世纪之交物理学的三大发现课件.ppt

1、 现在连上帝都变了，从一个“蹩脚的钟表匠”(笛卡几语)变成一个“掷骰子者”(爱因斯坦语)。“现代”就意味着多样、宽容、隋机和模糊。这里充满了悖论和佯谬；到处是不确定和则不准；每天都有新奇和怪诞。物理学的任务也变成告知人们：“人类对宇宙的无知究竟到了何等程度！”。而爱因斯坦的墓誌铭应该是“自然和自然规律自以为已在光明中，上帝说：要有爱因斯坦，于是一切又回到黑夜中。”一切都要从头开始！也许。著名英国物理学家开尔文勋爵在1900年元旦献词中说：在物理学的太空，一切都在物理学的太空，一切都已明朗洁净了，在远处只剩下已明朗洁净了，在远处只剩下两朵小小的两朵小小的，令人不安的，令人不安的。迈克耳逊迈克耳逊

2、莫雷实验在寻莫雷实验在寻找机械找机械“以太以太”时得出了否时得出了否定的结果；定的结果；运用经典物理学理论无运用经典物理学理论无法解释黑体辐射的实验曲线。法解释黑体辐射的实验曲线。(紫外灾难紫外灾难)经典物理框架的完善经典物理框架的完善十九世纪末十九世纪末 物理学的天空一片晴朗物理学的天空一片晴朗偶有二朵乌云偶有二朵乌云 1.紫处灾难紫处灾难量子论量子论 2.“以太以太”不在不在相对相对论论 三大发现三大发现 1.X光光 1895 伦琴伦琴.(阴极射线阴极射线)2.电子电子 1898 汤姆逊汤姆逊.(x射线的荷质比射线的荷质比)3.放射性放射性 1896 贝克勒尔贝克勒尔.铀铀(深究深究x光光

3、)居里夫人居里夫人.镭镭,第一章第一章 昨天的精彩昨天的精彩/第一节第一节 物理学史物理学史 德国物理学家普鲁克（德国物理学家普鲁克（J.Plueker，1801-1868）于于1858年利用盖斯勒放电管研究气体放电时发现了年利用盖斯勒放电管研究气体放电时发现了对着阴极的管壁上出现了美丽的绿色光辉。对着阴极的管壁上出现了美丽的绿色光辉。1876 1876年德国物理学家年德国物理学家哥尔德斯坦证实这种绿色哥尔德斯坦证实这种绿色光辉是由阴极上所产生的光辉是由阴极上所产生的某种射线射到玻璃上产生某种射线射到玻璃上产生的，他把这种射线命名为的，他把这种射线命名为 “阴极射线阴极射线”。2 2 世纪之交

4、物理学的三大发现世纪之交物理学的三大发现2.1 2.1 电子的发现电子的发现1886年，年，J.J.汤姆逊开始研汤姆逊开始研究气体放电和究气体放电和阴极射线。阴极射线。J.J.汤姆逊，汤姆逊，1856年年12月月18日生于英国。日生于英国。1884年任卡文年任卡文迪许实验室教迪许实验室教授。授。B-FEFB设粒子的质量为设粒子的质量为m，所带电荷为，所带电荷为e。dVeeEF电电场力：电场力：evBF磁磁场力：磁场力：BEv 测荷质比测荷质比:e/mL撤去磁场，测出射线在平板电场右端出口处的横向偏转值：撤去磁场，测出射线在平板电场右端出口处的横向偏转值：221atS-SmaeEF 电meEa

5、221vLmeESvLt EBLmeS2221BEv 222BLESme荷质比：荷质比：S阴极射线粒子的阴极射线粒子的“荷质比荷质比”为：为：dVE 代入代入222BLESme222BdLVSme111107.1kgC该荷质比为氢核（质子）荷质比的该荷质比为氢核（质子）荷质比的2000倍。倍。这种粒子应是电极材料原子的基本组成部分。这种粒子应是电极材料原子的基本组成部分。J.J.J.J.汤姆逊由此断定：汤姆逊由此断定：Hemmee美美国国科科学学家家密密立立根根（R.A.Millikan，1868-1953）在在1909-1917年年间间利利用用有有名名的的油油滴滴实实验验测测得得了了 e 的

