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1、第三部分第三部分 现代自然科学现代自然科学物理学革命及现代科学的产生物理学革命及现代科学的产生 (19 (19世纪末世纪末2020世纪初世纪初)n 19世纪理论科学的巅峰状态及其隐含的危机以物理学最为典型，牛顿力学无比强大的理论威力，光学、电磁学、力学的统一使物理学显示出一种形式上的完整，被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽庙堂”。当时许多物理学家认为：物理学的大厦已经落成，人类对自然界的认识已经到了尽头。以致普朗克的老师曾劝他说“年轻人，物理学是一门已经完成了的科学，不会再有多大的发展了，将一生献给这门学科，太可惜了。”如果说如果说19 19世纪是科学的世纪的话，世纪是科学的世纪的
2、话，2020世纪则被称作是科学革命的世纪！世纪则被称作是科学革命的世纪！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n19世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上英国著名物理学家开尔文发表新年祝词。n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。n但在展望20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动 的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空 却被两朵乌云笼罩了，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 均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。物理学革命物理学革命n19世纪末，物理学
3、界连续发生了三个重大事件，这就是X射线、放射性和电子的发现。n“物理学危机”正是这“两朵乌云”和“三大实验发现”引起了“物理学革命”。现代科学的产生现代科学的产生n物理学晴朗天空的物理学晴朗天空的“两朵乌云两朵乌云”以及以及1919世纪末物理学的世纪末物理学的三大实验发现三大实验发现把物把物理学由经典阶段推进到现代阶段。理学由经典阶段推进到现代阶段。n“以太漂移以太漂移”的零结果、的零结果、“紫外灾难紫外灾难”nX X射线、放射性、电子的发现射线、放射性、电子的发现 n相对论相对论和和量子力学量子力学构成现代物理学的构成现代物理学的两大理论支柱。两大理论支柱。两朵乌云两朵乌云n以太漂移以太漂移
4、：以太被称为一种介质，按照当时科学界的说法，人们可以由光速在不同方向的差异，判定一个惯性系相对于静止以太的运动状态，并确定以太的存在。实验却明白无误地表明，光速是完全不变的（“以太漂移以太漂移”的零结果的零结果）。n紫外灾难紫外灾难：黑体是物理学中为了研究物体吸收和辐射规律而构造的一种理想模型，能百分之百吸收辐射到它上面的电磁波，同样温度下，它所发出的热辐射也比其它任何物体都强。德国维恩和英国瑞利得到相反的公式、结果而无法解释（黑黑体辐射实验体辐射实验）。1919世纪末物理学的三大发现世纪末物理学的三大发现n1895年年,伦琴发现伦琴发现X射线射线.(伦琴,W.C.Rontgen,1845-1
5、923,德国物理学家,1901年获首届诺贝尔物理学奖)n1896年年,贝克勒尔发现放射性贝克勒尔发现放射性.(贝克勒尔,H.A.Becquerel,1852-1908,法国物理学家,1903年同居里夫妇 一起 获诺贝尔物理学奖.)n1897年年,汤姆生发现电子汤姆生发现电子.(J.J.Thomson,1856-1940,英国物理学家,1906年获诺贝尔物理奖.)关于阴极射线本性的争论关于阴极射线本性的争论1.1.X 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，18561856年年德国盖斯勒德国盖斯勒放电管的发明放电管的发明为研究真空放电现象提为研究真空放电现象提供了实
6、验手段；供了实验手段；18591859年德国普吕克发现了年德国普吕克发现了放电管放电管阴极阴极发出的绿色辉光，发出的绿色辉光，18761876年德国戈尔茨坦指出年德国戈尔茨坦指出绿色辉光是绿色辉光是由阴极的某种射线由阴极的某种射线引起的，命名为引起的，命名为“阴极射线阴极射线”。2.2.围绕阴极射线的本性究竟是光波还是粒子围绕阴极射线的本性究竟是光波还是粒子，德，德国和英国科学家展开了争论，最终导致了物理学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。的三大实验发现。1.X1.X射线的发现射线的发现n1895年年11月月10日日，德德国国物物理理学学家家伦伦琴琴伦伦琴琴（1854-
