1、第五章第五章 打开微观世界研究大门的打开微观世界研究大门的三大发现三大发现 科学对于人类事务的影响有两种方式，第一种方式是科学对于人类事务的影响有两种方式，第一种方式是大家熟知的：科学直接的并在更大程度上间接地产生出大家熟知的：科学直接的并在更大程度上间接地产生出完全改变人类生活的工具；第二种方式是教育的性质完全改变人类生活的工具；第二种方式是教育的性质它作用于心灵。它作用于心灵。爱因斯坦爱因斯坦 世界万物是如何构成的？世界万物是如何构成的？公元前公元前400年，古希腊的哲学家德谟克里特认为，物质年，古希腊的哲学家德谟克里特认为，物质是由最小的不可再分的粒子构成是由最小的不可再分的粒子构成。原
2、子的英文名字：原子的英文名字：atom。原子的希腊文名字：原子的希腊文名字：atomos，意思是不能再分。，意思是不能再分。最早原子这个词传入中国时严复把它翻译成最早原子这个词传入中国时严复把它翻译成“莫破尘莫破尘”。我国战国时的公孙龙说过：我国战国时的公孙龙说过：“一尺之棰，日取其半，万一尺之棰，日取其半，万世不竭。世不竭。”科学原子论的创始人科学原子论的创始人 英国科学家道尔顿在英国科学家道尔顿在1807年，依据一系列实验首先提年，依据一系列实验首先提出：出：“气体、液体和固体都是由该物质的不可分割的原子气体、液体和固体都是由该物质的不可分割的原子组成的组成的”以及以及“同种元素的原子其大
3、小、质量和各种性质同种元素的原子其大小、质量和各种性质都相同都相同”。在这里，道尔顿的原子已不再是哲学术语，而是实实在这里，道尔顿的原子已不再是哲学术语，而是实实在在组成物质的基本单元。在在组成物质的基本单元。在这以后，不少化学家和物理学家以大量实验事实证在这以后，不少化学家和物理学家以大量实验事实证明了科学原子论的正确。明了科学原子论的正确。但是原子到底是否可分？但是原子到底是否可分？若还可分，则如何分？若还可分，则如何分？物质结构的最小层次又是什么？物质结构的最小层次又是什么？这些任务落到了物理学家身上。这些任务落到了物理学家身上。大约又过了大约又过了100年，到年，到19世纪末，物理学家
4、的研世纪末，物理学家的研究有了突破性的发现。究有了突破性的发现。这就是世纪之交的三大发现：这就是世纪之交的三大发现：X射线射线 放射性放射性 电子的发现电子的发现 人类从此打开了奇妙的微观世界研究的大门。人类从此打开了奇妙的微观世界研究的大门。5.1 X5.1 X射线的发现射线的发现 一、阴极射线的发现及其本性的争论 1858年，德国物理学家普吕克尔发现阴极射线。年，德国物理学家普吕克尔发现阴极射线。德国物理学家哥尔茨坦认为阴极射线应该是一种类德国物理学家哥尔茨坦认为阴极射线应该是一种类似于紫外光的以太波。似于紫外光的以太波。赫兹和他的助手勒纳德，通过实验研究发现：赫兹和他的助手勒纳德，通过实
5、验研究发现：从勒纳德窗透出来的射线与放电管内射线性质完全从勒纳德窗透出来的射线与放电管内射线性质完全相同。它能使荧光物质发光，在磁场中能偏转，可使照相同。它能使荧光物质发光，在磁场中能偏转，可使照相底片感光，可使空气电离。相底片感光，可使空气电离。另一种观点来自英国学派，他们主张阴极射线是粒另一种观点来自英国学派，他们主张阴极射线是粒子流。子流。两个学派，截然相反的两个学派，截然相反的两种观点，在当时双方争持两种观点，在当时双方争持不下。不下。最后对阴极射线本性作最后对阴极射线本性作出正确而肯定答案的是英国出正确而肯定答案的是英国剑桥大学卡文迪许实验室教剑桥大学卡文迪许实验室教授授J.J.J.
