同济大学物理4。近史.ppt

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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，一切都已明朗洁净了，在远处只剩下两朵小小的，令人不安的乌云。, 迈克耳逊莫雷实验在寻找机械“以太”时得出了否定的结果；, 运用经典物理学理

2、论无法解释黑体辐射的实验曲线。(紫外灾难),经典物理框架的完善,十九世纪末 物理学的天空一片晴朗 偶有二朵乌云 1.紫处灾难量子论 2.“以太”不在相对论,三大发现 1.X光 1895 伦琴.(阴极射线) 2. 电子 1898 汤姆逊.(x射线的荷质比) 3.放射性 1896 贝克勒尔 .铀(深究x光) 居里夫人. 镭,第一章 昨天的精彩/第一节 物理学史,德国物理学家普鲁克（J. Plueker，1801-1868）于1858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。,1876年德国物理学家哥尔德斯坦证实这种绿色光辉是由阴极上所产生的某种射线射到玻璃上产生的

3、，他把这种射线命名为 “阴极射线”。,2 世纪之交物理学的三大发现,2.1 电子的发现,1886年，J. J. 汤姆逊开始研究气体放电和阴极射线。,J. J. 汤姆逊，1856年12月18日生于英国。,1884年任卡文迪许实验室教授。,设粒子的质量为m，所带电荷为e。,电场力：,磁场力：,测荷质比: e / m,撤去磁场，测出射线在平板电场右端出口处的横向偏转值：,S,荷质比：,S,阴极射线粒子的“荷质比”为：,代入,该荷质比为氢核（质子）荷质比的2000倍。,这种粒子应是电极材料原子的基本组成部分。,J. J. 汤姆逊由此断定：,密立根油滴实验,1917年，密立根公布的结果是：,静电单位,电

4、子的质量为：,静电单位,近代精确的电子电荷量是：,库仑,电子的发现再一次否定了原子不可分的观念。,J. J. 汤姆逊由于发现电子而于1906年荣获诺贝尔物理学奖。,J. J. 汤姆逊被誉为“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”,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。,德国维尔茨堡大学校长、物理学家伦琴（W. K. Rontgen，1845-1923）,伦琴在给孔特（A. Kundt，1839-1894）的信中说：,我终于发现了一种光，我不知道是什么光，无以名之，就把它叫做X光吧。,2.2 X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

5、，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，是高速电子流轰击金属靶得到，由原子中的内层电子发射出来）,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；,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。,从1914到1924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X射线及其应用方面获得了诺贝尔物理学奖。,19531959年，小布拉格的两位助手佩鲁茨和肯德罗，用改进了的X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1962年的诺贝尔化学奖。,1962年诺贝尔生理学奖及医学奖授予英国生物物理学家克里

6、克、威尔金森、美国生物学家沃森，表彰他们发现DNA的双螺旋结构，这是20世纪生物学的最伟大成就，他们依靠的也是X射线分析法。,使用X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、生理医学奖的科学家多达数10位。,X射线也用于军事经济和社会（如机场安检、产品质检等）。“星球大战”中核心武器是高能X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弹。,本世纪六十年代，南非出生的美国物理学家科马克（A. M. Cormark）和英国电气工程师洪斯菲尔德（G. Hounsfield）提出用计算机控制X射线断层扫描原理，并发明X射线断层扫描仪（XCT），

7、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，他们两人共享了1979年诺贝尔生物学及医学奖。,_光的透视,1899.德,我为什么就不能透视骨胳,内脏。,1896年，法国物理学家贝克勒尔（Becquerel, 1852-1908）在对一种荧光物质（硫酸钾铀）进行研究时发现了天然放射线。,贝克勒尔射线,2.3 放射性的发现,玛丽居里（M. S. Curie，1867-1934）,居里夫人从1897年开始直至1934年逝世的38年科学生涯中，她以惊人的毅力、顽强的意志、高度的智慧全心投入放射性研究，发现了放射性元素“镭”和“钋”。1910年完成了她的名著论放射性，由于她的杰出贡献：,1903

8、年，居里夫妇和贝克勒尔共享了诺贝尔物理奖。,1911年又荣获了诺贝尔化学奖。,三大发现 ： 1.X光 （1895 伦琴）. 电子跃迁放出的电磁波 2. 电子 （1898 汤姆逊）. 原子中的一种粒子。 3.放射性 （1896 贝克勒尔） . 原子与原子核中某些粒子流。,原子结构,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：带两个正电荷的氦核 粒子流；,射线：带负电荷的高速电子流；,射线：从原子核内放出来的电磁波，它实际上是一束能量极高的光子流，它的波长比X射线还要短，穿透本领比X射线更强。,B,爱因斯坦 光电效应,玻恩 核裂变,夫兰克，玻恩,马普学会50。,1983开尔