7、1923）在在做做阴阴极极射射线线实实验验时时，偶偶然然发发现现了了一一种种新新的的辐辐射射，它它能能轻轻易易穿穿透透一一些些如如纸纸张张之之类类不不透透明明的的物物质质。伦伦琴琴把把它它叫叫做做X射线射线。神秘的神秘的X X射线射线伦琴伦琴19011901年诺贝尔物年诺贝尔物年诺贝尔物年诺贝尔物理学奖理学奖理学奖理学奖 XX射线的发现射线的发现射线的发现射线的发现偶然性？偶然性？nX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。n真正的科学发现必须是在受控实验中获得，能够普遍重复并不断接受检验，运用
8、实验家的技巧和理论家的头脑将一个偶然现象变成真正的科学发现。n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。2.2.放射性的发现放射性的发现n伦伦琴琴发发现现的的X射射线线引引起起法法国国物物理理 学学 家家 贝贝 克克 勒勒 尔尔（1852-1908）的兴趣。）的兴趣。n因因为为伦伦琴琴是是通通过过荧荧光光材材料料所所发发出出的的荧荧光光而而发发现现X射射线线的的，所所以以贝贝克克勒勒尔尔想想知知道道是是否否所所有有荧荧光材料都能放出光材料都能放出X射线。射线。太阳光下太阳光下1.1896年年2月，贝克勒尔把感光片包在黑纸里放到太月，贝克勒尔把感光片包在黑纸里放到太阳下，再把荧光
9、物质的晶体压在上面。阳下，再把荧光物质的晶体压在上面。2.他的设想是：太阳光照射晶体产生荧光，如果荧光他的设想是：太阳光照射晶体产生荧光，如果荧光中有中有X射线，那么它就能穿透黑纸使底片曝光。射线，那么它就能穿透黑纸使底片曝光。3.果然，底片冲洗出来后，上面有了阴影。这证明有果然，底片冲洗出来后，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放射线穿透了黑纸，贝克勒尔断定荧光确实放出X射线。射线。阴天阴天1.接着数日阴天，无法到太阳底下做实验。接着数日阴天，无法到太阳底下做实验。2.贝克勒尔只好把包好的底片放进抽屉，上面还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
10、物质的晶体。是压着那块荧光物质的晶体。3.由于接连几天没有太阳，无所事事之下，贝克由于接连几天没有太阳，无所事事之下，贝克勒尔决定把抽屉里的底片先洗出来看看，也许晶勒尔决定把抽屉里的底片先洗出来看看，也许晶体里残存的荧光能使底片出现微弱的阴影。体里残存的荧光能使底片出现微弱的阴影。放射性放射性1.结果大出所料，底片上有很多的阴影。结果大出所料，底片上有很多的阴影。2.显然，这阴影与太阳无关、与荧光无关，而与显然，这阴影与太阳无关、与荧光无关，而与晶体本身有关。晶体本身有关。3.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硫酸双氧铀钾，这样他便发现了双氧铀钾，这样他便发现
11、了铀铀能自发辐射出能能自发辐射出能量。量。居里夫人在居里夫人在1898年把这种现象命名为放射年把这种现象命名为放射性。性。居里夫人居里夫人n居居里里夫夫人人（1867-1934）生生于于波波兰兰，法法国国科科学学家家。X射射线线和和铀铀的的放放射射性性激激发发了了她她对对放放射射线线的的研研究兴趣。究兴趣。n在在对对铀铀矿矿物物放放射射性性的的研研究究中中，她她发发现现某某些些铀铀矿矿物物的的放放射射性性特特别别强强，并并断断定定这这额额外外的的放放射射性性是是由由未未知知的放射性元素造成的。的放射性元素造成的。n为为了了寻寻找找这这种种未未知知元元素素，她她的的丈丈夫夫居居里里（1859-1
12、906）也也加加入入到了她的工作中来。到了她的工作中来。钋和镭钋和镭1.1898年年7月居里夫妇从铀矿中分离出一小点新月居里夫妇从铀矿中分离出一小点新元素的粉末，这种新元素被命名为元素的粉末，这种新元素被命名为钋钋，放射性，放射性比铀强数百倍，但还不足于说明一些铀矿石强比铀强数百倍，但还不足于说明一些铀矿石强烈的放射现象。烈的放射现象。2.1898年年12月居里夫妇检测出了放射性更强的月居里夫妇检测出了放射性更强的物质，并把它命名为物质，并把它命名为镭镭。1902年他们经过了年他们经过了无数次的结晶处理，用了三年零九个月，终于无数次的结晶处理，用了三年零九个月，终于成功地从成功地从8吨废沥青中