6、J.汤姆孙。汤姆孙。J.J.汤姆孙汤姆孙 二、一种新射线的发现 伦琴用装有勒纳德窗的阴极射线管伦琴用装有勒纳德窗的阴极射线管 研究阴极射线，发现了研究阴极射线，发现了X射线，于射线，于1901 年获得了第一个诺贝尔物理学奖。年获得了第一个诺贝尔物理学奖。伦琴伦琴1 1发现过程：发现过程：抓住异常现象不放过，一鼓作气，深入研究，抓住异常现象不放过，一鼓作气，深入研究，7 7周时周时间连续发现了一种奇特的新射线（间连续发现了一种奇特的新射线（X X射线），这种射线：射线），这种射线：直线传播，在磁场中不偏转，有很强的穿透性，可使照直线传播，在磁场中不偏转，有很强的穿透性，可使照相底片感光。相底片感
7、光。18951895年年1212月月2828日，完成了具有历日，完成了具有历史意义的论文史意义的论文一种新射线一种新射线初步初步报告报告，公布了历史上第一张，公布了历史上第一张X X射线的射线的照片（他妻子的手骨照片）照片（他妻子的手骨照片）伦琴夫人手的照片伦琴夫人手的照片 2 2重大意义：人类首次进入了微观世界重大意义：人类首次进入了微观世界 3 3在发现过程中几个值得思考的问题在发现过程中几个值得思考的问题 （1 1）伦琴发现）伦琴发现X X射线是偶然的吗？射线是偶然的吗？看来好像是偶然的，实际上又是看来好像是偶然的，实际上又是“偶然中的必偶然中的必然然”。在伦琴发现。在伦琴发现X X射线
8、之前的射线之前的3030年中，不少科学家已年中，不少科学家已发现过类似伦琴所见到的异常现象，可惜没有抓住机发现过类似伦琴所见到的异常现象，可惜没有抓住机会。成了恩格斯所说的会。成了恩格斯所说的“往往当真理碰到鼻子尖上的往往当真理碰到鼻子尖上的时候，还是没有得到真理时候，还是没有得到真理”的人。的人。伦琴为什么能抓住呢？这归功于他一贯对实验工作伦琴为什么能抓住呢？这归功于他一贯对实验工作十分热爱和专注以及他敏锐的观察和判断能力，还有严十分热爱和专注以及他敏锐的观察和判断能力，还有严谨的科学态度。谨的科学态度。“实验是最强有力的杠杆，我们可以利用这个杠杆去撬实验是最强有力的杠杆，我们可以利用这个杠
9、杆去撬开自然界的秘密。在解决某一假说是保留还是摒弃这样开自然界的秘密。在解决某一假说是保留还是摒弃这样一个问题时，这个杠杆应当成为最高级的评审法一个问题时，这个杠杆应当成为最高级的评审法院。院。”伦琴伦琴 柏林普鲁士科学院在祝贺伦琴获得博士学位柏林普鲁士科学院在祝贺伦琴获得博士学位5050周年周年的贺信中，对伦琴做出了高度的评价：的贺信中，对伦琴做出了高度的评价：“科学史表明，科学史表明，在每一个发现中通常都在成就和机遇中间存在一种特殊在每一个发现中通常都在成就和机遇中间存在一种特殊的联系，而许多不完全了解事实的人，可能会倾向于把的联系，而许多不完全了解事实的人，可能会倾向于把这一特殊的事例大
10、部分归功于机遇。但是只要深入了解这一特殊的事例大部分归功于机遇。但是只要深入了解您独特的科学个性，谁都会理解这一伟大发现应归功于您独特的科学个性，谁都会理解这一伟大发现应归功于您这位摆脱了任何偏见，将完美的实验艺术和极端严谨您这位摆脱了任何偏见，将完美的实验艺术和极端严谨自觉的态度结合在一起的研究者。自觉的态度结合在一起的研究者。”（2 2）伦琴淡薄名利的高尚品德值得称颂。他将发现和）伦琴淡薄名利的高尚品德值得称颂。他将发现和发明全部奉献给了人类。发明全部奉献给了人类。三、X射线的本性和应用 X X射线与通常的光波一样，是电磁波，只是波长很短射线与通常的光波一样，是电磁波，只是波长很短（0.0
