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自然科学发展概论1现代物理学革命第1页，共96页，编辑于2022年，星期二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1919世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上汤姆森（一堂。会上汤姆森（W.Thomson,1824-W.Thomson,1824-19071907）发表新年祝词。）发表新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物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。理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。2现代物理学革命第2页，共96页，编辑于2022年，星期二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：开尔文的世纪回顾：开尔文的世纪回顾：1900190019001900年年年年4 4 4 4月月月月27272727日开尔文（日开尔文（日开尔文（日开尔文（Lord KelvinLord KelvinLord KelvinLord Kelvin）在皇家研究所（）在皇家研究所（）在皇家研究所（）在皇家研究所（RIRIRIRI）发）发）发）发表了表了表了表了在热和光动力理论上空的在热和光动力理论上空的在热和光动力理论上空的在热和光动力理论上空的19191919世纪乌云世纪乌云世纪乌云世纪乌云的演讲。其中说道的演讲。其中说道的演讲。其中说道的演讲。其中说道“动力学动力学动力学动力学理论断言，热和光都是运动的方式。在展望理论断言，热和光都是运动的方式。在展望理论断言，热和光都是运动的方式。在展望理论断言，热和光都是运动的方式。在展望20202020世纪物理学前景时，开尔文若有世纪物理学前景时，开尔文若有世纪物理学前景时，开尔文若有世纪物理学前景时，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，但现在这一理论的优美性和明所思地讲道：动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，但现在这一理论的优美性和明所思地讲道：动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，但现在这一理论的优美性和明所思地讲道：动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了第一朵乌云出现在光的波动理论上，第一朵乌云出现在光的波动理论上，第一朵乌云出现在光的波动理论上，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第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦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。玻尔兹曼理论上。玻尔兹曼理论上。玻尔兹曼理论上。正是这正是这正是这正是这“两朵乌云两朵乌云两朵乌云两朵乌云”和和和和“三大实验发现三大实验发现三大实验发现三大实验发现”引起了引起了引起了引起了“物理学革命物理学革命物理学革命物理学革命”。3现代物理学革命第3页，共96页，编辑于2022年，星期二第一节第一节 1919、2020世纪之交物理学三大发现世纪之交物理学三大发现 vX射线的发现射线的发现 v放射性的发现放射性的发现 v电子的发现电子的发现4现代物理学革命第4页，共96页，编辑于2022年，星期二现代物理学革命的开始v18951895年，物理学已经有了相当的发展，几个主要部门年，物理学已经有了相当的发展，几个主要部门-牛顿力学、牛顿力学、热力学和分子运动论、电磁学和光学，都已经建立了完整的理论，热力学和分子运动论、电磁学和光学，都已经建立了完整的理论，在应用上也取得了巨大成果。这时物理学家普遍认为，物理学已经在应用上也取得了巨大成果。这时物理学家普遍认为，物理学已经发展到顶了，以后的任务无非是在细节上作些补充和修正而已，没发展到顶了，以后的任务无非是在细节上作些补充和修正而已，没有太多的事好做了。