13、提炼出吨废沥青中提炼出0.1克镭。克镭。用于发现镭与钋的沥青铀矿样品用于发现镭与钋的沥青铀矿样品居里夫妇宣称存在镭元素的论文手稿居里夫妇宣称存在镭元素的论文手稿 1898 1898年年1212月月 宣布一种放射性比铀元素强百万倍宣布一种放射性比铀元素强百万倍的新元素，命名为的新元素，命名为“镭镭”1898年年7月月向巴黎科学院提交向巴黎科学院提交“论沥青铀矿中的论沥青铀矿中的一种新物质一种新物质”命名为命名为“钋钋”Polonium（Poland)居里夫人博士论文封面，居里夫人博士论文封面，19031903年年 19031903年的居里夫人年的居里夫人两个诺贝尔奖两个诺贝尔奖n19031903
14、年居里夫人因对放年居里夫人因对放射线的研究与贝克勒尔射线的研究与贝克勒尔和她的丈夫分享了该年和她的丈夫分享了该年度的诺贝尔物理学奖；度的诺贝尔物理学奖；n19111911年她又因发现两种年她又因发现两种新元素而获得诺贝尔化新元素而获得诺贝尔化学奖。学奖。n两次获诺贝尔奖，仅仅两次获诺贝尔奖，仅仅为了不影响普通的教学为了不影响普通的教学工作，她没有出席颁奖工作，她没有出席颁奖仪式。仪式。居里夫妇在居里夫妇在19031903年获得的诺贝尔奖证书年获得的诺贝尔奖证书n她是巴黎大学第一位女教授，是她是巴黎大学第一位女教授，是法国科学院第一位女院士，同时法国科学院第一位女院士，同时还被其他还被其他15个
15、国家聘为科学院院个国家聘为科学院院士。她共接受过士。她共接受过7个国家个国家24次奖金次奖金和奖章，担任了和奖章，担任了25个国家的个国家的104个个荣誉职位。荣誉职位。n1934年年7月月4日，这位伟大的科学日，这位伟大的科学家家因长年研究放射性物质，患血因长年研究放射性物质，患血液疾病液疾病与世长辞了，与世长辞了，根据遗愿，根据遗愿，她的葬礼只有家人和几位朋友参她的葬礼只有家人和几位朋友参加。加。爱因斯坦在悼念她时说：爱因斯坦在悼念她时说：“她一生中最伟大的科学功绩证明放射性元素证明放射性元素的存在，并把它们分离出的存在，并把它们分离出来来所以能取得，不仅是靠着大胆的直觉，而且也靠着在难以
16、想象的极端困难情况下工作的热忱和顽强。这样的困难，在实验科学的历史中是罕见的。”“在所有的著名人物里面，玛丽居里是唯一没有被盛名宠坏的人！”爱因斯坦爱因斯坦我一直沉醉于世界的优美之中，我所热爱的科学也不断增加它崭新的远景。我认定科学本身就具有伟大的美。一位从事研究工作的科学家，不仅是一个技术人员，而且是一个小孩儿，在大自然的景色中，好像迷醉于神话故事一般，迷醉于大自然的景色。这种科学的魅力，就是使我终生能够在实验室里埋头工作的主要原因。居里夫人居里夫人放射性物质发现的重要意义放射性物质发现的重要意义给科学家提出了新的课题给科学家提出了新的课题一是要判明放出的射线是什一是要判明放出的射线是什么？
17、么？二是查清物质放出射线以后二是查清物质放出射线以后变成了什么？变成了什么？1899年卢瑟福等人通过实验年卢瑟福等人通过实验发现，天然放射线是由带正发现，天然放射线是由带正电的射线电的射线和带负电的射线和带负电的射线组成的。组成的。发现发现发现发现 和和和和 射线的实验射线的实验射线的实验射线的实验3.3.电子的发现电子的发现 英国物理学家英国物理学家汤姆生汤姆生（1856-19401856-1940）在）在18971897证实证实阴极射线阴极射线在电场中偏转，从而断定阴极射线是一种带在电场中偏转，从而断定阴极射线是一种带电粒子。他进而测定了阴极射线粒子的荷质比，发现电粒子。他进而测定了阴极射
18、线粒子的荷质比，发现这种粒子的质量只有氢原子质量的一个很小的分数值这种粒子的质量只有氢原子质量的一个很小的分数值（现在值为（现在值为1/18371/1837）。）。3.3.电子的发现电子的发现1.1.汤姆生就这样打破汤姆生就这样打破 了了原子不可再分原子不可再分的的 传统观念，打开了传统观念，打开了 亚原子的大门。亚原子的大门。2.2.后来洛伦兹把这种阴极射线粒子叫做后来洛伦兹把这种阴极射线粒子叫做电子电子。3.3.汤姆生汤姆生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。年诺贝尔物理学奖。4.4.汤姆生还是一位卓越的教师和科研事业领导人，汤