11、010.0011nm1nm）。）。围绕围绕X X射线的性质和应用的研究，除伦琴外，还有射线的性质和应用的研究，除伦琴外，还有1515项获诺贝尔奖的课题与项获诺贝尔奖的课题与X X射线有关。射线有关。在应用方面值得指出的是：在应用方面值得指出的是：用用X X射线衍射可以对晶体表射线衍射可以对晶体表面进行分析，尤其值得一提面进行分析，尤其值得一提的是用此方法，沃森和克里的是用此方法，沃森和克里克获得了克获得了DNADNA分子结构，从分子结构，从而提出而提出DNADNA双螺旋结构模型。双螺旋结构模型。用特征用特征X X射线可对材料的元射线可对材料的元素成分做出分析，在考古、素成分做出分析，在考古、医
12、学诊断、材料研究等方面医学诊断、材料研究等方面有重要应用。有重要应用。DNA分子双螺旋结构分子双螺旋结构 5.2 5.2 放射性的发现放射性的发现 一、贝克勒尔的一个惊人的意外发现 1 1发现过程发现过程 起因是彭加勒对起因是彭加勒对X X射线来射线来源的一个错误推测：他认为源的一个错误推测：他认为X X射线可能是从荧光物质发出的。射线可能是从荧光物质发出的。贝克勒尔是研究荧光现象的世贝克勒尔是研究荧光现象的世家子弟，他用荧光物质铀盐做家子弟，他用荧光物质铀盐做实验，事隔一周后，所给出的实验，事隔一周后，所给出的两次报告的结果截然不同。两次报告的结果截然不同。贝克勒尔贝克勒尔 他发现铀盐本身就
13、会放出一种肉眼看不见的射线，他发现铀盐本身就会放出一种肉眼看不见的射线，它与荧光完全无关，是一种穿透能力很强的神秘射线。它与荧光完全无关，是一种穿透能力很强的神秘射线。这种射线还可以使空气电离。这一性质为后来对射线这种射线还可以使空气电离。这一性质为后来对射线强度的定量研究打下了实验基础。强度的定量研究打下了实验基础。2 2重大意义：人类第一次接触到核现象，下章我们将重大意义：人类第一次接触到核现象，下章我们将会知道放射性是来自原子核，这使人类的认识又深入一会知道放射性是来自原子核，这使人类的认识又深入一个层次。个层次。第一张铀辐射照片第一张铀辐射照片 3 3在发现过程中几个值得思考的问题在发
14、现过程中几个值得思考的问题（1 1）偶然中的必然：家族几代人对铀盐的研究，使贝克勒）偶然中的必然：家族几代人对铀盐的研究，使贝克勒尔积累了丰富的实践经验，培养了他严谨的科学态度和尔积累了丰富的实践经验，培养了他严谨的科学态度和科学家的科学家的“灵感灵感”。（2 2）“灵感灵感”是一种创造性思维。科学思维包括逻辑思维是一种创造性思维。科学思维包括逻辑思维（归纳、演绎、类比等）和超逻辑思维（科学想象、直（归纳、演绎、类比等）和超逻辑思维（科学想象、直觉和灵感）。人们的科学思维是这两种思维的综合运用。觉和灵感）。人们的科学思维是这两种思维的综合运用。但超逻辑思维能打破常规思路、突破思维定式、洞察事但
15、超逻辑思维能打破常规思路、突破思维定式、洞察事物本质，更具创造性作用。物本质，更具创造性作用。“灵感灵感”是一种顿悟式的、突发性的直觉。它是以创是一种顿悟式的、突发性的直觉。它是以创造者善于思考、不断探索和实践经验的积累为前提的，造者善于思考、不断探索和实践经验的积累为前提的，决不是凭空想象和心血来潮的结果。决不是凭空想象和心血来潮的结果。（3 3）从简单的甚至错误的假设出发，通过实验检验不）从简单的甚至错误的假设出发，通过实验检验不断修正，甚至推翻原有的假设，使人们的认识逐步走向断修正，甚至推翻原有的假设，使人们的认识逐步走向真理，最终得到世人公认的重大发现，这正是科学研究真理，最终得到世人
