第 九 讲 20世纪物理学革命

科学技术史

第 九 讲 20世纪物理学革命

第一节 现代物理学革命的序幕

17世纪，牛顿完成了经典力学体系，实现了物理学的第一次理论大综合。1846年，海

王星的发现完全证明了牛顿理论的威力。19世纪40年代，能量守恒和转化定律的发现，把力学、热学、电学、化学甚至生物学联系在一起，分子运动理论的产生，麦克斯韦电磁理论的建立，把电学、磁学、光学统一起来，完成了物理学的第二次理论大综合。这样，经典物理学被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂”。开尔文甚至说“物理学以后的贡献只能在小数点后六位数以后去寻找了”。

牛顿的绝对时空观

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与其他外界事物无关地流逝着，它又可以名之为“延续性”。

绝对的空间，就其本身而言，是与外界任何事物无关而永远是相同的、不动的。 “水桶实验” ： 桶里装水，旋转桶，初始，水面平静，后来，由于摩擦力，水面弯曲。停止旋转桶，水面仍然动荡。因此，牛顿认为，水面是否弯曲并不取决于水是否相对于桶运动，而取决于是否相对绝对空间运动。

一）19世纪末的三大发现

1、χ射线（即伦琴射线）的发现

1）阴极射线的发现

19世纪下半叶，物理学家开始集中关注电荷通过气体的放电现象。1859年，德国图宾根大学教授普吕克尔（1801—1868）发现，当放电管中气压足够低（一个大气压的1/10万）并加上高压电时，阴极对面的管壁上出现淡绿色的光斑。将管内两极接线调换后，原来阴极那边管壁上又闪耀淡绿色的荧光。这表明有一束射线从阴极射向阳极。普吕克尔发现了阴极射线。

2）χ射线的发现

伦琴（Willhelm Konrad Rotgen，1845—1923），德国实验物理学家，1901年首届诺贝尔

物理学奖获得者。

面对阴极射线的研究热潮，伦琴也置身其中。他猜想阴极射线管内产生的绿色荧光，

可能是管内残留的空气引起的，或是由于阴极射线撞击玻璃引起的。为了测定阴极射线对各种材料的穿透厚度，必须排除外界干扰，防止管外荧光板受管内荧光的影响，他用黑纸将阴极射线管包得严严实实，门窗紧闭，关闭室内一切灯光。这时，伦琴打开射线管的电源开关，将荧光板靠近射线管的铅片洞口，荧光板上立即出现亮斑，离得稍远一点，亮斑就消失了。多次反复实验后，得到非常一致的结果：阴极射线在空气中的穿透距离为2.54厘米。由实验得知，阴极射线可以穿透薄铝片，但不能穿透玻璃。

1895年11月8日，伦琴继续在实验室里工作，接通电源，一个偶然事件引起了他的注意。当时，房间一片漆黑，放电管用黑纸包严。他突然发现了位于实验台的一块亚铂氰化钡做成的荧光屏发出闪光。他很奇怪，就移远荧光屏继续试验。只见荧光屏的闪光，仍随放电过程的节拍断续出现。 它可以穿透厚达一千页的书、几厘米厚的木板、15毫米厚的铝片，并可用照相的方法透过人体显示骨骼的轮廓和金属物体内部的缺陷。伦琴意识到这可能是某

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种特殊的从来没有观察到过的射线，它具有特别强的穿透力。

伦琴深深地沉浸在这一新奇现象的探讨中，达到了废寝忘食的地步。平时一直帮他工作的伦琴夫人感到他举止反常，以为他有什么事情瞒着自己，甚至产生了怀疑。六个星期过去了，伦琴已经确认这是一种新的射线。才告诉自己的亲人。

