科学技术史第九讲.pptx

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1、目录1科学的新世纪2二十世纪的理论科学3二十世纪的应用科学4总结第1页/共56页日趋完美的物理学大厦 自从伽利略、牛顿等人创立近代力学以来,经过200多年的发展,到19 世纪末,在当时大多数物理学家眼里,似乎已经有了一幅清晰的世界图景。他们看到:世界万物都是由世界万物都是由80 80 多种元素的原子组成的多种元素的原子组成的,原子是不可再分的最小微粒。原子是不可再分的最小微粒。一切自然过程都是连续的。任何一个给定的状态只能由紧接在它前面的那个状态来一切自然过程都是连续的。任何一个给定的状态只能由紧接在它前面的那个状态来解释解释,如果在前后两个状态之间出现间隙如果在前后两个状态之间出现间隙,那就

2、破坏了事物的因果性联系。因此那就破坏了事物的因果性联系。因此,“,“自自然无飞跃然无飞跃”,”,连能量的变化和转化也应当是连续的。连能量的变化和转化也应当是连续的。不同原子之间的结合和分解就产生了化学反应。分子是原子组成的不同原子之间的结合和分解就产生了化学反应。分子是原子组成的,它保持着物质它保持着物质最基本的物理和化学属性。最基本的物理和化学属性。第2页/共56页日趋完美的物理学大厦热现象是大量分子作混乱的机械运动的表现热现象是大量分子作混乱的机械运动的表现,用统计力学的方法用统计力学的方法可以解释气态和凝聚态物理体系的性质。可以解释气态和凝聚态物理体系的性质。存在两种电荷存在两种电荷;电

3、荷产生电场电荷产生电场,电荷的运动又产生磁场电荷的运动又产生磁场,电磁场的电磁场的运动就是电磁波。热辐射、可见光、紫外线等都只不过是不同波运动就是电磁波。热辐射、可见光、紫外线等都只不过是不同波长的电磁波。长的电磁波。无论力、热、声、光、电、磁等现象多么复杂无论力、热、声、光、电、磁等现象多么复杂,一切过程都要服一切过程都要服从能量守恒和转化定律。从能量守恒和转化定律。第3页/共56页目录1科学的新世纪2二十世纪的应用科学3二十世纪的理论科学4总结第4页/共56页19世纪的三大发现一、电子的发现二、X射线的发现三、天然放射性的发现第5页/共56页（一）X射线的发现X射线的发现源自对阴极射线的研

4、究。在19世纪30年代，法拉第就发现真空中放电会产生辉光现象。随着真空技术的发展，物理学家进一步发现，真空管内的金属电极在通电时，阴极会发出某种射线，这种射线受磁场影响，具有能量，被称为“阴极射线”。J.J.汤姆孙进行阴极射线研究的实验装置第6页/共56页 18951895年，伦琴对阴极射线产生极大兴趣并深入研究，最终发现年，伦琴对阴极射线产生极大兴趣并深入研究，最终发现X X射线。射线。X X射线很快在医学界得到应用，使医学诊断水平大大提高。射线很快在医学界得到应用，使医学诊断水平大大提高。x x射线的发现射线的发现，被誉为，被誉为1919世纪末物理学的世纪末物理学的“三大发现三大发现”之一

5、，之一，伦伦琴因此在琴因此在19011901年成为诺贝尔物理学奖第一个获得者。年成为诺贝尔物理学奖第一个获得者。伦琴伦琴（1845-1923）德国物理学家德国物理学家18951895年年1212月月2222日日 摄于伦摄于伦琴实验室琴实验室第7页/共56页X射线发现后，首先被用于人体透视方面，在疾病诊断上起到了重要作用；后来，X射线用于晶体结构的分析方面，在工业和科学研究中得到了广泛应用。伦琴拍摄的第一张X光照片X射线用于对肺结核病的诊断第8页/共56页（二）放射性的发现放射性的发现来源于对X射线的研究。1896年，法国物理学家贝克勒尔（Becquerel，18521908）用铀盐包（硫酸双氧