16、公认的重大发现，这正是科学研究的一种常见模式。的一种常见模式。二、贝克勒尔的二、贝克勒尔的“先验观念先验观念”和居里夫人的新的和居里夫人的新的突破突破 1贝克勒尔为什么贝克勒尔为什么“保守保守”了？了？贝克勒尔发现铀盐的放射性后，没有将研究拓宽和深贝克勒尔发现铀盐的放射性后，没有将研究拓宽和深入下去，而是仅仅只限于铀盐。各种原因正如他多年后所入下去，而是仅仅只限于铀盐。各种原因正如他多年后所说：说：“因为放射线是通过铀认识的，所以有一种先验的观因为放射线是通过铀认识的，所以有一种先验的观念，认为其他已知物体的放射性可比铀还要大很多是不大念，认为其他已知物体的放射性可比铀还要大很多是不大可能的，
17、于是对这个新现象的普遍性的研究似乎就没有对可能的，于是对这个新现象的普遍性的研究似乎就没有对它的本质的物理研究来的紧迫。它的本质的物理研究来的紧迫。”2 2居里夫人的创新思维居里夫人的创新思维 居里夫人根据其丈夫的建议，将刚被发现的放射性居里夫人根据其丈夫的建议，将刚被发现的放射性的研究作为她的博士论文。的研究作为她的博士论文。（1）她毫不保守，将测量对象从一种铀盐扩展到她所能）她毫不保守，将测量对象从一种铀盐扩展到她所能找到的各类矿石。找到的各类矿石。（2）通过高精度定量化的测量弱电离电流来测量放射性）通过高精度定量化的测量弱电离电流来测量放射性的强度。的强度。在极端困难情况下，她在极端困难
18、情况下，她在在18981898年接连发现了新的放年接连发现了新的放射性元素：钍、钋和镭。其射性元素：钍、钋和镭。其中镭的放射性要比铀强约中镭的放射性要比铀强约100100万倍。万倍。1903 1903年居里夫妇与贝克年居里夫妇与贝克勒尔共享了诺贝尔物理学奖。勒尔共享了诺贝尔物理学奖。居里夫妇居里夫妇 3 3居里夫人的高尚品德居里夫人的高尚品德 居里夫妇克服困难，历时居里夫妇克服困难，历时4年坚持不懈地工作，在几吨矿渣年坚持不懈地工作，在几吨矿渣中提炼出了中提炼出了0.1克纯氯化镭。居克纯氯化镭。居里夫人的健康受到很大损害，体里夫人的健康受到很大损害，体重减轻了重减轻了10公斤。然而回忆这段公斤
19、。然而回忆这段历史，她说：历史，她说：“在这样的设备条在这样的设备条件下，我们开始了令任何人都会件下，我们开始了令任何人都会疲乏不堪的工作。然而，就是在疲乏不堪的工作。然而，就是在这陈旧不堪的棚子里，度过了我这陈旧不堪的棚子里，度过了我们一生中最美好和最幸福的年们一生中最美好和最幸福的年月。月。”居里夫人居里夫人 作为第一位两获诺奖的科学家，功名、财富近在咫作为第一位两获诺奖的科学家，功名、财富近在咫尺。然而居里夫人不为所动，不把自己的发明申请专利，尺。然而居里夫人不为所动，不把自己的发明申请专利，将制镭技术奉献给全人类。她说：将制镭技术奉献给全人类。她说：“物理学家总是把研究成果全部发表的。
20、不能物理学家总是把研究成果全部发表的。不能因为我们的发现偶有商业前途而从中牟利，特别是，因为我们的发现偶有商业前途而从中牟利，特别是，镭有治病的功效镭有治病的功效我们不能申请专利，这是违背我们不能申请专利，这是违背科学精神的。科学精神的。”讨论与思考：讨论与思考：在强调保护在强调保护“知识产权知识产权”的今天，如何认识和看待的今天，如何认识和看待居里夫人的举动？居里夫人的举动？爱因斯坦在悼词中说：爱因斯坦在悼词中说：“在像居里夫人这样一位崇高人物结束她的一生的时在像居里夫人这样一位崇高人物结束她的一生的时候，我们不要仅仅满足于回忆她的工作成果对人类做候，我们不要仅仅满足于回忆她的工作成果对人类