19、姆生还是一位卓越的教师和科研事业领导人，此后他的七个助手先后都获得过诺贝尔奖。此后他的七个助手先后都获得过诺贝尔奖。电磁波谱电磁波谱无线电波无线电波红外线红外线可见光可见光紫外线紫外线 X射线射线 射线射线无线电波无线电波：波长1mm （微波微波：波长1m1mm）红外线红外线：400m760nm 可见光可见光：700400nm 紫外光紫外光：3804nm X X射线射线：波长101埃(1埃是0.001纳米)射线射线：波长0.2埃 n无线电波无线电波是振荡电路中自由电子的周期性运动产生的n红外线、可见光、紫外线红外线、可见光、紫外线是原子的外层电子受到激发后产生的；nX射线射线是原子的内层电子受
20、到激发后产生的；n射线射线是原子核受到激发后产生的。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 1.三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第一，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、X射线和射线；第二，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；第三，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；第四，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；第五
21、，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。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 1.三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2.三大实验发现猛烈地冲击着三大实验发现猛烈地冲击着牛顿力学牛顿力学的物质质量的物质质量、能量、动量等、能量、动量等基本概念基本概念，经典物理学经典物理学中质量中质量守恒、能量守恒、运动定律等守恒、能量守恒、运动定律等基本定律也面临基本定律也面临严峻考验严峻考验。面对物理学危机，一些抱残守缺的。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。物理学家悲观失望，唯心主义
22、趁虚而入。经典物理学的危机经典物理学的危机n 以牛顿力学为代表的经典物理学无法解释19世纪末以来的物理学新发现，如：微观世界，原子，宇宙放射线，高速光学元素的放射性、电子运动、黑体辐射、光电效应等，看来经典物理学的绝对时空观已经不合时宜。n 这种状况随着20世纪以来科学研究的不断深入而日益显现，如神秘的“以太”一直不能被证明是存在的、高速运动的微观粒子发生的现象非经典力学所能解释等。物理学只有来一番彻底的革命，才能适应科学研究的新形势。在这种背景下，相对论与量子论应运而生。相对于牛顿的经典物理学相对于牛顿的经典物理学(力学力学)而言的而言的;量子论量子论和和相对论相对论是现代物理学的两大支柱是
23、现代物理学的两大支柱;两大理论的提出者分别是：两大理论的提出者分别是：n德国理论物理学家德国理论物理学家普朗克普朗克n美籍德国科学家美籍德国科学家爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦和量子理论的创始人普朗克爱因斯坦和量子理论的创始人普朗克 普朗克普朗克生于基尔。1879年普朗克在慕尼黑大学获得博士学位后，先后在慕尼黑大学和基尔大学任教。1900年12月14日提出量子概念。由于量子论创立，普朗克获得1918年诺贝尔物理学奖。他的父亲是一位杰出的法律教授。普朗克是德国人所具有的最好品质的范例：诚恳、忠于职守，他的业余爱好是音乐，在这方面表现了专业艺术才干；另一项业余爱好是他一直坚持到晚年的登山运动。普朗克普朗
24、克42岁2121岁的岁的爱因斯坦爱因斯坦大学毕业，没人肯留下他在校做理论或实验方面工作，前途黯淡15岁的玻尔玻尔正在哥本哈根的中学里读书13岁的薛定谔薛定谔在维也纳的一所著名的高级中学上学波恩进入了布雷斯劳大学，疯狂喜欢上了天文德布罗意德布罗意当时8岁，对历史有浓厚兴趣而再过12个月，小海森堡小海森堡呱呱坠地1900，德国物理学家普朗克分析维恩、瑞利矛盾的两个公式，拼出新公式，提出“能量子假说”，他认为，物质的辐射能不是连续的，而是以最小的、不可再分的能量单位即能量子的整数倍跳跃式地变化的。1905，爱因斯坦为解释赫兹光电效应（1887）；提出“光量子”概念，揭示光的波粒二象性。量子论的进一步