6、的值值，他他以以严严谨谨的的科科学学态态度度和和追追求求精精确确的的测测量量而而受受到到人人们们的的赞赞誉誉。1909年年密密立立根根油油滴滴实实验验证证明明一一切切荷荷电电物物质质都都只只能能带带有有e的的整整数数倍倍的的电电量量。阴阴极极射射线线粒粒子子所所带带的的电电量量 e 是是电电荷荷的的最最小小单单位位。电电子子电电子子密立根油滴实验1917年，密立根公布的结果是：年，密立根公布的结果是：1010)00507704(-.e静电单位静电单位电子的质量为：电子的质量为：1010)8032068(154-.e静电单位静电单位近代精确的电子电荷量是：近代精确的电子电荷量是：1910(49)

7、1.60217733-库仑库仑静电单位库仑91031Cme3110)54(1093897.9电子的发现再一次否定了原子不可分的观念。电子的发现再一次否定了原子不可分的观念。J.J.J.J.汤姆逊由于发现电汤姆逊由于发现电子而于子而于19061906年荣获诺贝尔物理年荣获诺贝尔物理学奖。学奖。J.J.J.J.汤姆逊被誉为汤姆逊被誉为“一位最先打开通向基本粒一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人子物理学大门的伟人”诱发人类进入电子科技时代。诱发人类进入电子科技时代。现在人类进入微电子科技时代。现在人类进入微电子科技时代。德国维尔茨堡大学校德国维尔茨堡大学校长、物理学家伦琴（长、物理学家伦琴（W.

8、K.W.K.RontgenRontgen，1845-19231845-1923）伦琴在给孔特（伦琴在给孔特（A.Kundt，1839-1894）的信中说：）的信中说：我终于发现了一种光，我终于发现了一种光，我不知道是什么光，无以我不知道是什么光，无以名之，就把它叫做名之，就把它叫做X X光吧。光吧。2.2 X2.2 X射线的发现射线的发现伦琴的实验室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，（后来知道，新射线来自于被阴极射线击中的固体，（后来知道，是高速电子流轰击金属靶得到，由原子中的内层电子是高速电子流轰击金属靶得到

9、，由原子中的内层电子发射出来）发射出来）新射线是直线传播的，不被棱镜反射和折射，也不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；被磁场偏转；新射线对所有物体几乎都是透明的；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。新射线可使荧光物质发光，使照相底片感光。从从19141914到到19241924年中，就有五位物理学家（劳厄，年中，就有五位物理学家（劳厄，布拉格父子，巴克拉，西格本）在研究布拉格父子，巴克拉，西格本）在研究X X射线及其应射线及其应用方面获得了诺贝尔物理学奖。用方面获得了诺贝尔物理学奖。1953 195319591959年，小布拉格的两位助

10、手佩鲁茨和肯年，小布拉格的两位助手佩鲁茨和肯德罗，用改进了的德罗，用改进了的X X射线分析法测定了肌红蛋白及血射线分析法测定了肌红蛋白及血红蛋白的分子结构，为此获得红蛋白的分子结构，为此获得19621962年的诺贝尔化学奖。年的诺贝尔化学奖。1962 1962年诺贝尔生理学奖及医学奖授予英国年诺贝尔生理学奖及医学奖授予英国生物物理学家克里克、威尔金森、美国生物学生物物理学家克里克、威尔金森、美国生物学家沃森，表彰他们发现家沃森，表彰他们发现DNADNA的双螺旋结构，这的双螺旋结构，这是是2020世纪生物学的最伟大成就，他们依靠的也世纪生物学的最伟大成就，他们依靠的也是是X X射线分析法。射线分