21、做出的贡献。第一流人物对于时代和历史进程的意义，出的贡献。第一流人物对于时代和历史进程的意义，在其道德品质方面，也许比单纯的才智成就方面还要在其道德品质方面，也许比单纯的才智成就方面还要大。大。三、和 三种射线 射线射线：He42 射线：射线：e-电子流电子流 射线：中性的电磁辐射射线：中性的电磁辐射 1 1三种射线在磁场中可以分开：三种射线在磁场中可以分开：衰变：原子核自发地放射出粒子而发生的转变衰变：原子核自发地放射出粒子而发生的转变 HeRnRa422228622688HePbPo4220682210842放射性现象实质是一种原子核衰变放射性现象实质是一种原子核衰变 衰变：原子核自发地放
22、射出粒子或俘获一个轨道电子衰变：原子核自发地放射出粒子或俘获一个轨道电子而发生的转变而发生的转变 轨道电子俘获：轨道电子俘获：LieBe73K74在考古上常用在考古上常用 的核的的核的 衰变为：衰变为：e147146eNCC14在医学上常用在医学上常用 的核的的核的 衰变为：衰变为：e136137eCNN137 其中其中 、是质量很接近零的中微子。它们是电是质量很接近零的中微子。它们是电中性的，有很强的穿透力。中性的，有很强的穿透力。表示从最靠近核的表示从最靠近核的K K层电层电子轨道上俘获的电子。子轨道上俘获的电子。衰变：衰变：或或 衰变后，留下的子核处于激发态时，衰变后，留下的子核处于激发
23、态时，它可以通过放出它可以通过放出 射线而退激。子核放出的射线而退激。子核放出的 射线不止一射线不止一种，可能含有几种不同能量的种，可能含有几种不同能量的 射线，例如射线，例如 处于激发态的处于激发态的 子核可以再放出的射线有子核可以再放出的射线有1.17MeV和和1.33MeV两种。两种。eeKee60286027e*NiCo*Ni6028 四、放射性衰变规律 1 1指数衰变规律指数衰变规律 tNtNe0为衰变常数，是反映衰变快慢的物理量为衰变常数，是反映衰变快慢的物理量 2 2 放射性活度和衰变常数的意义放射性活度和衰变常数的意义 在实际应用中，放射性强弱应是与放射性核的数目在实际应用中，
24、放射性强弱应是与放射性核的数目及衰变快慢有关，所以定义放射性活度：及衰变快慢有关，所以定义放射性活度：tNtA其物理意义是：在其物理意义是：在t t时刻，放射性核素的衰变率，即在时刻，放射性核素的衰变率，即在 时刻内发生衰变的放射性核素数目与时刻内发生衰变的放射性核素数目与 时时间之比。间之比。tttt 证明：证明：ttNttNtNtNtA ttNtNNtAtttte1ee00当当 足够小时，足够小时，所以，所以 ttt1e tNtA 由由 ，可得，可得 tNtN ttNN 的物理意义是：单位时间放射性核素的衰变概率的物理意义是：单位时间放射性核素的衰变概率（单位是（单位是s-1）3 3半衰期
25、半衰期 与与 的的关系关系 某放射性核素的数目某放射性核素的数目衰变掉一半所需的时间衰变掉一半所需的时间 21T693.0ln221T放射性核素指数衰变规律图放射性核素指数衰变规律图 衰变规律可以改写为：衰变规律可以改写为：212121e069300/TtTt.NNtN 4 4已知放射性活度随时间的变化，可以测得相应的时间已知放射性活度随时间的变化，可以测得相应的时间 ttANtAee00于是有于是有 tAAAtAt00ln1ln1 例题例题：有一古尸，现测得此古尸：有一古尸，现测得此古尸1 g碳中的碳中的 的活度是的活度是0.121 Bq。问此人已死亡多少年了？。问此人已死亡多少年了？C14
26、/s1083.3/y102115730y693.0693012421.T./此人刚死亡时此人刚死亡时1 g碳中碳中 的放射性活度的放射性活度A0的计算如下：的计算如下：C14应用举例：应用举例：C14考古考古 已知已知12 g（1摩尔质量）碳中含有的碳原子数为阿伏加摩尔质量）碳中含有的碳原子数为阿伏加德罗常数德罗常数 个，所以个，所以1g碳中碳中 的原子数的原子数为为 个，相应的个，相应的 原子数目为原子数目为 个，于是可得个，于是可得23A1002.6NC122223105.021210026/.C141012221002.61020.11002.5231Bq.01002.6/s1083.3