25、发展源于对原子结构问题的研究。1913，玻尔把量子论用于原子结构的研究，证实原子是由带正电的原子核和带负电的电子组成。在此基础上创立了原子的量子论。1924，德布罗意基于光的波粒二象性提出“物质波”假说，微观粒子的波粒二象性；两条途径完成量子力学理论的建立，德国物理学家海森伯及玻恩的矩阵力学和薛定谔波动力学，同一理论的两种数学表达。量子力学的建立量子力学的建立黑体：能全部吸收外来电磁波的物体。黑色物体或开一小孔的空心金属球近似于黑体。黑体辐射：加热时，黑体能辐射出各种波长电磁波的现象。经典理论与实验事实间的矛盾：经典电磁理论假定，黑体辐射是由黑体中带电粒子的振动发出的，按经典热力学和统计力学理
26、论，计算所得的黑体辐射能量随波长变化的分布曲线，与实验所得曲线明显不符。按经典理论只能得出能量随波长单调变化的曲线：n 瑞利把分子物理学中能量按自由度均分原则用到电磁辐射上，按其公式计算所得结果在长波处比较接近实验曲线。n 维恩假定辐射波长的分布与Maxwell分子速度分布类似，计算结果在短波处与实验较接近。经典理论无论如何也得不出这种有极大值的曲线。1.1.黑体辐射黑体辐射与能量量子化与能量量子化Wien（维恩）曲线能量波长实验曲线Rayleigh-Jeans（瑞利金斯）曲线黑体辐射能量分布曲线普朗克普朗克能量能量量子化假设量子化假设n1900年，Planck（普朗克）假定，黑体中原子或分子
27、辐射能量时作简谐振动，只能发射或吸收频率为,能量为h的整数倍的电磁能，即振动频率为的振子，发射的能量只能是0h，1h，2h，nh（n为整数）。nh称为Planck常数，h6.6261034JSn按Planck假定，算出的辐射能E与实验观测到的黑体辐射能非常吻合：n 能量量子化：黑体只能辐射频率为，数值为h的整数倍的不连不连续续的能量。2.2.光电效应与光的波粒二象性光电效应与光的波粒二象性光电效应：光照射在金属表面，使金属发射出电子的现象。金属光电子Ek00光电子动能与照射光频率的关系1900年前后，许多实验已证实：n 照射光频率须超过某个最小频率0，金属才能发射出光电子；n 增加照射光强度，
28、不能增加光电子的动能，只能使光电子的数目增加；n 光电子动能随照射光频率的增加而增加。经典理论不能解释光电效应：经典理论认为，光波的能量与其强度成正比，而与频率无关；只要光强足够，任何频率的光都应产生光电效应；光电子的动能随光强增加而增加，与光的频率无关。这些推论与实验事实正好相反。Einstein光子学说光子学说 1905年，Einstein在Planck能量量子化的启发下，提出光子说：光是一束光子流，每一种频率的光其能量都有一个最小单位，称为光子，光子的能量与其频率成正比：h光子不但有能量，还有质量（m），但光子的静止质量为零。根据相对论的质能联系定律mc2，光子的质量为：mh/c2，不同
29、频率的光子具有不同的质量。光子具有一定的动量：pmch/ch/(c）光的强度取决于单位体积内光子的数目（光子密度）。产生光电效应时的能量守恒：hwEkh0+mv2/2 （脱出功：电子逸出金属所需的最低能量，wh0）用Einstein光子说，可圆满解释光电效应：当hw时，0，光子没有足够能量使电子逸出金属，不发生光电效应；当hw时，0，这时的频率就是产生光电效应的临阈频率（0）；当hw时，0，逸出金属的电子具有一定动能，Ekhh0，动能与频 率呈直线关系，与光强无关。光的波粒二象性光的波粒二象性n只有把光看成是由光子组成的光束，才能理解光电效应；而只有把光看成波，才能解释衍射和干涉现象。即，光表
30、现出波粒二象性。n波动模型是连续的，光子模型是量子化的，波和粒表面上看是互不相容的，却通过Planck常数h，将代表波性的概念和与代表粒性的概念和p联系在了一起，将光的波粒二象性统一起来：=h，ph/道尔顿模型(1803)汤姆生“西瓜式”模型(1904)卢瑟福核式模型 (1911年)玻尔电子分层排布模型(1913年)量子力学模型(1926年)原子结构模型演变图原子结构模型演变图 道尔顿模型(1803)坚硬实心球模型 原子都是不能再分的微粒；同种元素的原子的各种性质和质量都相同；原子是微小的实心球体。原子结构模型演变图原子结构模型演变图 汤姆生“西瓜式”模型(1904)原子是一个带正电荷的球，电
31、子镶嵌在里面。电子是平均的分布在整个原子上的，负电荷与正电荷相互抵消。在受到激发时，电子会离开原子，产生阴极射线。原子结构模型演变图原子结构模型演变图 卢瑟福行星模型 (1911年)原子的大部分体积是空的 在原子的中心有一个很小的原子核 原子的全部正电荷在原子核内，且几乎全部质量均集中在原子核内部。带负电的电子在核空间进行绕核运动。原子结构模型演变图原子结构模型演变图 玻尔电子分层排布模型1913年 原子中的电子在具有确定半径的圆周 轨道上绕原子核运动，不辐射能量。在不同轨道上运动的电子具有不同的能量，且能量是量子化的。当且仅当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，才会辐射或吸收能量。原子结构模型