有太多的事好做了。vX X射线的发现唤醒了沉睡的物理学界。它像一声春雷，引发了一系射线的发现唤醒了沉睡的物理学界。它像一声春雷，引发了一系列重大发现，把人们的注意力引向更深入、更广阔的天地，从而揭列重大发现，把人们的注意力引向更深入、更广阔的天地，从而揭开了现代物理学革命的序幕。开了现代物理学革命的序幕。5现代物理学革命第5页，共96页，编辑于2022年，星期二关于阴极射线本性的争论关于阴极射线本性的争论1.X1.X1.X1.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，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，1856185618561856年德国盖斯勒放电年德国盖斯勒放电年德国盖斯勒放电年德国盖斯勒放电管的发明为研究真空放电现象提供了实验手段；管的发明为研究真空放电现象提供了实验手段；管的发明为研究真空放电现象提供了实验手段；管的发明为研究真空放电现象提供了实验手段；1859185918591859年德国普吕年德国普吕年德国普吕年德国普吕克发现了放电管阴极发出的绿色辉光，克发现了放电管阴极发出的绿色辉光，克发现了放电管阴极发出的绿色辉光，克发现了放电管阴极发出的绿色辉光，1876187618761876年德国戈尔茨坦指年德国戈尔茨坦指年德国戈尔茨坦指年德国戈尔茨坦指出绿色辉光是由阴极的某种射线引起的，命名为出绿色辉光是由阴极的某种射线引起的，命名为出绿色辉光是由阴极的某种射线引起的，命名为出绿色辉光是由阴极的某种射线引起的，命名为“阴极射线阴极射线阴极射线阴极射线”。2.2.2.2.围绕阴极射线的本性究竟是光波还是粒子，德国和英国科学家展开了争围绕阴极射线的本性究竟是光波还是粒子，德国和英国科学家展开了争围绕阴极射线的本性究竟是光波还是粒子，德国和英国科学家展开了争围绕阴极射线的本性究竟是光波还是粒子，德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。论，最终导致了物理学的三大实验发现。论，最终导致了物理学的三大实验发现。论，最终导致了物理学的三大实验发现。6现代物理学革命第6页，共96页，编辑于2022年，星期二一、一、X X射线的发现射线的发现18951895年年1111月月1010日，德国物理学家伦琴（日，德国物理学家伦琴（RontgenRontgen，1854-19231854-1923）在做阴极射线实验时，偶然发现）在做阴极射线实验时，偶然发现了一种新的辐射，它能轻易穿透一些如纸张之了一种新的辐射，它能轻易穿透一些如纸张之类不透明的物质。伦琴把它叫做类不透明的物质。伦琴把它叫做X X射线射线。7现代物理学革命第7页，共96页，编辑于2022年，星期二偶然性？偶然性？X X X X射线的发现过程在物理学史上是一个必然性通过偶然射线的发现过程在物理学史上是一个必然性通过偶然射线的发现过程在物理学史上是一个必然性通过偶然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。性开辟道路的典型例证。性开辟道路的典型例证。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，但均因在伦琴之前，英国克鲁克斯等人曾遇见过它，但均因在伦琴之前，英国克鲁克斯等人曾遇见过它，但均因在伦琴之前，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。疏忽而与重大发现擦肩而过。疏忽而与重大发现擦肩而过。疏忽而与重大发现擦肩而过。伦琴因发现伦琴因发现伦琴因发现伦琴因发现X X X X射线荣获射线荣获射线荣获射线荣获1901190119011901年的首次颁发的诺贝尔物年的首次颁发的诺贝尔物年的首次颁发的诺贝尔物年的首次颁发的诺贝尔物理学奖。理学奖。理学奖。理学奖。8现代物理学革命第8页，共96页，编辑于2022年，星期二二、放射性的发现二、放射性的发现伦琴发现的伦琴发现的X X射线引起法国物理学家贝克勒尔射线引起法国物理学家贝克勒尔（A.H.Becquerel,1852-1908A.H.Becquerel,1852-1908）的兴趣。）的兴趣。因为伦琴是通过荧光材料所发出的荧光而发现因为伦琴是通过荧光材料所发出的荧光而发现X X射射线的，所以贝克勒尔想知道是否有荧光材料放出线的，所以贝克勒尔想知道是否有荧光材料放出X X射线。射线。