文档介绍：第六章量子论与物质观
物理学作为一门科学,它的形成和发展经历了近四、五百年的历史,到19世纪末,经典物理学理论体系的大厦巍然耸立,使人们普遍产生了一种错觉,认为物理学的发展已经完成,人们对物理世界的解释已经达到了终点,宇宙万物必然按照由精美的数学方程所表达的物理学定律永远运动下去。
著名德国物理学家基尔霍夫曾表示:“物理学将无所作为了,至多只能在已知规律的公式的小数点后面加几个数字罢了。”
在刚刚跨入20世纪的第一天,英国著名的物理学家开尔文在《元旦献词》中曾经说过:
“在已经建成的大厦中,后辈物理学家只能做一些零碎的修补工作。”与众不同的是他又敏锐地发现,在物理学晴朗的天空里,还有两朵小小的令人不安的乌云,这两朵乌云指的是当时物理学无法解释的两个实验,一个是热辐射实验,另一个是迈克尔逊–莫雷实验。
X射线、放射性和电子的三个发现,揭开了近代物理的序幕。当物理学进入20世纪,就诞生了量子论和相对论,开创了近代物理学。
§ 十九世纪末物理学的三大发现
自古到今,人们就在不断地思索,世界万物由什么构成的?它有最小结构吗
哲学家亚里士多德等人则认为物质是连续的,世界万物由土、空气、水、火这四种元素组成的,而天则是第五种元素“以太”所组成的
古希腊哲学家德谟克利特等人认为,物质是不连续的,分到最后将由一些不可再分的东西所组成,他把这种物质的基元命名为“a–toms(“原子”)”,古希腊文的意思是“不可再分的东西”。
英国科学家道尔顿是科学原子论的创始人,1807年他依据一系列实验,提出“气体、液体和固体都是由该物质的不可分割的原子组成的”,“同种元素的原子,其大小、质量及各种性质都相同”,此后,大量实验事实证明了原子论的正确性。
1895年德国物理学家伦琴发现X射线,
1896年,法国物理学家贝克勒尔发现放射性,
1897年英国物理学家汤姆逊,发现了电子,
这三大发现揭开了原子存在内部结构,三大发现揭开了研究微观世界的序幕。
1、X 射线的发现
X 射线的发现也是起源于对阴极射线的研究
德国维尔茨堡大学校长、物理学家伦琴于1895年11月8日,在做放电管实验时,为了避免可见光的影响,他用黑
纸将放电管包起来,而且在
暗室中进行实验,他意外地
发现在离管一米以外的涂有
荧光物质的屏上闪耀着微弱
的青绿色的荧光。
12月22日,伦琴
的夫人来到实验室,
伦琴让夫人把左手放
在用黑纸包着的照相
底片上,然后用X射
线照射,为她拍摄了
一张带着戒子的左手
手指骨骼照片,这是
历史上第一张X光照片。
伦琴夫人手的X片
1895年12月28日伦琴写出了一篇论文《论一种新的射线》,文章详细总结了新射线的性质:
新射线来自于被阴极射线击中的固体,固体元素越重,产生出来的新射线越强;
新射线是直线传播的,不被棱镜反射和折射,也不被磁场偏转;
新射线对所有物体几乎都是透明的;
新射线可使荧光物质发光,使照相底片感光,当把手放在放电管和荧光屏之间时,由于肌肉对新射线的吸收比骨质弱得多,屏上便可看到手指的骨骼。
X 射线这个名称也是伦琴最先采用的,他在给孔特的信中说:“我终于发现了一种光,我不知道是什么光,无以名之,就把它叫做 X 光吧”,后人为了纪念他,又把它称为“伦琴射线”。
伦琴的发现震惊了整个科学界,许多物理学家转向研究 X 射线,反应之迅速和强烈是物理学史上罕见的,仅1896年一年内,关于X射线研究的论文达1000多篇。
在X射线发现3个月后,维也纳医院中首次利用X射线对人体进行拍片;
半年后,英国出版了第一本研究X射线的专业杂志——《X射线临床摄影资料》;
此后,J. J. 汤姆逊和卢瑟福证实X射线能使气体电离;
1912年德国物理学家劳厄用晶体作光栅,得到 X 射线衍射图,证明 X 射线是一种波长很短(约在10–10–2 Å之间)的电磁波,同时证明了晶体具有空间点阵,劳厄因此获得了1914 年度诺贝尔物理奖。
X射线的发现使人们认识的“电磁波谱”朝着短波方向拓广了一大段;
1906年,英国物理学家巴克拉发现每种金属都有自己的“特征X射线”,用它可以确定元素在周期表上的排位,巴拉克因此而获得了1917年的诺贝尔物理学奖;
1915年诺贝尔物理学奖授予英国物理学家布拉格父子,表彰他们在劳厄工作的基础上,提出了布拉格公式,可以用它精确测定晶体的原子结构;