6、铀钾）进行实验，开始探索X射线与荧光物质的关系。贝克勒尔首先发现了铀的天然放射性。铀是人类发现的第一个天然放射性元素。贝克勒尔（18521908）第9页/共56页出生于波兰的化学家居里夫人（Marie Sklodowska Curie，18671934）在放射线研究方面做出了重大贡献。居里夫人原名玛丽斯克罗多夫斯卡，1893年以第一名的成绩毕业于巴黎大学，并先后取得物理学和数学硕士学位。1898年，居里夫妇共同研究放射性现象，发现钋和镭两种天然放射性元素，其中镭的放射强度要比铀强200万倍。第10页/共56页 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

7、了什么？二是查清物质放出射线以后变成了什么？放射性物质发明的重要意义第11页/共56页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射线，穿透力强的称为射线。1899年，贝克勒尔证实射线能被磁场偏转，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，称为射线。从1902年起，卢瑟福和索第(FSoddy)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。放射性物质发现的重要意义第12页/共56页电子也是在研究阴极射线的过程中发现的，是人类认识的第一个基本粒子。1897年，英国

8、物理学家J.J.汤姆孙（J.J.Thoms，18561940）用实验证明，阴极射线不仅能被磁场偏转，而且能被电场偏转；比较精确地测出了这种带电微粒的荷质比（即电荷与质量之比em）。（三）电子的发现J.J.汤姆孙（18561940）第13页/共56页J.J汤姆孙因发现电子获得1906年的诺贝尔物理学奖。先后担任皇家学会会长、剑桥大学三一学院院长，曾获得牛津、都柏林、伦敦、剑桥、格丁根等20多个大学的名誉学位。在汤姆孙的组织领导下，卡文迪什实验室成为全世界现代物理研究的一个重要中心。近百年来，卡文迪什实验室培养出的诺贝尔奖金获得者已达26人。第14页/共56页三大实验发现诱发了经典物理学危机三大实

9、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、子、X X射线和射线和射线；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蜕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；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速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；度变化而变化，质量似乎不守恒了；第15页/共56页三大实验发现诱发了经典物理学危机三大实验

10、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；作用，能量也源源不断地向外界释放，能量好像也不守恒了；原来认为质量和能量不搭界，现在放射性物质因能量不断释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。放，质量也不断减小。第16页/共56页v三大实验发现猛烈地冲击着牛

11、顿力学的物质质量、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，经典物理学中质量守恒、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临严峻考验。能量守恒、运动定律等基本定律也面临严峻考验。v面对物理学危机，一些抱残守缺的物理学家悲观面对物理学危机，一些抱残守缺的物理学家悲观失望，唯心主义趁虚而入。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第17页/共56页目录1科学的新世纪2二十世纪的应用科学3二十世纪的理论科学4总结第18页/共56页第二节第二节 相对论的创立相对论的创立19世纪末20世纪初，物理学领域存在两大棘手问题：“以太之

12、谜”和“紫外灾难”。正是这两个问题引发了20世纪的物理学革命，导致了相对论和量子力学的诞生。第19页/共56页一、迈克尔逊莫雷实验一、迈克尔逊莫雷实验“以太”（aether）最早由亚里士多德提出，用以说明构成天体的元素，后来笛卡儿认为宇宙中充满以太，以太是传播光的媒介。19世纪时，以太理论的研究中心是以开尔文勋爵为代表的英国剑桥大学派。他们构造出以太模型，企图把光学和电磁学归结为以太学。笛卡尔漩涡以太模型第20页/共56页为了搞清地球相对于以太的运动，19世纪末，物理学家做过各种各样的实验，其中精度最高的是迈克尔逊（Michelson，18521931）的实验。迈克尔逊因发明精密光学仪器和在光