9现代物理学革命第9页，共96页，编辑于2022年，星期二太阳光下实验太阳光下实验1896189618961896年年年年2 2 2 2月，贝克勒尔把感光片包在黑纸里放到太阳下，月，贝克勒尔把感光片包在黑纸里放到太阳下，月，贝克勒尔把感光片包在黑纸里放到太阳下，月，贝克勒尔把感光片包在黑纸里放到太阳下，再把荧光物质的晶体压在上面。再把荧光物质的晶体压在上面。再把荧光物质的晶体压在上面。再把荧光物质的晶体压在上面。他的设想是：他的设想是：他的设想是：他的设想是：太阳光照射晶体产生荧光，如果荧光中有太阳光照射晶体产生荧光，如果荧光中有太阳光照射晶体产生荧光，如果荧光中有太阳光照射晶体产生荧光，如果荧光中有X X X X射线，那么它就能穿透黑纸使底片暴光。射线，那么它就能穿透黑纸使底片暴光。射线，那么它就能穿透黑纸使底片暴光。射线，那么它就能穿透黑纸使底片暴光。结果：结果：结果：结果：底片冲洗后，上面有了阴影。这证明有放射线穿透底片冲洗后，上面有了阴影。这证明有放射线穿透底片冲洗后，上面有了阴影。这证明有放射线穿透底片冲洗后，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了黑纸，贝克勒尔断定荧光确实放出了黑纸，贝克勒尔断定荧光确实放出了黑纸，贝克勒尔断定荧光确实放出X X X X射线。射线。射线。射线。10现代物理学革命第10页，共96页，编辑于2022年，星期二阴天的实验阴天的实验贝克勒尔只好把包好的底片放进抽屉，上面还是压着贝克勒尔只好把包好的底片放进抽屉，上面还是压着贝克勒尔只好把包好的底片放进抽屉，上面还是压着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物质的晶体。那块荧光物质的晶体。那块荧光物质的晶体。那块荧光物质的晶体。结果：底片上有很多的阴影。显然，这阴影与太阳无结果：底片上有很多的阴影。显然，这阴影与太阳无结果：底片上有很多的阴影。显然，这阴影与太阳无结果：底片上有很多的阴影。显然，这阴影与太阳无关、与荧光无关，而与晶体本身有关。关、与荧光无关，而与晶体本身有关。关、与荧光无关，而与晶体本身有关。关、与荧光无关，而与晶体本身有关。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双氧铀钾，硫酸双氧铀钾，硫酸双氧铀钾，硫酸双氧铀钾，这样他便发现了铀能自发辐射出能量。这样他便发现了铀能自发辐射出能量。这样他便发现了铀能自发辐射出能量。这样他便发现了铀能自发辐射出能量。居里夫人在居里夫人在居里夫人在居里夫人在18981898年把这种现象命名为放射性。年把这种现象命名为放射性。年把这种现象命名为放射性。年把这种现象命名为放射性。11现代物理学革命第11页，共96页，编辑于2022年，星期二X X射线和铀的放射性激发了居里夫人（射线和铀的放射性激发了居里夫人（Marie Marie CurieCurie，1867-19341867-1934）对放射线的研究兴趣。）对放射线的研究兴趣。居里夫人首先证实了贝克勒尔关于铀盐辐射的强居里夫人首先证实了贝克勒尔关于铀盐辐射的强度与化合物中铀的含量成正比的结论，但她不满度与化合物中铀的含量成正比的结论，但她不满足于局限在铀盐，决定对已知的各种元素进行普足于局限在铀盐，决定对已知的各种元素进行普查。查。12现代物理学革命第12页，共96页，编辑于2022年，星期二钋和镭的发现钋和镭的发现1898189818981898年年年年7 7 7 7月居里夫妇从铀矿中分离出放射性比铀强数百月居里夫妇从铀矿中分离出放射性比铀强数百月居里夫妇从铀矿中分离出放射性比铀强数百月居里夫妇从铀矿中分离出放射性比铀强数百倍的物质。向巴黎科学院提交倍的物质。向巴黎科学院提交倍的物质。向巴黎科学院提交倍的物质。向巴黎科学院提交“论沥青铀矿中的一种新论沥青铀矿中的一种新论沥青铀矿中的一种新论沥青铀矿中的一种新物质物质物质物质”，命名为命名为命名为命名为“钋钋钋钋”PoloniumPoloniumPoloniumPolonium（Poland)Poland)Poland)Poland)1898189818981898年年年年12121212月居里夫妇检测出了放射性更强的物质，并把它月居里夫妇检测出了放射性更强的物质，并把它月居里夫妇检测出了放射性更强的物质，并把它月居里夫妇检测出了放射性更强的物质，并把它命名为镭。命名为镭。命名为镭。命名为镭。