32、演变图原子结构模型演变图 量子力学模型(1926年)现代模型（电子云模型）电子绕核运动形成一个带负电荷的云团。对于具有波粒二象性的微观粒子在一个确定时刻其空间坐标与动量不能同时测准。原子结构模型演变图原子结构模型演变图量子论量子论n量子论和相对论是现代物理学的两大支柱，量子论和相对论是现代物理学的两大支柱，量子论的形成标志着人类对于客观规律的认识，开量子论的形成标志着人类对于客观规律的认识，开始从始从宏观世界宏观世界深入到深入到微观世界微观世界。n量子力学和狭义相对论结合形成原子核物理量子力学和狭义相对论结合形成原子核物理学，指导制造原子弹、氢弹和建立核电站。量子力学，指导制造原子弹、氢弹和建
33、立核电站。量子力学还为电子技术、半导体技术和激光技术等奠定了学还为电子技术、半导体技术和激光技术等奠定了理论基础。理论基础。量子论量子论n普朗克曾经说过一句关于科学真理的真理，它可以叙述为普朗克曾经说过一句关于科学真理的真理，它可以叙述为:“一个新的科学真理取得胜利并不是通过让一个新的科学真理取得胜利并不是通过让它的反对者们信服并看到真理的光明，而是它的反对者们信服并看到真理的光明，而是通过这些反对者们最终死去，熟悉它的新一通过这些反对者们最终死去，熟悉它的新一代成长起来。代成长起来。”这一断言被称为普朗克科学定律，并广为流传。这一断言被称为普朗克科学定律，并广为流传。爱因斯坦小时候学校的照片
34、爱因斯坦小时候学校的照片 1879年3月14日出生在德国小城乌尔姆，他的父母都是犹太人。爱因斯坦有一个幸福的童年，他的父亲是位平静、温顺的好心人，爱好文学和数学。他的母亲个性较强，喜爱音乐，并影响了爱因斯坦，爱因斯坦从六岁起学小提琴，从此小提琴成为他的终生伴侣。爱因斯坦的父母对他有着良好的影响和家庭教育，家中弥漫着自由的精神和祥和的气氛。和牛顿一样，爱因斯坦年幼时也未显出智力超群，相反，到了四岁多还不会说话，家里人甚至担心他是个低能儿。六岁时他进入了国民学校，是一个十分沉静的孩子，喜欢玩一些需要耐心和坚韧的游戏，例如用纸片搭房子。1888年进入了中学后，学业也不突出，除了数学很好以外，其他功课
35、都不怎么样，尤其是拉丁文和希腊文，他对古典语言毫无兴趣。就是这样一位光彩夺目的人物，在整个中小学时代却常常被斥为“生性孤僻、智力迟钝”，“不守纪律、心不在焉、想入非非”。中学毕业前夕，校方甚至断言他未来将“一事无成”，勒令他退了学。16岁那年，他以同等学历报考大学，尽管物理数学成绩很好，但由于需要死记硬背的科目考砸了锅，只得名落孙山。第二年进入大学后，他仍然不愿意强迫自己去适应那种被动的、刻板的、纯粹按部就班的学习生活，他擅自“刷掉了”很多课程，只以“极大的兴趣”去听某些课和在家里自学。在四年大学生活中，他仍然不是“好学生”：曾因做实验出事故受到处分，还曾被物理教授认为不适宜学物理而应当改行。
36、大学毕业时几位同窗好友都留校当了助教，他却因得不到教授们的赏识而遭到了“毕业即失业”的命运。这种种亲身经历，使爱因斯坦对教育的总体印象一直不佳。正因为如此，成名后的爱因斯坦通过自身的体验和长期的观察，形成了一种与众不同的教育观点。“知识是死的，而学校却要为活人服务。”这是爱因斯坦对于学校教育的基本看法。他反对把学校仅仅看做是传授知识的工具，更反对把学生“当作死的工具来对待”。他认为：“学校的目的始终应当是：青年人在离开学校时，是作为一个和谐的人，而不是作为一个专家。”最后他在专利局里面找到一个职位，他每个星期要在专利局工作大概40多个小时。但尽管如此，1902年至1909年在专利局工作的7年是
37、爱因斯坦科学创造的辉煌时期，特别是1905年他取得的科学成就堪称人类智慧的奇迹，这一年他完成了6篇论文，为二十世纪物理学史做出了最辉煌的贡献。爱因斯坦与相对论爱因斯坦与相对论 关于光的性质，还有很多谜，直到现在也无法用科学解释。光是怎样产生的？在空间如何传播？光是什么，是物质、振动、还是纯能？颜色是否为光必不可少？对于这许许多多的问题，科学已经作出了部分解释，但归根结底，这些问题尚未解答。不过，20世纪初，在人们了解光、研究光的过程中，带来了物理学的两场革命，这就是相对论和量子论。为建立这两个理论体系，许多科学家都作出了重要贡献，他们都是一些杰出的物理学大师，其中最为突出的是年轻的爱因斯坦。他