27、101200NA5340a121Bq.0231Bq.0ln/a1021.11ln140AAt可见此人已死去可见此人已死去5340年了。年了。5.3 5.3 电子的发现电子的发现 一位最先打开通向一位最先打开通向基本粒子物理学大门的基本粒子物理学大门的伟人伟人汤姆孙汤姆孙 汤姆孙在测荷质比汤姆孙在测荷质比 一、电子发现过程 三个关键性实验：三个关键性实验：第一个实验：通过提高真空度，完成了阴极射线在第一个实验：通过提高真空度，完成了阴极射线在磁场中的偏转实验，证明阴极射线是带电粒子流。磁场中的偏转实验，证明阴极射线是带电粒子流。第二个实验：利用汤姆孙管，定量测出阴极射线的第二个实验：利用汤姆孙管
28、，定量测出阴极射线的荷质比约为荷质比约为1011C/kg1011C/kg，这要比氢原子的荷质比大，这要比氢原子的荷质比大10001000倍倍左右。他结合了其他人的实验，尤其是的阴极射线能穿左右。他结合了其他人的实验，尤其是的阴极射线能穿过勒纳德窗（铝箔）的实验，提出这种微粒应比原子、过勒纳德窗（铝箔）的实验，提出这种微粒应比原子、分子小得多，且是原子的组成部分。而且由于与阴极物分子小得多，且是原子的组成部分。而且由于与阴极物质材料无关，他进一步得出结论：这种粒子应是各种物质材料无关，他进一步得出结论：这种粒子应是各种物质不同原子所包含的普适成分。质不同原子所包含的普适成分。汤姆孙管汤姆孙管 第
29、三个实验：利用威尔逊所发明的云雾室，测定这第三个实验：利用威尔逊所发明的云雾室，测定这种微粒所带电荷为种微粒所带电荷为1.110-19C C，有力地证明了此微粒的，有力地证明了此微粒的质量要比氢离子小约质量要比氢离子小约10001000倍。倍。这种微粒后来被命名为这种微粒后来被命名为“电子电子”，电子的发现是关，电子的发现是关于阴极射线本质的争论宣告结束。于阴极射线本质的争论宣告结束。二、要敢于突破传统观念二、要敢于突破传统观念 在继承中发展，这是科学研究的正确方法。但是在在继承中发展，这是科学研究的正确方法。但是在认识发展的过程中要有敢于创新，敢于突破传统观念束认识发展的过程中要有敢于创新，
30、敢于突破传统观念束缚的勇气。正如英国科学家贝尔纳所说：缚的勇气。正如英国科学家贝尔纳所说：“发现的最大发现的最大困难，在于摆脱一些传统的观念。困难，在于摆脱一些传统的观念。”面对荷质比的测定结果，只有汤姆孙认为它可以不面对荷质比的测定结果，只有汤姆孙认为它可以不是传统原子、分子微粒，而是一种新的、前人从未见到是传统原子、分子微粒，而是一种新的、前人从未见到过的比原子、分子微粒小得多的带电粒子。过的比原子、分子微粒小得多的带电粒子。三、电子发现对现代科学和技术发展的深远意义 1 1电子的发现，打破了原子不可分的经典的物质观，宣电子的发现，打破了原子不可分的经典的物质观，宣告原子不是构成物质的最小单元，它具有内部结构，是告原子不是构成物质的最小单元，它具有内部结构，是可分的。可分的。2 2三大发现中电子的发现是与微观物质组成有最直接的三大发现中电子的发现是与微观物质组成有最直接的关系，它是组成原子的普适成分，它的质量比氢原子要关系，它是组成原子的普适成分，它的质量比氢原子要小三个量级。小三个量级。3 3电子的问世开辟了电子技术的新时代。电子的问世开辟了电子技术的新时代。
