现代物理学

第一节19世纪末物理学的三大发现一、X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。2020/1/22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19世纪末物理学的三大发现一、X射线的发现二、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19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19世纪末物理学的三大发现二、放射性的发现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19世纪末物理学的三大发现二、放射性的发现三、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。2020/1/221897年，英国理学家汤姆孙对阴极射线的本质作出了正确的回答。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19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: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19世纪末物理学的三大发现三、电子的发现四、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。2020/1/22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19世纪末物理学的三大发现第二节相对论物理学一、绝对时空观和以太之谜1、牛顿的绝对时空观2020/1/22“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、以太之迷2020/1/22“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？1876—1887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，来寻找“以太”存在的证据。第二节相对论物理学一、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？人们对空间、运动的认识是否存在问题？第二节相对论物理学一、绝对时空观和以太之谜2、以太之迷二、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。2020/1/22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。第二节相对论物理学二、狭义相对论的诞生三、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。2020/1/22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相对论物理学三、广义相对论的建立用天文学观测检验广义相对论的事例还有许多。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。2020/1/22爱因斯坦正在讲解广义相对论第二节相对论物理学三、广义相对论的建立第三节量子力学与物质结构理论一、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。2020/1/22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。2020/1/22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。第三节量子力学与物质结构理论一、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”。2020/1/221900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量子力学与物质结构理论一、普朗克能量子假说二、爱因斯坦光量子论爱因斯坦从普朗克的思想中得到启发，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ν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。第三节量子力学与物质结构理论三、玻尔模型与物质结构理论1、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）原子模型第三节量子力学与物质结构理论1911年2月．卢瑟福发表了《а和β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。2020/1/22卢瑟福，新西兰（1871-1937）原子模型第三节量子力学与物质结构理论1、玻尔原子结构模型三、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