13、学测量中取得的成就，于1907年获诺贝尔物理学奖，其代表性著作有光速度（1902）、光波及其利用（1903）等。迈克尔逊（18521931）与迈克尔逊干涉仪第21页/共56页1887年，迈克尔逊同美国化学家莫雷（Morley，18381923）合作，以更高的精度重复了以太测定实验，实验精度达到40亿分之一。他们观测了5天，看不到一点儿以太漂移的迹象。实验的“零”结果否定了以太风的存在，否定了绝对运动。这就著名的以太漂移实验，迈克尔逊一莫雷以太漂移实验的结果轰动了物理界。以太漂移实验第22页/共56页1892年，荷兰物理学家、数学家洛伦兹（Lorentz，18531928）提出了收缩假说。洛伦兹

14、认为物质是由带电粒子组成，物质在带有磁性的以太中运动时，在其运动方向上会发生收缩，其收缩程度正好与光速的减慢相抵消。洛伦兹因研究磁场对辐射现象的影响取得重要成果，与塞曼共获1902年诺贝尔物理学奖金。第23页/共56页二、爱因斯坦与相对论二、爱因斯坦与相对论真正突破旧理论，开辟现代物理学新篇章的是德国青年物理学家爱因斯坦（Einstein，18791955）。在1905年3月6月四个月内，爱因斯坦在辐射理论、分子动理论、力学和电动力学的基本理论等物理学的三个不同领域，发表了4篇具有历史意义的论文。1905年，爱因斯坦在伯尔尼专利局的办公室第24页/共56页1905年，爱因斯坦发表了一篇具有划时

15、代意义的论文论动体的电动力学，即“狭义相对论”。爱因斯坦通过洛伦兹变换得出了如尺度缩短、时钟变慢、光速不可逾越、质量随运动速度而改变等一系列重要结论。相对论还提供了质能关系式（Emc2），从理论上预示了原子能利用的前景。（一）狭义相对论的提出第25页/共56页同时的相对性 时间延缓 狭义相对论的主要推论 第26页/共56页狭义相对论的理论体系狭义相对论的理论体系 狭义相对论的基本原理：狭义相对论的基本原理：1 1、狭义相对性原理、狭义相对性原理（物理定律物理定律在在一切惯性参考系一切惯性参考系中是中是平权的平权的）。物理体系的状态据以变）。物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参

16、照的坐标系究竟是用化的定律，同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是用两个互相匀速移动着的坐标系两个互相匀速移动着的坐标系中中的哪一个并无关系。的哪一个并无关系。2 2、光速不变原理、光速不变原理（真空中光速真空中光速不因光源的运动而变，永远是不因光源的运动而变，永远是3030万万km/skm/s，即，即迈克尔逊迈克尔逊莫莫雷雷实验结果）。实验结果）。整个狭义相对论就建筑在这两条基本原理上整个狭义相对论就建筑在这两条基本原理上第27页/共56页双生子宇航悖论“天上方一日，人间已一年”乘坐“光子火箭”以光速作星际旅行，回到地球时，我们会发现什么变化？第28页/共56页（四）广义相对论的验证184

17、5年，法国天文学家发现水星近日点的进动。根据牛顿理论计算，在考虑到所有可能影响之后，仍有每百年43秒的差异无法解释。于是，天文学家根据发现海王星的经验又预言“火神星”的存在。（1）第一个验证是水星近日点的进动水星近日点运动示意图第29页/共56页在广义相对论等效原理中，具有动质量的光子与其他静止质量不为零的粒子一样也应参与一切引力效应，光子要产生引力场也要受到引力场的作用。1911年，爱因斯坦根据等效原理预言光线在太阳引力场中将要发生偏折，并给出0.83秒的偏折值。1914年，德国天文学家率队到俄国的克里米亚半岛观测8月的日全食，但因第一次世界大战爆发而停止。（2）第二个验证是光线在引力场中的

18、偏转第30页/共56页1915年爱因斯坦将偏转值修正为1.7秒。1916年，英国天文学家爱丁顿（Eddington，18821944）决定利用1919年5月29日的日全食来验证广义相对论关于光线在引力场中的偏折效应，并推动英国皇家天文学会着手日全食观测的准备工作。1919年11月，皇家天文学会宣布观测结果为1.610.30秒，证实了光线在引力场的弯曲效应。第31页/共56页广义相对论的理论指出：光线在稳定引力场中传播时，频率要发生改变，从引力场强的地方向引力场弱的地方传播，光子频率将变小，相应的波长将增加，即谱线红移，这种引力红移也称相对论红移。1925年，美国天文学家亚当斯（Adams，18