1902190219021902年他们经过了无数次的结晶处理，终于成年他们经过了无数次的结晶处理，终于成年他们经过了无数次的结晶处理，终于成年他们经过了无数次的结晶处理，终于成功地制出功地制出功地制出功地制出0.10.10.10.1克的克的克的克的镭镭镭镭。13现代物理学革命第13页，共96页，编辑于2022年，星期二因对放射线的研究，因对放射线的研究，19031903年居里夫人和她的丈年居里夫人和她的丈夫、贝克勒尔分享了该年度的诺贝尔物理学奖；夫、贝克勒尔分享了该年度的诺贝尔物理学奖；19111911年她又因发现两种新元素而获得诺贝尔化年她又因发现两种新元素而获得诺贝尔化学奖。学奖。14现代物理学革命第14页，共96页，编辑于2022年，星期二放射性物质发现的重要意义放射性物质发现的重要意义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了什么？二是查清物质放出射线以后变成了什么？15现代物理学革命第15页，共96页，编辑于2022年，星期二放射性物质发现的重要意义放射性物质发现的重要意义18981898年，卢瑟福年，卢瑟福(E.Rutherford)(E.Rutherford)通过吸收实验证明铀辐射穿透力弱通过吸收实验证明铀辐射穿透力弱的称为的称为射线，穿透力强的称为射线，穿透力强的称为射线。射线。18991899年，贝克勒尔证实年，贝克勒尔证实射线能被磁场偏转，其行为与阴极射线相射线能被磁场偏转，其行为与阴极射线相似。似。19001900年，法国化学家维拉德年，法国化学家维拉德(P.Villard)(P.Villard)发现在铀辐射中还有另一发现在铀辐射中还有另一种成分，穿透力更强，称为种成分，穿透力更强，称为射线。射线。从从19021902年起，卢瑟福和索第年起，卢瑟福和索第(F(FSoddy)Soddy)等人研究。射线和放射性物质等人研究。射线和放射性物质的规律，终于导致的规律，终于导致原子核嬗变规律和原子核的发现原子核嬗变规律和原子核的发现。16现代物理学革命第16页，共96页，编辑于2022年，星期二三、电子的发现三、电子的发现v阴极射线：大的波动还是带电粒子流？vJ.J.汤姆生(J.J.Thomson)直接测阴极射线携带的电荷 使阴极射线受静电偏转 用不同方法测阴极射线的荷质比 证明电子存在的普遍性 17现代物理学革命第17页，共96页，编辑于2022年，星期二JJ汤姆生把联到静电计的电荷接受器(法拉第圆桶)安装在真空管的一侧，平时没有电荷进入接收器。用磁场使射线偏折，当磁场达到某一值时，接收器接收到的电荷猛增，说明电荷来自阴极射线。直接测阴极射线携带的电荷18现代物理学革命第18页，共96页，编辑于2022年，星期二使阴极射线受静电偏转 汤姆生重复了赫兹的静电场偏转实验，注意到在刚加上电压的瞬汤姆生重复了赫兹的静电场偏转实验，注意到在刚加上电压的瞬间，射束轻微摆动。这是由于残余气体分子在电场的作用下发生间，射束轻微摆动。这是由于残余气体分子在电场的作用下发生了电离，正负离子把电极上射线所带电荷的实验装置的电压抵消了电离，正负离子把电极上射线所带电荷的实验装置的电压抵消掉了。显然这是由于真空度不够高的原因。掉了。显然这是由于真空度不够高的原因。他在实验室技师的协助下努力改善真空条件，并且减小极间电压，他在实验室技师的协助下努力改善真空条件，并且减小极间电压，终于获得了稳定的静电偏转。终于获得了稳定的静电偏转。19现代物理学革命第19页，共96页，编辑于2022年，星期二用不同方法测阴极射线的荷质比用不同方法测阴极射线的荷质比 测量阳极的温升，因为阴极射线撞击到阳极，会引起阳极的温度升高。JJ汤姆生把热电偶接到阳极，测量它的温度变化。根据温升和阳极的热容量可以计算粒子的动能，再从阴极射线在磁场中偏转的曲率半径，推算出阴极射线的荷质比与速度。20现代物理学革命第20页，共96页，编辑于2022年，星期二汤姆生还用不同的阴极和不同的气体做实验，所得汤姆生还用不同的阴极和不同的气体做实验，所得荷质比数量级相同，证明各种条件下的粒子流都是荷质比数量级相同，证明各种条件下的粒子流都是相同的，不因电极材料和气体成分而异。相同的，不因电极材料和气体成分而异。ThomsonThomson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年诺年诺贝尔物理学奖。此后他的七个助手先后都获得过诺贝尔贝尔物理学奖。此后他的七个助手先后都获得过诺贝尔奖。奖。