科学技术史第九讲

Toprotecttheconfidentialandproprietaryinformationincludedinthismaterial,itmaynotbedisclosedorprovidedtoanythirdpartieswithouttheapprovalofNickLuo.科学技术史第九讲：二十世纪的科学电子科技大学22020/1/24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32020/1/24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80多种元素的原子组成的,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解释,如果在前后两个状态之间出现间隙,那就破坏了事物的因果性联系。因此,“自然无飞跃”,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,它保持着物质最基本的物理和化学属性。42020/1/24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,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。存在两种电荷;电荷产生电场,电荷的运动又产生磁场,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长的电磁波。无论力、热、声、光、电、磁等现象多么复杂,一切过程都要服从能量守恒和转化定律。52020/1/24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62020/1/2419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72020/1/24（一）X射线的发现X射线的发现源自对阴极射线的研究。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82020/1/241895年，伦琴对阴极射线产生极大兴趣并深入研究，最终发现X射线。X射线很快在医学界得到应用，使医学诊断水平大大提高。x射线的发现，被誉为19世纪末物理学的“三大发现”之一，伦琴因此在1901年成为诺贝尔物理学奖第一个获得者。伦琴（1845-1923）德国物理学家1895年12月22日摄于伦琴实验室92020/1/24X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102020/1/24（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，1852－1908）用铀盐包（硫酸双氧铀钾）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（1852－1908）112020/1/24出生于波兰的化学家居里夫人（MarieSklodowskaCurie，1867－1934）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。122020/1/24一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？放射性物质发明的重要意义132020/1/241898年，卢瑟福(E.Rutherford)通过吸收实验证明铀辐射穿透力弱的称为α射线，穿透力强的称为β射线。1899年，贝克勒尔证实ρ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γ射线。从1902年起，卢瑟福和索第(F．Soddy)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142020/1/24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，英国物理学家J.J.汤姆孙（J.J.Thoms，1856－1940）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e／m）。（三）电子的发现J.J.汤姆孙（1856－1940）152020/1/24J.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。162020/1/24三大实验发现诱发了经典物理学危机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子、X射线和γ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度变化而变化，质量似乎不守恒了；172020/1/24三大实验发现诱发了经典物理学危机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；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。182020/1/24三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、能量守恒、运动定律等基本定律也面临严峻考验。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。三大实验发现诱发了经典物理学危机192020/1/24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202020/1/24第二节相对论的创立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。212020/1/24一、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222020/1/24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，1852－1931）的实验。迈克尔逊因发明精密光学仪器和在光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（1852－1931）与迈克尔逊干涉仪232020/1/241887年，迈克尔逊同美国化学家莫雷（Morley，1838－1923）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242020/1/241892年，荷兰物理学家、数学家洛伦兹（Lorentz，1853－1928）提出了收缩假说。洛伦兹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。252020/1/24二、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，1879－1955）。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262020/1/241905年，爱因斯坦发表了一篇具有划时代意义的论文《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（E＝mc2），从理论上预示了原子能利用的前景。（一）狭义相对论的提出272020/1/24同时的相对性时间延缓狭义相对论的主要推论282020/1/24狭义相对论的理论体系狭义相对论的基本原理：1、狭义相对性原理（物理定律在一切惯性参考系中是平权的）。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照的坐标系究竟是用两个互相匀速移动着的坐标系中的哪一个并无关系。2、光速不变原理（真空中光速不因光源的运动而变，永远是30万km/s，即迈克尔逊—莫雷实验结果）。整个狭义相对论就建筑在这两条基本原理上292020/1/24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？302020/1/24（四）广义相对论的验证1845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312020/1/24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偏转322020/1/241915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，1882－1944）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1.61±0.30秒，证实了光线在引力场的弯曲效应。332020/1/24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，1876－1956）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（1876－1956）342020/1/24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？