻的数
40、学形式，使其成为一个概念完整、逻辑自洽的理论体系。辑自洽的理论体系。19261926年薛定谔发现波动力学和矩阵力学从数学上是完全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。于比海森伯的矩阵更易理解，成为量子力学的基本方程。33现代物理学革命三、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：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，原子分子原子结构，元素周期律，分子结构，化学反应，原子分子光谱，激光，超导，晶体管，
41、介观纳米物理，原子激光光谱，激光，超导，晶体管，介观纳米物理，原子激光.34现代物理学革命四、量子理论的科学思想四、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。物理学、核物理学和粒子物理学奠定了理论基础。它能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性它能很好地解释原子结构、原子光谱的规律
42、性、化学元素的性质、光的吸收与辐射等。质、光的吸收与辐射等。35现代物理学革命四、量子理论的科学思想四、量子理论的科学思想扎扎实实的科学作风，扎实基础，扎扎实实的科学作风，扎实基础，厚积广积，切莫急功近利厚积广积，切莫急功近利 ！科学研究有其自身的规律：科学研究有其自身的规律：先基础先基础，后突破后突破，成就以基础为前成就以基础为前提提，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。的
43、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：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，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。用事实证实了观点，客观、扬弃和创新。36现代物理学革命第三节第三节 相对论与时空观相对论与时空观Albert Einstein in 1916 37现代物理学革命1、伽利略相对性原理、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速直线运动的速度。一、狭义相对论一、狭义相对论38现代物理学革
44、命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。39现代物理学革命狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 光速不变：光速不变：光在光在不同介质中的传不同介质中的传播速度是可以不播速度是可以不一样的一样的 相对性：相对性：所有的物理所有的物理规律在不同的惯性参规律在不同的惯性参照系中是一样的照系中是一样的 40现代物理学革命3、相对论时空观同时的相对性运动的
45、钟变慢运动的长度缩短 41现代物理学革命同时的相对性同时的相对性 时间延缓时间延缓 4、狭义相对论的主要推论、狭义相对论的主要推论 42现代物理学革命4、狭义相对论主要推论相对论质量在任何惯性系中，物体的运动速度不能超越光速。光速是物质运动的极限速度。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。质能关系m=g m0 粒子的总能量为：E=mc2粒子的静止能量为：E0=m0c243现代物理学革命质能关系 在化学反应中，例如氢与氧结合生成水，水的质量等于在化学反应中，例如氢与氧结合生成水，水的质量等于参加反应的氢和氧的质量之和。在反应中放出的热量，参加反应的氢和氧的质量之和。在反应中放
46、出的热量，被认为是氢和氧原子中储存的化学能，在整个反应过程被认为是氢和氧原子中储存的化学能，在整个反应过程中，能量和质量分别守恒。中，能量和质量分别守恒。爱因斯坦要使物体运动定律既满足相对性原理，又要求爱因斯坦要使物体运动定律既满足相对性原理，又要求低速下与牛顿定律一致，得到了一个令人意外的结果低速下与牛顿定律一致，得到了一个令人意外的结果。44现代物理学革命二、广义相对论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。它实质上是一种引力理论，认为万有引力的产生由于物质的存在和一定的分布状况使时间和空间的性质变得不均（即
47、时空弯曲）所致。45现代物理学革命1、广义相对论的基本原理 等效原理等效原理非惯性系与一个引力场等效。非惯性系与一个引力场等效。（引力场对物体的引力作用和物体的加速运动（引力场对物体的引力作用和物体的加速运动是等效的。是等效的。）广义相对论原理广义相对论原理自然法则自然法则（物理学基本规（物理学基本规律）在所有的参考系中都是相同的。律）在所有的参考系中都是相同的。46现代物理学革命2、广义相对论的主要结论、广义相对论的主要结论47现代物理学革命3 3、广义相对论的验证、广义相对论的验证48现代物理学革命4、相对论的实际应用、相对论的实际应用 全球定位系统（全球定位系统（GPSGPS）：）：GP
48、S卫星星座、地面监控系统和用户设备。49现代物理学革命4、相对论的实际应用、相对论的实际应用北京时间北京时间20032003年年5 5月月2525日零时日零时3434分，我国在西昌卫星发射分，我国在西昌卫星发射中心用中心用“长征三号甲长征三号甲”运载火箭，成功地将第三颗运载火箭，成功地将第三颗“北斗北斗一号一号”导航定位卫星送入太空。导航定位卫星送入太空。欧盟于年提出了旨在建立全球卫星定位导航系统欧盟于年提出了旨在建立全球卫星定位导航系统的的“伽利略伽利略”计划。该系统由颗运行卫星和颗预备计划。该系统由颗运行卫星和颗预备卫星组成，可以覆盖全球，预计将在年投入使用。卫星组成，可以覆盖全球，预计将
49、在年投入使用。“伽利略伽利略”计划的投资总额估计高达亿欧元。计划的投资总额估计高达亿欧元。50现代物理学革命三、相对论的时空观三、相对论的时空观 牛顿的绝对时空观认为时间和空间是绝对的、均匀的，牛顿的绝对时空观认为时间和空间是绝对的、均匀的，相互独立的。相互独立的。根据相对论根据相对论,时间和空间是相对的。即在不同的参照系时间和空间是相对的。即在不同的参照系时间是不同的，物体的形状，质量等都是不同的。时间是不同的，物体的形状，质量等都是不同的。“横看成岭侧成峰，远近高低各不同。横看成岭侧成峰，远近高低各不同。”（苏轼（苏轼题题西林壁西林壁）51现代物理学革命三、相对论的时空观三、相对论的时空观
50、 时间与空间不仅是相对的、相互关联的。时间与空间不仅是相对的、相互关联的。而且与物质存在有关，与观察者的运动状态有关而且与物质存在有关，与观察者的运动状态有关一个参照系中的所有钟都校准了，即相互同步的，一个参照系中的所有钟都校准了，即相互同步的，在另一参照系看这些不同地点的钟都不同步了。在另一参照系看这些不同地点的钟都不同步了。52现代物理学革命四、相对论四、相对论:演绎法的典范演绎法的典范 从一般到特殊的逻辑过程。从一般到特殊的逻辑过程。从一般的原理推知某个从属于该类事物的特殊事物的新知。从一般的原理推知某个从属于该类事物的特殊事物的新知。相对论的基本原理相对论的基本原理是从更高层次的基本理