证明电子存在的普遍性证明电子存在的普遍性21现代物理学革命第21页，共96页，编辑于2022年，星期二三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vv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子、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、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、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 X X X射线和射线和射线和射线和射线；射线；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变为另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；一种元素；一种元素；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；变化，质量似乎不守恒了；变化，质量似乎不守恒了；变化，质量似乎不守恒了；22现代物理学革命第22页，共96页，编辑于2022年，星期二三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vv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；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放，质量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。也不断减小。也不断减小。也不断减小。23现代物理学革命第23页，共96页，编辑于2022年，星期二vv三大实验发现猛烈地冲击着牛顿力学的物质质量、三大实验发现猛烈地冲击着牛顿力学的物质质量、三大实验发现猛烈地冲击着牛顿力学的物质质量、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、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。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。vv面对物理学危机，一些抱残守缺的物理学家悲观失望，面对物理学危机，一些抱残守缺的物理学家悲观失望，面对物理学危机，一些抱残守缺的物理学家悲观失望，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。唯心主义趁虚而入。唯心主义趁虚而入。唯心主义趁虚而入。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24现代物理学革命第24页，共96页，编辑于2022年，星期二第二节第二节 量子物理学的研究量子物理学的研究量子理论（扎扎实实的科学作风）量子理论（扎扎实实的科学作风）量子力学（现代高科技的基石之一）量子力学（现代高科技的基石之一）25现代物理学革命第25页，共96页，编辑于2022年，星期二原子模型原子模型汤姆逊原子模型汤姆逊原子模型 正电荷正电荷背景电子（正电荷背景背景电子（正电荷背景（正电荷均匀分布），电子（正电荷均匀分布），电子镶嵌）镶嵌）卢瑟福原子模型卢瑟福原子模型 （行星模型（行星模型或核式模型）或核式模型）一、原子模型与量子理论一、原子模型与量子理论26现代物理学革命第26页，共96页，编辑于2022年，星期二原子模型原子模型玻尔原子模型玻尔原子模型(玻尔假说玻尔假说)：原子核外电子各自在固定原子核外电子各自在固定轨道上绕核转动，且无电磁轨道上绕核转动，且无电磁辐射；当电子从一轨道跃迁辐射；当电子从一轨道跃迁到另一轨道时，放出（或吸到另一轨道时，放出（或吸出）能量为的光子出）能量为的光子,其中其中为光子频率。为光子频率。h=6.6310-34焦耳秒 普朗克常数27现代物理学革命第27页，共96页，编辑于2022年，星期二二、量子论的发展过程二、量子论的发展过程 普朗克黑体辐射假说：普朗克黑体辐射假说：电磁辐射的能量交换是量电磁辐射的能量交换是量子化的，即子化的，即 ，n=1n=1，2 2，3 3，光电效应光电效应（爱因斯坦,1905年）：光是由无静止质光是由无静止质量的微粒（光子）组成的。