11、析法。使用使用X X射线分析法研究蛋白质、核糖核酸、青霉素、射线分析法研究蛋白质、核糖核酸、青霉素、维生素等生物大分子、有机高分子结构而获诺贝尔化学、维生素等生物大分子、有机高分子结构而获诺贝尔化学、生理医学奖的科学家多达数生理医学奖的科学家多达数1010位。位。X X射线也用于军事经济和社会（如机场安检、产品射线也用于军事经济和社会（如机场安检、产品质检等）。质检等）。“星球大战星球大战”中核心武器是高能中核心武器是高能X X射线激光射线激光器，将它装在军事卫星上能远距离摧毁对方的洲际导器，将它装在军事卫星上能远距离摧毁对方的洲际导弹。弹。本世纪六十年代，南非出生的美国物理学家科马本世纪六十

12、年代，南非出生的美国物理学家科马克（克（A.M.CormarkA.M.Cormark）和英国电气工程师洪斯菲尔德）和英国电气工程师洪斯菲尔德（G.HounsfieldG.Hounsfield）提出用计算机控制）提出用计算机控制X X射线断层扫描射线断层扫描原理，并发明原理，并发明X X射线断层扫描仪（射线断层扫描仪（XCTXCT），使医生能看），使医生能看到人体内脏器官横断面图象，从而准确诊断病症，他到人体内脏器官横断面图象，从而准确诊断病症，他们两人共享了们两人共享了19791979年诺贝尔生物学及医学奖。年诺贝尔生物学及医学奖。K+-AX射射线线是是由由高高速速电电子子撞撞击击物物体体时时

13、产产生生，从从本本质质上上它它和和可可见见光光一一样样，是是一一种种电电磁磁波波，它它的的波波长长约约为为：0.0010.01(nm)伦伦琴琴荣荣获获1901年年诺诺贝贝尔尔物物理理奖奖，成成为为诺诺贝贝尔尔物物理理奖奖的的第第一一个个获获奖奖者者。可可以以说说，现现代代物物理理学学是是从从1 18 89 95 5年年德德国国物物理理学学家家伦伦琴琴发发现现X X射射线线开开始始的的。可可以以说说，现现代代物物理理学学是是从从1 18 89 95 5年年德德国国物物理理学学家家伦伦琴琴发发现现X X射射线线开开始始的的。_光的透视光的透视1899.德 我为什么就不能透视骨胳,内脏。1896 1

14、896年，法国物年，法国物理学家贝克勒尔理学家贝克勒尔（Becquerel,1852-Becquerel,1852-19081908）在对一种荧光）在对一种荧光物质（硫酸钾铀）进物质（硫酸钾铀）进行研究时发现了天然行研究时发现了天然放射线。放射线。贝克勒尔射线贝克勒尔射线2.3 2.3 放射性的发现放射性的发现玛丽居里（M.S.Curie，1867-1934）居里夫人从居里夫人从18971897年开年开始直至始直至19341934年逝世的年逝世的3838年年科学生涯中，她以惊人的科学生涯中，她以惊人的毅力、顽强的意志、高度毅力、顽强的意志、高度的智慧全心投入放射性研的智慧全心投入放射性研究，发

15、现了放射性元素究，发现了放射性元素“镭镭”和和“钋钋”。19101910年年完成了她的名著完成了她的名著论放射论放射性性，由于她的杰出贡献：，由于她的杰出贡献：1903年，居里夫妇和年，居里夫妇和贝克勒尔共享了诺贝尔贝克勒尔共享了诺贝尔物理物理奖。奖。1911年又荣获了诺贝年又荣获了诺贝尔尔化学化学奖。奖。三大发现三大发现：1.X光光（1895 伦琴）伦琴）.电子跃迁放出的电磁波电子跃迁放出的电磁波 2.电子电子（1898 汤姆逊）汤姆逊）.原子中的一种粒子。原子中的一种粒子。3.放射性放射性（1896 贝克勒尔）贝克勒尔）.原子与原子核中某些粒子流原子与原子核中某些粒子流。原原子子结结构构