1895年12月22日，他邀请夫人来到实验室，用他夫人的手拍下了第一张人手χ射线照片。伦琴夫人看χ光片说： 我好像在观赏我自己的死亡。

1895年12月28日，伦琴将他的研究写成论文《论一种新的射线》，指出这种射线具有

的性质：

① 新射线来自于被阴极射线击中的固体，固体元素越重，产生出来的新射线就越强；

② 新射线沿直线传播，不能被棱镜反射和折射，也不被磁场偏转；

③ 所有物体对于新射线几乎都是透明的；

④ 新射线可使荧光物质发光，使照相底片感光，能显示出装在盒子里的砝码、猎枪的弹膛和人手指骨的轮廓。

3）Χ射线发现的意义

发现χ射线的消息很快传遍全球。许多物理学家和实验机构都转向对Χ射线的研究。仅1896年，关于Χ射线的研究论文多达1000多篇。

由于这一射线有强大的穿透力，能够透过人体显示骨骼和薄金属中的缺陷，在医疗和金属检测上有重大的应用价值，因此引起了人们的极大兴趣。一个月内许多国家都竞相开展类似的试验。 Χ射线迅速被医学界广泛利用，成为透视人体、检查伤病的有力工具，后来又发展到用于金属探伤。

Χ射线的发现对自然科学的发展更有极为重要的意义，它像一根导火线，引起了一连

串的反应。

许多科学家投身于Χ射线和阴极射线的研究，从而导致了放射性、电子以及α、β射线的发现，为原子科学的发展奠定了基础。

由于科学家探索Χ射线的本质，发现了Χ射线的衍射现象，并由此打开了研究晶体结构的大门；根据晶体衍射的数据，可以精确地求出阿伏伽德罗常数。在研究Χ射线的性质时，还发现Χ射线具有标识谱线，其波长有特定值，和Χ射线管阳极元素的原子内层电子的状态有关，由此可以确定原子序数，并了解原子内层电子的分布情况。

Χ射线的性质也为波粒二象性提供了重要证据。

伦琴对科学有崇高的献身精神。他把Χ射线的发现奉献给全人类，自己没有申请专利。

他说：“我认为发明和发现都应属于整个人类”。

1901年首届诺贝尔物理学奖授给了伦琴，但他非常谦虚，没有在颁奖大会上发表演说。他把获得的全部诺贝尔奖金都捐献给了自己的工作单位沃兹堡大学物理实验室作为研究费用。他反对用自己的姓氏来命名Χ射线，同时他还谢绝了巴伐利亚王子所授予他的贵族爵位，并因此受到贵族的冷遇。他不愿在公共场合上露面，更不高兴接受人们的赞扬和吹捧。为了避开人们的访问和庆贺，他多次远离柏林，躲到乡下去生活。

伦琴晚年生活十分困苦，他的双手由于受Χ射线照射，在晚年干枯得像干柴一般。他没有儿女，夫人早年就已去世，1923年伦琴因癌症去世时，身边竟没有任何亲人。

链接： Χ射线在科学上的应用

冯 · 劳厄（Max Theodor Felix Von Laue 1879~1960），因发现χ射线在晶体中的衍射，

获得了1914年的诺贝尔物理学奖。

1912年，德国物理学家劳厄从晶体衍射的新发现判定χ射线是频率极高的电磁波。不

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久以后，莫塞莱证实它是由原子中内层电子跃迁所发出的辐射。

微波布拉格衍射

1912年劳厄等人根据理论预见，并用实验证实了χ射线与晶体相遇时能发生衍射现象，证明了χ射线具有电磁波的性质，成为χ射线衍射学的第一个里程碑。当一束单色χ射线入射到晶体时，由于晶体是由原子规则排列成的晶胞组成，这些规则排列的原子间距离与入射χ射线波长有相同数量级，故由不同原子散射的χ射线相互干涉，在某些特殊方向上产生强χ射线衍射，衍射线在空间分布的方位和强度，与晶体结构密切相关。这就是 χ射线衍射的基本原理。衍射线空间方位与晶体结构的关系可用布拉格方程表示：2dsinθ=nλ

式中，λ是X射线的波长；θ是衍射角；d是结晶面间隔；n是整数。波长λ可用已知的χ射线衍射角测定，进而求得面间隔，即结晶内原子或离子的规则排列状态。将求出的衍射χ射线强度和面间隔与已 …… 此处隐藏：22065字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……