量的微粒（光子）组成的。德布罗意波粒二象性假说德布罗意波粒二象性假说：任何微观粒子既是一任何微观粒子既是一种粒子，又是一种波动。种粒子，又是一种波动。28现代物理学革命第28页，共96页，编辑于2022年，星期二（一）量子论的初期 1、普朗克能量子假说19001900年普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难，引入了年普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难，引入了能能量子概念量子概念，为量子理论奠下了基石。，为量子理论奠下了基石。“紫外灾难紫外灾难”：科学家们致力于建立辐射强度与光波长之间的函数关系。科学家们致力于建立辐射强度与光波长之间的函数关系。但在长波区和实验结果符合，而当波长接近紫外时，计算出的能量为无限但在长波区和实验结果符合，而当波长接近紫外时，计算出的能量为无限大大!普朗克认为物体在发射辐射和吸收辐射时，能量是不连续的，这种分离变普朗克认为物体在发射辐射和吸收辐射时，能量是不连续的，这种分离变化不是随意的，它有最小的能量单元，该单元称为能量子或者量子。物体化不是随意的，它有最小的能量单元，该单元称为能量子或者量子。物体发射和吸收的能量只能是能量子的整数倍。发射和吸收的能量只能是能量子的整数倍。29现代物理学革命第29页，共96页，编辑于2022年，星期二2、爱因斯坦光量子论、爱因斯坦光量子论爱因斯坦针对爱因斯坦针对光电效应实验光电效应实验与经典理论的矛盾，提出了光量子假说，与经典理论的矛盾，提出了光量子假说，并在固体比热问题上成功地运用了能量子概念，为量子理论的发展打并在固体比热问题上成功地运用了能量子概念，为量子理论的发展打开了局面。开了局面。爱因斯坦认为，能量的不连续性可以推广到辐射的空间传播过爱因斯坦认为，能量的不连续性可以推广到辐射的空间传播过程。光在传播时，能量不连续地分布于空间，由分离的能量子程。光在传播时，能量不连续地分布于空间，由分离的能量子组成，这些能量子称为光量子。组成，这些能量子称为光量子。爱因斯坦认为他的光量子理论是波动及发射理论的一种融合。爱因斯坦认为他的光量子理论是波动及发射理论的一种融合。19091909年他进一步指出光不仅具有粒子性而且具有波动性，即光具年他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。有波粒二象性。30现代物理学革命第30页，共96页，编辑于2022年，星期二3、玻尔的原子理论、玻尔的原子理论 19131913年，玻尔在卢瑟福有核模型的基础上运用量子化概年，玻尔在卢瑟福有核模型的基础上运用量子化概念，提出玻尔的原子理论，对氢光谱作出了满意的解释，念，提出玻尔的原子理论，对氢光谱作出了满意的解释，使量子论取得了初步胜利。随后，玻尔、索末菲和其他使量子论取得了初步胜利。随后，玻尔、索末菲和其他物理学家为发展量子理论花了很大力气，却遇到了严重物理学家为发展量子理论花了很大力气，却遇到了严重困难。旧量子论陷入困境。困难。旧量子论陷入困境。31现代物理学革命第31页，共96页，编辑于2022年，星期二（二）量子论的建立 19231923年，德布罗意提出了物质波假说，将年，德布罗意提出了物质波假说，将波粒二象性波粒二象性运用于电子运用于电子之类的粒子束，把量子论发展到一个新的高度。之类的粒子束，把量子论发展到一个新的高度。19251925年年-1926-1926年薛定谔率先沿着物质波概念成功地确立了电子年薛定谔率先沿着物质波概念成功地确立了电子的波动方程，为量子理论找到了一个基本公式，并由此创建了的波动方程，为量子理论找到了一个基本公式，并由此创建了波动力学波动力学。几乎与薛定谔同时，海森伯写出了以几乎与薛定谔同时，海森伯写出了以“关于运动学和力学关系关于运动学和力学关系的量子论的重新解释的量子论的重新解释”为题的论文，创立了解决量子波动理论为题的论文，创立了解决量子波动理论的矩阵方法。的矩阵方法。32现代物理学革命第32页，共96页，编辑于2022年，星期二德布罗意于德布罗意于19241924年提出，微观粒年提出，微观粒子也具有波动性，根据光波与光子也具有波动性，根据光波与光子之间的关系，把微观粒子的粒子之间的关系，把微观粒子的粒子性质（能量子性质（能量E E和动量和动量p p）与波动）与波动性质（频率性质（频率和波长和波长）用所谓）用所谓德布罗意关系联系起来了，即德布罗意关系联系起来了，即 E=E=hh，p=h/p=h/。