19、761956）对天狼星伴星的光谱线观测证实了引力红移。（3）第三个验证是引力红移（光谱线的红向移动）亚当斯（18761956）第32页/共56页思考1.狭义相对论的主要结论是什么？作为物理学理论，它的主要局限是什么？2、狭义相对论是否彻底终结了从古希腊以来不断演化的以太理论？你认为，现代科学还有没有复兴以太理论的任何可能？原因是什么？3、狭义相对论讨论的两个主要问题（1）时间、空间、物质及其运动的内在联系（2）运动规律在不同惯性系中绝对，但时间、质量、空间由于参照系不同而相对 ，a.第二个问题在认识论上是否矛盾？b.如果承认相对论，我们眼中的世界图景会发生什么样的变革？C.现代理论物理描绘的宇

20、宙图景彻底远离了人类的直觉,是否意味着普通人再难以进一步认识客观世界？你如何看待这个问题？第33页/共56页量子论革命 我以前同现在一样，相信物理定律越带普遍性，就越是简单。M.普朗克，M.普朗克物理论文和演讲集 当一个人寻求生活的和谐时，必须永不忘记，在生活的伟大戏剧中，我们既是观众，又是演员，这是一个古老的真理。N.玻尔，原子物理学与自然的描述 第34页/共56页 一个密闭的空腔上开一个小孔，则此小孔就可近似地看成为黑体。只吸收，不反射。研究它的辐射本领的好处是与空腔材料无关。黑体辐射第35页/共56页 2黑体辐射本领与辐射波长的关系 维恩位移定律，即不同温度时，的极值位置不同第36页/共

21、56页紫外灾难 （2）瑞利-金斯根据经典电动力学和统计物理导出了瑞利-金斯公式：此式在 较大时能与实验很好符合，而 小时则根本不对。特别是当波长趋近0时，辐射能量也趋近无穷大，这不仅与实际观测不符，本身也是十分荒谬的。这就是“紫外灾难”（“紫外”指的就是短波部分）第37页/共56页 （3）普朗克 普朗克将两个公式综合起来，凑出一个与整个实验曲线符合的经验公式：普朗克 称为普朗克公式。其中，h是普朗克常数，c是光速，k是玻尔兹曼常数。当 很小 维恩公式第38页/共56页 普朗克的基本假设：在辐射场中有大量包含各种频率的谐振子，一个频率为 的谐振子的能量不能是连续的，只能是能量元（又称能量子）的整

22、数倍，即 ，其中n只能取正整数。能量元 ，h为普朗克常数。这就是著名的“能量量子化”假设。第39页/共56页 一、汤姆孙的原子模型 电子的发现者汤姆孙本人所提出的一种原子模型：原子的正电荷是均匀分布在整个原子球体内，而电子是一个个嵌在其中，并保持整个原子的电中性。当时这种模型被称之为“葡萄干布丁模型”。1904年又作进一步假设：原子中电子是分布在一个个同心圆环上，作着旋转，每个环中只能包含 第40页/共56页 这个假设可解释元素周期表。葡萄干布丁模型 二、粒子探针的奇迹 卢瑟福1871年8月13日生于新西兰一个苏格兰移民后裔家庭。1894年大学毕业，考入剑桥大学三一学院，成为J.J.汤姆孙第一

23、个外国研究生。后来成为卡文迪许实验室的第四任教授。+第41页/共56页 二、玻尔原子结构模型的基础（科学背景）1普朗克和爱因斯坦提出了“量子化”概念 2卢瑟福提出了“原子核核式结构”模型 3描写氢原子可见光谱线的波长的经验公式巴耳末公式(1885年)：第42页/共56页 三、玻尔模型及其发展 1玻尔模型的基本假设 玻尔的目的：要解决卢瑟福原子模型的稳定性问题及给出原子大小。在他所发表的划时代的关于原子结构的论文中首先对氢原子提出了玻尔模型的两个基本假定：（1）定态条件假定原子可以保持稳定性 作绕核圆周运动的电子只能处在一些分立的允许轨道上运动，且不存在能量辐射。也就是说电子只允许在一些有确定分