16、天然放射性核素能够自发地放出各种射线,从而衰变为另一种核素。射线：射线：带两个正电荷的氦核带两个正电荷的氦核 粒子流；粒子流；24He射线：射线：带负电荷的高速电子流；带负电荷的高速电子流；射线：射线：从原子核内放出来的电从原子核内放出来的电磁波，它实际上是一束能量极高磁波，它实际上是一束能量极高的光子流，它的波长比的光子流，它的波长比X射线还射线还要短，穿透本领比要短，穿透本领比X射线更强。射线更强。B爱因斯坦爱因斯坦光电效应光电效应玻恩玻恩核裂变核裂变夫兰克，玻恩夫兰克，玻恩马普学会马普学会50。1983开尔文开尔文阿啦戈天文台长阿啦戈天文台长萨萨哈哈罗罗夫夫氢氢弹弹赫茨。赫茨。MAXWE

17、LL核事故核事故居里镭居里镭X光光莫雷莫雷电磁场实电磁场实验与理论验与理论提出洛仑提出洛仑兹变换为兹变换为相对论提相对论提供佐证供佐证普朗克(h)从黑体辐从黑体辐射的统一射的统一公式中得公式中得出普朗克出普朗克常数。量常数。量子学先导。子学先导。死于白血病J.J汤姆逊电子的发现电子的发现卢瑟夫(中子)1910,粒子粒子轰击原子轰击原子,1,“葡萄乾面包”:电子云电子云:2,3,4,-1910,卢瑟夫卢瑟夫,用用 粒子轰击原子粒子轰击原子,有核模型有核模型.1914,卢瑟夫卢瑟夫,用阴极射线轰击氢用阴极射线轰击氢,质子质子.1929-1932,查得威克查得威克,高能高能粒子轰击铍原子粒子轰击铍原

18、子,中子中子.1928,狄拉克预言正电子狄拉克预言正电子(轻子轻子),1932,安得森安得森(美美)发现之发现之.反反粒子粒子.1935-1947,汤川秀树提出交换介子而产生的强互相作用汤川秀树提出交换介子而产生的强互相作用,在宇在宇宙线中发现宙线中发现 ,介子介子.(轻子轻子)1933,费米费米(意意),核的核的衰变衰变,而产生的弱互相作用而产生的弱互相作用.1922,核的核的衰变时衰变时,能量消失能量消失.1931,泡利泡利(奥奥)提出提出(1955高能室发高能室发现之现之),中微子中微子.(轻子轻子)1956,李李,杨杨,吴吴:弱互相作用的宇称不守恒弱互相作用的宇称不守恒.1956,高能

19、电子轰击质子高能电子轰击质子:质子有结构质子有结构.各种各种 结构模型结构模型.1964:三十几种稳定的三十几种稳定的,四百多种不稳定的粒子四百多种不稳定的粒子:夸克模型夸克模型.核核 内内 粒粒 子子20世纪世纪30年代：发现中子年代：发现中子 卢瑟福学生卢瑟福学生 建立云室建立云室 原子有核模型原子有核模型 加速器加速器 探索原子核的秘密探索原子核的秘密 40年代：大型射电天文望远镜年代：大型射电天文望远镜 核电站核电站 核武器核武器 60年代：激光技术年代：激光技术 大规模集成电路（电脑）大规模集成电路（电脑）纳米技术纳米技术(费曼教授费曼教授.美美)第一章第一章 昨天的精彩昨天的精彩/