波粒二象性波粒二象性33现代物理学革命第33页，共96页，编辑于2022年，星期二（二）量子论的建立 19251925年年9 9月，玻恩与另一位物理学家约丹合作，将海森伯的月，玻恩与另一位物理学家约丹合作，将海森伯的思想发展成为系统的矩阵力学理论。不久，狄拉克改进了矩思想发展成为系统的矩阵力学理论。不久，狄拉克改进了矩阵力学的数学形式，使其成为一个概念完整、逻辑自洽的理阵力学的数学形式，使其成为一个概念完整、逻辑自洽的理论体系。论体系。19261926年薛定谔发现波动力学和矩阵力学从数学上是完全等价的，年薛定谔发现波动力学和矩阵力学从数学上是完全等价的，由此统称为量子力学，而薛定谔的波动方程由于比海森伯的矩阵由此统称为量子力学，而薛定谔的波动方程由于比海森伯的矩阵更易理解，成为量子力学的基本方程。更易理解，成为量子力学的基本方程。34现代物理学革命第34页，共96页，编辑于2022年，星期二三、量子力学基本方程薛定谔方程 适用于一切微观低速物理现象：适用于一切微观低速物理现象：原子结构，元素周期律，分子结构，化学反应，原子分子光原子结构，元素周期律，分子结构，化学反应，原子分子光谱，激光，超导，晶体管，介观纳米物理，原子激光谱，激光，超导，晶体管，介观纳米物理，原子激光.35现代物理学革命第35页，共96页，编辑于2022年，星期二四、量子理论的科学思想四、量子理论的科学思想 量子论是现代物理学的两大基石之一。量子论是现代物理学的两大基石之一。量子论给我们提供了新的关于自然界的表述方法和思考方法。量子论给我们提供了新的关于自然界的表述方法和思考方法。量子论揭示了微观物质世界的基本规律，为原子物理学、固体物理学、量子论揭示了微观物质世界的基本规律，为原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学奠定了理论基础。核物理学和粒子物理学奠定了理论基础。它能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的它能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收与辐射等。吸收与辐射等。36现代物理学革命第36页，共96页，编辑于2022年，星期二四、量子理论的科学思想四、量子理论的科学思想扎扎实实的科学作风，扎实基础，扎扎实实的科学作风，扎实基础，厚积广积，切莫急功近利厚积广积，切莫急功近利 ！科学研究有其自身的规律：科学研究有其自身的规律：先基础，后突破，成就以基础为前提，先基础，后突破，成就以基础为前提，在成就突破过程中完善和丰厚研究者的基础。基本功扎实的程度在成就突破过程中完善和丰厚研究者的基础。基本功扎实的程度直接决定了突破的可能性和成就的分量；反之，从成就的分量也直接决定了突破的可能性和成就的分量；反之，从成就的分量也可以一目了然地看出研究者基本功的扎实程度。可以一目了然地看出研究者基本功的扎实程度。科学的否定观：科学的否定观：量子力学在低速微观领域中对牛顿力学的否定，用事实证量子力学在低速微观领域中对牛顿力学的否定，用事实证实了观点，客观、扬弃和创新。实了观点，客观、扬弃和创新。37现代物理学革命第37页，共96页，编辑于2022年，星期二第三节第三节 相对论与时空观相对论与时空观Albert Einstein in 1916 38现代物理学革命第38页，共96页，编辑于2022年，星期二1、伽利略相对性原理、伽利略相对性原理1632年伽利略关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话。对于力学规律来说一切惯性系都是等价的。不可能在惯性系内部进行任何力学实验来确定该系统作匀速直线运动的速度。一、狭义相对论一、狭义相对论39现代物理学革命第39页，共96页，编辑于2022年，星期二2、“以太”概念的消除光速不变经典物理学绝对空间的根基：以太1887年迈莫实验出现零结果。1889年，菲茨杰拉德提出物体长度沿运动方向收缩。1892年，荷兰物理学家洛仑兹也独立地提出了类似的假说，并给出了著名的洛仑兹变换。1905年，爱因斯坦：以太概念不必要，光速不变，同时性是相对的。