24、立半径和分立能量大小的“定态”轨道上运动。第43页/共56页（2）频率条件假定 当电子从一定态能量为 的允许轨道跃迁到另一定态能量为 的允许轨道时，会以电磁波形式 释放能量（当 ）吸收能量（当 ）若 ，则所放出的电磁波所相应的光子能量为第44页/共56页玻 尔 的 分 析第45页/共56页 2著名的德布罗意关系式 1924年11月，德布罗意正式提出了所有物质粒子都具有波粒二重性的假设，他认为“任何物体伴随以波，而且不可能将物体的运动与波的转播分开”；并且从理论上导出了粒子动量p与伴随着的波的波长之间的关系式：这就是著名的德布罗意关系式。例如动能Ek=10eV的电子，其德布罗意波长 第46页/共

25、56页 20世纪30年代，电子显微镜诞生了。电子显微镜是利用高速运动的电子束代替光线来观察物体的细微结构的，放大倍数比光学显微镜高许多，可以达到几十万倍。电子显微镜大大开阔了人们的视野，使人们看到了细胞更细微的结构电子显微镜第47页/共56页 美国橡树岭国家实验室的研究人员正在以创记录的分辨率清楚地观察原子世界，因为他们研究出的电子显微镜能够能分辨出硅晶体的单个、哑铃形状的原子。电子显微镜下的原子世界 能看清原子的电子显微镜 第48页/共56页四、量子力学的建立德国物理学家海森伯建立矩阵力学 1925 1925年，海森伯（19321932年获诺贝尔物理学奖）基于物理理论只处理可观察量的认识，充

26、分利用了数学家创造出的先进的数学工具矩阵论，和玻恩、约尔丹一起创建了另一种量子力学矩阵力学。第49页/共56页1926年，薛定谔完成了波动方程的建立 薛定谔方程 薛定谔 1925年，物理学家薛定谔把德布罗意的理论大大向前推进,建立了量子力学的波动力学体系，加深了对微观客体的波粒二象性的理解，为数学上解决原子物理学、核物理学、固体物理学和分子物理学问题提供了一种有力的理论工具。他于1933年获诺贝尔物理学奖。第50页/共56页 薛定谔的生命是什么？活细胞的物理观 （1）生命以负熵为主。（2）遗传是以密码形式通过染色体来传递的。（3）生命体系中存在量子跃迁现象，X射线照射可以引起遗传的突变，就是证

27、据。薛定谔的生命是什么？一书，使克里克放弃了研究基本粒子的计划，而选择了“原来根本不打算涉猎的生物学”。使“部分由于原子弹而对物理学失去兴趣”的威尔金斯“为控制生命的高度复杂的分子结构所打动”，而“第一次对生物学产生了浓厚的兴趣。”使沃森感到自己“深深地为发现基因的奥秘所吸引”而投身对它的研究。第51页/共56页提花织机19世纪早期，法国人Jacquard使用一套穿孔卡片控制提花织机编织图案第52页/共56页Babbage的差分机和解析机19世纪，英国数学家Babbage将其毕生精力致力于计算技术机械化，先后研制出差分机和解析机，并借用提花织机的穿孔卡片来进行控制第53页/共56页制表机械公司变成IBM1896年，Hollerith创建了制表机械公司，1911年，Hollerith身体状况很糟，在医生建议下以230万美元出售了公司，Thomas J.Watson托马斯.沃森来管理该公司，1924年，他成为公司总裁，并将公司该名为IBM（International Business Machines corporation）第54页/共56页1943年，Aiken开发了继电器自动序列控制计算机：Mark；第55页/共56页感谢您的观看！第56页/共56页