世纪末20世纪初的物理学革命

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1、物理学的新时代——19世纪末20世纪初的物理学革命人文学院科技所屠聪艳参考书目主要参考：《科学技术史讲义》清华大学出版社辅助参考：《大学物理导论——物理学的理论方法、历史与前沿》（上册）向义和清华大学出版社《科学史及其与宗教和哲学的关系》丹皮尔商务印书馆《历史上的科学》贝尔纳科学出版社本书的优缺点优点：条理清晰，容易把握，讲课的理想选择；缺点：过于简单，需要辅助理解。比较：《科学史》：重思想，有逻辑，过难；《大学物理导论》：兼顾理论、方法与历史，是理解相对论的最佳选择（p267－p337）；《历史上的科学》：揭示了很多本质性的东西，但缺乏内在的连贯

2、性。※物理学革命的序幕古典物理学的顶峰与物理学危机X射线、放射性与电子的发现物理学的新发现与哲学上两条路线的斗争※相对论的创立从绝对时空观到狭义相对论的建立广义相对论极其验证1、古典物理学的顶峰牛顿力学建立后，被顺利地推广到刚体和流体。到了19世纪，热力学、统计力学和电动力学也建立起来了。古典物理学在科学与技术的各个领域得到了广泛的应用，取得了巨大的成功。1846年海王星的发现又完全证实了根据牛顿理论所作出的预言。19世纪40年代能量守恒定律的发现，揭示了各种物质运动形式之间的转化关系，从而把力学、热学、电学、化学等联系在一起。牛顿力学成为各门科学

3、的理论基础，这样，大至日月星辰、小到原子分子，似乎无不被牛顿体系所包罗。大部分人认为，物理学大厦已经最终建成，剩下的工作只是把物理常数的测量弄得再准确一些。2、物理学危机隐含的危机：麦克斯韦电磁场理论的无法解释正当古典物理达到了顶峰，人们陶醉于“尽善尽美”的境界时，却出乎意料地发生了物理学危机。这场危机是从以太漂移实验和黑体辐射定律的研究开始的。—以太漂移实验的零结果—对比热和热辐射定律研究中出现了“紫外灾难”两朵乌云——>乌云密布这次危机终于酿成了空前的物理学大革命序幕：阴极射线的发现1836年法拉第就注意到低压气体中的放电现象，但因缺少高真空的

4、手段未能实现真空放电；1854年盖斯勒发明了“盖斯勒真空管”；1876年戈尔茨坦指出真空放电时阴极管壁上产生的绿色光辉，是由负极上所产生的某种射线射到玻璃上引起的，他把这种射线称为“阴极射线”。“阴极射线”的发现，引起科学家的兴趣，不少人来研究射线的性质，从而导致了X射线、放射性和电子等一系列重要发现。X射线的发现德国物理学家伦琴在用“希托夫－克鲁克斯真空管”研究阴极射线时偶尔发现，一个涂有亚铂氰化钡（一种荧光物质）的幕屏放在放电管附近时，屏幕上会闪耀着青绿色的光辉；无论怎么挪远屏幕距离，结果都是一样；他将一些东西放在玻璃管与屏幕之间，发现有某种新

5、射线从管中射出来；这种射线不仅能使某些物质发出荧光，而且还能穿透玻璃、厚纸板甚至金属；这种射线还能透过黑纸使照相底片感光。X射线≠阴极射线X射线是由放电设备的玻璃管壁上的阴极射线所产生的。然而，通过移动荧光屏又发现，X射线并不是阴极射线，因为后者决不能在空气中走那么远的距离。—伦琴称这种性质未知的射线为X射线。X射线之后伦琴的发现震惊了整个科学界，许多物理学家转来研究X射线，产生了一系列的成果：1906年英国物理学家巴克拉发现，当X射线被金属散射时，散射后的X射线的穿透本领会随金属的不同而迥然不同，这表明每种金属都有自己的“特征X射线”。1913年

6、年轻的物理学家莫斯莱求出了各种金属的特征X射线的波长，并且得到一个重要发现：各种金属的波长非常有规律地随着他们在周期表中的排列顺序而递减。利用这个规律，他准确地确立了各元素的原子序数，并且发现他们恰与核电荷数相等。放射性的发现1896年法国物理学家昂利•贝克勒尔对一种称为硫酸双氧铀钾的物质进行了研究，想知道这种荧光辐射中是否含有X射线。实验发现，虽然未经阳光照射（失去了紫外线对荧光的刺激作用），底片却由于很强的辐射而变得很黑。这决不是荧光或阳光所能造成的，必然有一种特别的东西在起作用。经过多次实验，他很快判明这种东西就是硫酸双氧铀钾中的铀，这就是最

7、早发现的放射性现象。居里夫人建议把这种辐射能力叫做“放射性”。三种射线天然放射性元素能够放射出α、β、γ射线。α射线是带两个氦核的粒子流；β射线是高速的电子流；γ射线是波长比X射线更短的电磁波，即光子流。这三种射线都是从原子里跑出来的，原子不可分的观念被彻底打破了。1902年卢瑟福和索迪提出原子自然衰变的理论，阐明放射性的本质就是放射性元素的原子核自发地转变为另一种原子核的过程。这就证明了元素不是不可改变的，而是可以转化的。电子的发现阴极射线究竟是什么？电磁辐射or某种粒子流？1897年J·J·汤姆生演示阴极射线证明，阴极射线不仅能被磁铁所偏转而且

8、还能被电荷所偏转，并且确定它是带负电的粒子流。汤姆生用“电子”作为这种粒子的名称。汤姆生的发现汤姆生巧妙地测出了阴极射线在