40现代物理学革命第40页，共96页，编辑于2022年，星期二狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 光速不变：光速不变：光在不光在不同介质中的传播同介质中的传播速度是可以不一速度是可以不一样的样的 相对性：相对性：所有的物理规所有的物理规律在不同的惯性参照系律在不同的惯性参照系中是一样的中是一样的 41现代物理学革命第41页，共96页，编辑于2022年，星期二3、相对论时空观同时的相对性运动的钟变慢运动的长度缩短 42现代物理学革命第42页，共96页，编辑于2022年，星期二同时的相对性同时的相对性 时间延缓时间延缓 4、狭义相对论的主要推论、狭义相对论的主要推论 43现代物理学革命第43页，共96页，编辑于2022年，星期二4、狭义相对论主要推论相对论质量在任何惯性系中，物体的运动速度不能超越光速。光速是物质运动的极限速度。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。质能关系m=g m0 粒子的总能量为：E=mc2粒子的静止能量为：E0=m0c244现代物理学革命第44页，共96页，编辑于2022年，星期二质能关系 在化学反应中，例如氢与氧结合生成水，水的质量等于参加反应的在化学反应中，例如氢与氧结合生成水，水的质量等于参加反应的氢和氧的质量之和。在反应中放出的热量，被认为是氢和氧原子中氢和氧的质量之和。在反应中放出的热量，被认为是氢和氧原子中储存的化学能，在整个反应过程中，能量和质量分别守恒。储存的化学能，在整个反应过程中，能量和质量分别守恒。爱因斯坦要使物体运动定律既满足相对性原理，又要求低速下爱因斯坦要使物体运动定律既满足相对性原理，又要求低速下与牛顿定律一致，得到了一个令人意外的结果与牛顿定律一致，得到了一个令人意外的结果。45现代物理学革命第45页，共96页，编辑于2022年，星期二二、广义相对论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。它实质上是一种引力理论，认为万有引力的产生由于物质的存在和一定的分布状况使时间和空间的性质变得不均（即时空弯曲）所致。46现代物理学革命第46页，共96页，编辑于2022年，星期二1、广义相对论的基本原理 等效原理等效原理非惯性系与一个引力场等效。非惯性系与一个引力场等效。（引力（引力场对物体的引力作用和物体的加速运动是等效的。场对物体的引力作用和物体的加速运动是等效的。）广义相对论原理广义相对论原理自然法则自然法则（物理学基本规律）（物理学基本规律）在所有的参考系中都是相同的。在所有的参考系中都是相同的。47现代物理学革命第47页，共96页，编辑于2022年，星期二2、广义相对论的主要结论、广义相对论的主要结论48现代物理学革命第48页，共96页，编辑于2022年，星期二3 3、广义相对论的验证、广义相对论的验证49现代物理学革命第49页，共96页，编辑于2022年，星期二4、相对论的实际应用、相对论的实际应用 全球定位系统（全球定位系统（GPSGPS）：）：GPS卫星星座、地面监控系统和用户设备。50现代物理学革命第50页，共96页，编辑于2022年，星期二4、相对论的实际应用、相对论的实际应用北京时间北京时间20032003年年5 5月月2525日零时日零时3434分，我国在西昌卫星发射中心分，我国在西昌卫星发射中心用用“长征三号甲长征三号甲”运载火箭，成功地将第三颗运载火箭，成功地将第三颗“北斗一号北斗一号”导导航定位卫星送入太空。航定位卫星送入太空。欧盟于年提出了旨在建立全球卫星定位导航系统的欧盟于年提出了旨在建立全球卫星定位导航系统的“伽利略伽利略”计划。该系统由颗运行卫星和颗预备卫星组成，计划。该系统由颗运行卫星和颗预备卫星组成，可以覆盖全球，预计将在年投入使用。可以覆盖全球，预计将在年投入使用。“伽利略伽利略”计计划的投资总额估计高达亿欧元。划的投资总额估计高达亿欧元。51现代物理学革命第51页，共96页，编辑于2022年，星期二三、相对论的时空观三、相对论的时空观 牛顿的绝对时空观认为时间和空间是绝对的、均匀的，牛顿的绝对时空观认为时间和空间是绝对的、均匀的，相互独立的。相互独立的。根据相对论根据相对论,时间和空间是相对的。即在不同的参照系时间时间和空间是相对的。即在不同的参照系时间是不同的，物体的形状，质量等都是不同的。是不同的，物体的形状，质量等都是不同的。“横看成岭侧成峰，远近高低各不同。横看成岭侧成峰，远近高低各不同。”（苏轼题西林（苏轼题西林壁）壁）52现代物理学革命第52页，共96页，编辑于2022年，星期二三、相对论的时空观三、相对论的时空观 时间与空间不仅是相对的、相互关联的。时间与空间不仅是相对的、相互关联的。而且与物质存在有关，与观察者的运动状态有关而且与物质存在有关