20、第一节第一节 物理学史物理学史理论理论：德布罗依的物质波德布罗依的物质波 薛定谔波动方程薛定谔波动方程 海森伯的测不准关系海森伯的测不准关系,互补原理互补原理(玻尔玻尔)宇宙大爆炸理论（俄裔伽莫夫）宇宙大爆炸理论（俄裔伽莫夫）混沌混沌 近代物理要点归纳近代物理要点归纳:1位伟人位伟人:爱因斯坦爱因斯坦.2朵乌云朵乌云:以太风以太风,紫外灾难紫外灾难.3大发现大发现:X光光,电子电子,放射性放射性.4种基本力种基本力:电磁力、万有引力、弱、强互相作用力电磁力、万有引力、弱、强互相作用力.5大观念大观念:熵熵,宇宙宇宙,量子量子,相对论相对论,混沌混沌.6对基本粒子对基本粒子:三对夸克三对夸克,三

21、对轻子三对轻子.7大技术：核、激光、微电子、超导、致冷、纳米、航天。大技术：核、激光、微电子、超导、致冷、纳米、航天。六六对对基基本本粒粒子子卢瑟夫卢瑟夫薛定谔薛定谔 海森伯海森伯康伯顿瑞利狄拉克德布卢意把粒子看成波把粒子看成波-慨率波慨率波狄拉克方程提出反能狄拉克方程提出反能量，反粒子，反物质量，反粒子，反物质物理学与计算机物理学与计算机:物理学与计算机技术是一对难兄难弟物理学与计算机技术是一对难兄难弟.在量子力学在量子力学,固体物理固体物理,能带理论能带理论,泡利原理泡利原理,空穴空穴,p-n结等成果的推动下结等成果的推动下.至少至少20年的孕育年的孕育,1947硅谷硅谷.第一个半第一个半

22、导体替代电子管导体替代电子管.打开信息时代的大门打开信息时代的大门.集成电路集成电路大规模集成电路大规模集成电路超大规模集成电路超大规模集成电路.286-奔腾奔腾3.集成度每年翻番集成度每年翻番.10.10年年2 21010倍倍.芯片精度目芯片精度目前约前约200200纳米纳米,2010,2010年达纳米级年达纳米级-接近电子波长接近电子波长:目前电目前电路的经典设计计算已近极限路的经典设计计算已近极限(投資与利润比也到了极投資与利润比也到了极限限).).必须按量子力学全新设计必须按量子力学全新设计.量子计算机量子计算机(真加密真加密)另外另外:激光扫描激光扫描,精刻精刻,材料加工材料加工遥感

23、遥感大规模集成电路大规模集成电路低温超导低温超导超导体超导体(线线)高速摄影高速摄影中子的三个夸克中子的三个夸克晶体超声波型晶体超声波型超声检胎超声检胎红外线红外线,超声超声物理学与生命科学物理学与生命科学:1,薛定鄂薛定鄂:.用量子理论用量子理论.40年代第一位提年代第一位提出生命遗传代码的载体出生命遗传代码的载体-非周期晶体非周期晶体.提出生命体吸提出生命体吸入负熵入负熵,为为60年代耗散结构理论所印证年代耗散结构理论所印证.2,Crick:二战后领先发现二战后领先发现DNA双螺旋结构。熟悉双螺旋结构。熟悉X光光衍射测定晶体。采用物理模型分类排除法。外由核糖衍射测定晶体。采用物理模型分类排

24、除法。外由核糖核酸构成脊骨，内有四对碱基：核酸构成脊骨，内有四对碱基：T，A，G，C。3，伽莫夫（大爆炸理论）伽莫夫（大爆炸理论）：20个氨基酸加标点如个氨基酸加标点如何编排基因密码？首创三联体密码，使后人少走弯路。何编排基因密码？首创三联体密码，使后人少走弯路。4，目前，蛋白质折叠，目前，蛋白质折叠-二级双螺旋结构，根据物理二级双螺旋结构，根据物理学的自由能最小原理。对解开肿瘤之迷意义重大。学的自由能最小原理。对解开肿瘤之迷意义重大。物理学与核技术物理学与核技术:1934.居里居里.粒子轰击铝得磷的同位素粒子轰击铝得磷的同位素.1935.费米费米(意意).慢中子慢中子(石蜡石蜡)轰击铀产生钡