38、对空间和时间这样一些基本概念作了本质上的变革,提出了相对论学说。这一理论上的根本性突破，开辟了物理学的新纪元。牛顿绝对时空观牛顿绝对时空观 牛顿绝对时空观：在牛顿力学中，认为空间距离和时间间隔是绝对的，与参考系无关。这种认为也称绝对时空观。它要求n时间是绝对的宇宙中各处存在的一个跟参考系的选择无关的、不受物质运动过程影响的、统一的普适时间，时间与空间没有任何联系；不论有无任何其他客体，绝对的、真实的时间永远无条件的、均匀地流逝着。n长度（或两个同时事件之间的距离）与参考系选择无关。爱因斯坦的科学成就爱因斯坦的科学成就1 1、提出相对论、提出相对论19051905年提出匀速运动体系的年提出匀速运
39、动体系的狭义相对论狭义相对论；19151915年年提出加速运动体系的提出加速运动体系的广义相对论广义相对论。主要内容：相对性原理和光速不变原理主要内容：相对性原理和光速不变原理2 2、光的量子论光的量子论（获得诺贝尔奖）（获得诺贝尔奖）3 3、提、提出了著名的质能关系式：出了著名的质能关系式：E=mcE=mc2 2，质能关系式对，质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用后来发展的原子能事业起到了指导作用 爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相相对论力学对论力学，指出质量随着速度的增加而增加，当速度，指出质量随着速度的增加而增加，当速度接近光速时
40、，质量趋于无穷大。接近光速时，质量趋于无穷大。1 1）相对论内容：）相对论内容：两个基本原理是两个基本原理是相对性原理相对性原理和和光速不变原理光速不变原理。在在相相对对性性原原理理中中，爱爱因因斯斯坦坦认认为为时时间间、运运动动、质质量量不不是是绝绝对对的的，而而是是相相对对的的。较较典典型型的的现现象象是是运运动动的的物物体体长长度度变变短短（尺尺缩缩效效应应）、运运动动的的钟钟比比静静止止的的钟钟走走得慢（得慢（钟慢效应钟慢效应）、运动的物体重量变大。）、运动的物体重量变大。光光速速不不变变原原理理则则认认为为光光的的传传播播速速度度在在任任何何条条件件下下都是不变的。都是不变的。2 2
41、）意义：）意义：扩展了物理学的研究空间和应用领域（从扩展了物理学的研究空间和应用领域（从日常范围到宏观宇宙空间）；开阔了人们的思维。日常范围到宏观宇宙空间）；开阔了人们的思维。爱因斯坦与相对论爱因斯坦与相对论 为了对这一深奥的理论做通俗的说明，为了对这一深奥的理论做通俗的说明，爱因斯坦曾经风趣地对一名男青年说：爱因斯坦曾经风趣地对一名男青年说：“我我打个比方，比如你屁股坐在火炉上烤和坐在打个比方，比如你屁股坐在火炉上烤和坐在公园柳荫下与女士谈情说爱，那么，同样的公园柳荫下与女士谈情说爱，那么，同样的时间你觉得哪一个更长？时间你觉得哪一个更长？”男青年说：男青年说：“当当然坐在火炉上烤的时间觉得
42、长久。然坐在火炉上烤的时间觉得长久。”这故事这故事形象说明了时间和空间相对性。形象说明了时间和空间相对性。爱因斯坦关于相对论的比喻爱因斯坦关于相对论的比喻n 1916年，爱因斯坦完成了长篇论文广义相对论的基础，在这篇文章中，爱因斯坦首先将以前适用于惯性系的相对论称为狭义相对论，并进一步表述了广义相对性原理：物理学的定律必须对于无论哪种方式运动着的参照系都成立。爱因斯坦预言，遥远的星光如果掠过太阳表面将会发生一点七秒的偏转。n“广义相对论”被以颇为壮观的形式证明：1919年，英国派出了两支远征队分赴两地观察日全食，经过认真的研究得出最后的结论是：星光在太阳附近的确发生了一点七秒的偏转。英国皇家学
43、会确认广义相对论的结论是正确的。会上，著名物理学家、皇家学会会长汤姆孙说：“这是自从牛顿时代以来所取得的关于万有引力理论的最重大的成果”，“爱因斯坦的相对论是人类思想最伟大的成果之一”。广义相对论广义相对论爱因斯坦指出物体爱因斯坦指出物体使周围空间、时间使周围空间、时间弯曲，在物体具有弯曲，在物体具有很大的相对质量很大的相对质量（例如一颗恒星）（例如一颗恒星）时，这种弯曲可使时，这种弯曲可使从它旁边经过的任从它旁边经过的任何其它事物，即使何其它事物，即使是光线，改变路径。是光线，改变路径。地球周围引力场和时空结构地球周围引力场和时空结构拖曳扭曲时的情景。科学家通过拖曳扭曲时的情景。科学家通过分