25、和镧轰击铀产生钡和镧.迈特纳迈特纳(奥奥.女女)解解释释:“核裂变核裂变,新中子新中子,连锁反应连锁反应.”并得验证并得验证.1941.西拉德西拉德(匈匈)发起发起,爱因斯坦首签爱因斯坦首签,说服罗斯福先造核弹说服罗斯福先造核弹.1942.12.费米领导费米领导.建一核反应堆建一核反应堆.石墨减速中子石墨减速中子.镉棒吸收中子镉棒吸收中子.成成功功.并获经验和数据并获经验和数据.1943.奥本海默奥本海默(美美).曼哈顿工程曼哈顿工程.为提纯铀的三种方法各造一大工为提纯铀的三种方法各造一大工厂厂.50万人万人(15万科技人才万科技人才).22亿美金亿美金.1945.7.试爆成功试爆成功.2万万

26、TNT.另二颗另二颗“小男孩小男孩”,“小胖子小胖子”.日本日本.1964.中国原子弹试爆成功中国原子弹试爆成功.1990.核聚变等离子强电磁约束装置核聚变等离子强电磁约束装置.(美美)2008.核聚变核聚变(氘氘,氚氚,氢氢)反应堆点火反应堆点火(高强度激光高强度激光)一亿度一亿度.日本日本.核聚变强激光点火装置.(一亿度)回旋加速器回旋加速器丁肇中丁肇中 太空质谱仪太空质谱仪(反物质反物质)1911-1933索尔维会议 物理学史包含的认识论物理学史包含的认识论:1,柏拉图柏拉图 唯心论唯心论 主观意念主观意念.2,亚力斯多德亚力斯多德 唯物论唯物论 客观存在客观存在.3,伽利畧伽利畧,牛顿

27、牛顿 在实验基础上按逻辑推理得出一个并在实验基础上按逻辑推理得出一个并不能实际检验的客观结论不能实际检验的客观结论.4,麦克斯威麦克斯威 按已知的客观效果假设一个相当的可检验按已知的客观效果假设一个相当的可检验的客观存在的客观存在.5,爱因斯坦爱因斯坦 客观存在的绝对主体是可转换的客观存在的绝对主体是可转换的.6,波尔波尔 人的主观意识人的主观意识永远无法直接认知客观真理的全部.中华民族的优秀子孙中华民族的优秀子孙:你们的基因上你们的基因上承载着五千年文明所赋予的责任承载着五千年文明所赋予的责任;你们你们的血管里流淌着渴望民族复兴的热血的血管里流淌着渴望民族复兴的热血.这是你们与身俱来的人生定

28、位这是你们与身俱来的人生定位.完成先完成先辈的遗愿辈的遗愿:“自立于世界民族之林自立于世界民族之林,”自立自立于世界强国之林于世界强国之林!”任重而道远任重而道远.贫贱不能移贫贱不能移,富贵不能淫富贵不能淫,威武不能威武不能屈屈.多想为国家做好事多想为国家做好事,做大事做大事,少想个人少想个人做大官做大官,捞大钱捞大钱.东东 西西 方方 科科 技技 比比 较较课外作业课外作业1,20世纪初世纪初,物理学有哪三大发现物理学有哪三大发现?2,简述卢瑟夫简述卢瑟夫,j.j.湯姆逊湯姆逊,贝克勒尔贝克勒尔,普普朗克朗克.四科学家的贡献四科学家的贡献.3,纯科学的争论纯科学的争论,应尊循什么原则应尊循什么原则?争争论的意义何在论的意义何在?4,爱氏的因果论与玻尔的互补论爱氏的因果论与玻尔的互补论,你你倾向哪一论倾向哪一论?为什么为什么?