44、析两枚绕地球轨道的人造卫星分析两枚绕地球轨道的人造卫星1111年的运行轨迹，发现由于地球年的运行轨迹，发现由于地球旋转所造成的特异的空间结构，旋转所造成的特异的空间结构，使这些卫星大概每年出现大约使这些卫星大概每年出现大约2 2米的轨道偏离的现象。米的轨道偏离的现象。宇宙中黑洞旋转引起的时宇宙中黑洞旋转引起的时空扭曲效应，以及黑洞物空扭曲效应，以及黑洞物质猛烈喷发的情景。质猛烈喷发的情景。相对论贡献长期不被人所重视，以至于没有给他诺贝尔奖金，而光电效应是他第一次明确地指出光既是波动又是粒子的性质，这个得到了诺贝尔奖金委员会的认可，所以爱因斯坦得到诺贝尔奖金是光电效应，其中没有相对论。由于相对论
45、的观点与人们的日常经验不太一致，甚至有着尖锐的冲突，相对论从一开始就受到包括一些科学家在内的很多人的反对。1921年爱因斯坦获得了诺贝尔奖，当时不少德国的诺贝尔奖获得者威胁说，如果给相对论授奖，他们就要退回已获得的奖章，结果评选委员会只好让爱因斯坦作为光电效应理论的建立者得奖，相对论始终没有获得诺贝尔奖。但相对论在物理学上却非常合理且为实验所证实。爱因斯坦的诺贝尔奖爱因斯坦的诺贝尔奖爱因斯坦的其它贡献爱因斯坦的其它贡献1 1、和平的坚定捍卫者、和平的坚定捍卫者一战时一战时:发起成立反战团体发起成立反战团体“新祖国同盟新祖国同盟”二战时二战时:建议罗斯福抢在纳粹之前研制原子弹建议罗斯福抢在纳粹之
46、前研制原子弹 痛心原子弹爆炸引起的大量平民伤害痛心原子弹爆炸引起的大量平民伤害冷战时冷战时:发表了反核战的发表了反核战的罗素罗素-爱因斯坦宣言爱因斯坦宣言2 2、伟大的人格力量、伟大的人格力量平凡简朴的生活作风平凡简朴的生活作风谦逊善良纯朴的伟大人格谦逊善良纯朴的伟大人格不崇拜偶像、漠视奖励的做人准则不崇拜偶像、漠视奖励的做人准则 1939年8月2日，爱因斯坦出于对人类命运的极大关注，写信给罗斯福总统，建议美国务必抢在法西斯德国之前制造出原子弹；后来，当原子弹真的从潘多拉魔盒里跳出来后，爱因斯坦陷入了巨大的后悔与痛苦之中，自认一生最大错误就是建议研制原子弹。他痛心地说，“早知如此，我宁可当个修
47、表匠！”爱因斯坦针对核武器问题的懊悔，代表了人类良知的高度，是人类良心发出的最强音。听爱因斯坦的自责之声，我们明白了人类良知之宝贵！爱爱因因斯斯坦坦向向电电视视观观众众介介绍绍核核武武器器对对人人类类的的巨大危害。巨大危害。有高度社会责任感的爱因斯坦有高度社会责任感的爱因斯坦 在在2020世纪思世纪思想家的画廊中，想家的画廊中，爱因斯坦就是爱因斯坦就是公公正、善良、真理正、善良、真理的化身。他的品的化身。他的品格与天地日月相格与天地日月相辉映，他的科学辉映，他的科学贡献，人类将万贡献，人类将万世景仰。世景仰。爱因斯坦在普林斯顿的住所爱因斯坦在普林斯顿的住所爱因斯坦和夫人爱因斯坦和夫人 爱因斯坦
48、的逝世与葬礼：爱因斯坦的逝世与葬礼：19551955年年4 4月月1818日爱因斯坦病逝于普林斯顿。遵照他日爱因斯坦病逝于普林斯顿。遵照他的遗嘱，不发讣告，不举行公开葬礼，不建坟墓，不的遗嘱，不发讣告，不举行公开葬礼，不建坟墓，不立纪念碑。火化时按照他的书面遗嘱：免除所有花卉立纪念碑。火化时按照他的书面遗嘱：免除所有花卉布置以及所有音乐典礼。骨灰撒在永远对人保密的地布置以及所有音乐典礼。骨灰撒在永远对人保密的地方，为的是不使任何地方成为圣地。遗嘱执行者用歌方，为的是不使任何地方成为圣地。遗嘱执行者用歌德悼念席勒的诗结束了那朴素的葬礼：德悼念席勒的诗结束了那朴素的葬礼：我们全都获益不浅，我们全都
49、获益不浅，全世界都感谢他的教诲；全世界都感谢他的教诲；那专属他个人的东西，那专属他个人的东西，早已传遍广大人群。早已传遍广大人群。他像行将陨灭的彗星，他像行将陨灭的彗星，光华四射，光华四射，把无限的光芒同他的光芒永相连结。把无限的光芒同他的光芒永相连结。爱因斯坦宣誓加入爱因斯坦宣誓加入美国国籍美国国籍 2005 2005年是爱因斯坦逝世年是爱因斯坦逝世5050周年，同时也是他提出狭义周年，同时也是他提出狭义相对论相对论100100周年。周年。100100年前，年仅年前，年仅2626岁的毛头小伙爱因斯坦，岁的毛头小伙爱因斯坦，以他卓越的思考力、非凡的洞察力，提出了狭义相对论，以他卓越的思考力、非
50、凡的洞察力，提出了狭义相对论，传统经典物理学由此彻底改变。这一种颠覆是多么激动人传统经典物理学由此彻底改变。这一种颠覆是多么激动人心，心，为纪念相对论诞生为纪念相对论诞生100100周年暨爱因斯坦逝世周年暨爱因斯坦逝世5050周年，周年，联合国大会将联合国大会将20052005年确定为年确定为“国际物理年国际物理年”，这是联合国，这是联合国首次为一个学科确定的全球规模的纪念活动。首次为一个学科确定的全球规模的纪念活动。爱因斯坦，爱因斯坦，这位在许多国度千年人物这位在许多国度千年人物(1001(100120002000年年)评选中都居榜首评选中都居榜首的俊杰，绝不仅仅是因为在物理学上的成就。他既