9、文,阿啦戈天文台长,萨哈罗夫氢弹,赫茨。MAXWELL,核事故,居里镭,X光,莫雷,电磁场实验与理论提出洛仑兹变换为相对论提供佐证,普朗克(h),从黑体辐射的统一公式中得出普朗克常数。量子学先导。,死于白血病,J.J汤姆逊,电子的发现,卢瑟夫(中子),1910,粒子轰击原子,1,“葡萄 乾面包”:,电子云:,2,3,4,1910,卢瑟夫,用 粒子轰击原子,有核模型.,1914,卢瑟夫,用阴极射线轰击氢, 质子. 1929-1932,查得威克,高能粒子轰击铍原子, 中子. 1928,狄拉克预言正电子(轻子),1932,安得森(美)发现之. 反粒子. 1935-1947,汤川秀树提出交换介子而产生

10、的强互相作用,在宇宙线中发现 ,介子.(轻子) 1933,费米(意),核的衰变,而产生的弱互相作用. 1922,核的衰变时,能量消失.1931,泡利(奥)提出(1955高能室发现之), 中微子.(轻子) 1956,李,杨,吴:弱互相作用的宇称不守恒. 1956,高能电子轰击质子: 质子有结构. 各种 结构模型. 1964:三十几种稳定的,四百多种不稳定的粒子: 夸克模型.,核 内 粒 子,20世纪30年代：发现中子 卢瑟福学生 建立云室 原子有核模型 加速器 探索原子核的秘密 40年代：大型射电天文望远镜 核电站 核武器 60年代：激光技术 大规模集成电路（电脑） 纳米技术(费曼教授.美),第

11、一章 昨天的精彩/第一节 物理学史,理论：德布罗依的物质波 薛定谔波动方程 海森伯的测不准关系, 互补原理(玻尔) 宇宙大爆炸理论（俄裔伽莫夫） 混沌,近代物理要点归纳: 1位伟人: 爱因斯坦. 2朵乌云: 以太风,紫外灾难. 3大发现: X光,电子,放射性. 4种基本力: 电磁力、万有引力、弱、强互相作用力. 5大观念: 熵, 宇宙, 量子, 相对论, 混沌. 6对基本粒子: 三对夸克,三对轻子. 7大技术：核、激光、微电子、超导、致冷、纳米、航天。,六对基本粒子,卢瑟夫,薛定谔 海森伯,康伯顿,瑞利,狄拉克,德布卢意,把粒子看成波-慨率波,狄拉克方程提出反能量，反粒子，反物质,物理学与计算

12、机:,物理学与计算机技术是一对难兄难弟. 在量子力学,固体物理,能带理论,泡利原理,空穴,p-n结等成果的推动下.至少20年的孕育,1947硅谷.第一个半导体替代电子管.打开信息时代的大门. 集成电路大规模集成电路超大规模集成电路. 286-奔腾3.集成度每年翻番.10年210倍.芯片精度目前约200纳米,2010年达纳米级-接近电子波长:目前电路的经典设计计算已近极限(投資与利润比也到了极限).必须按量子力学全新设计.量子计算机(真加密) 另外:激光扫描,精刻,材料加工,遥感,大规模集成电路,低温超导,超导体(线),高速摄影,中子的三个夸克,晶体超声波型,超声检胎,红外线,超声,物理学与生命

13、科学:,1,薛定鄂:.用量子理论.40年代第一位提出生命遗传代码的载体-非周期晶体. 提出生命体吸入负熵,为60年代耗散结构理论所印证. 2,Crick:二战后领先发现DNA双螺旋结构。熟悉X光衍射测定晶体。采用物理模型分类排除法。外由核糖核酸构成脊骨，内有四对碱基：T，A，G，C。 3，伽莫夫（大爆炸理论）：20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。 4，目前，蛋白质折叠-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。,物理学与核技术:,1934.居里.粒子轰击铝得磷的同位素. 1935.费米(意).慢中子(石蜡)轰击铀产生钡和镧.迈特纳(奥.

14、女)解释:“核裂变,新中子,连锁反应.”并得验证. 1941.西拉德(匈)发起,爱因斯坦首签,说服罗斯福先造核弹. 1942.12.费米领导.建一核反应堆.石墨减速中子.镉棒吸收中子.成功.并获经验和数据. 1943.奥本海默(美).曼哈顿工程.为提纯铀的三种方法各造一大工厂.50万人(15万科技人才).22亿美金. 1945.7.试爆成功.2万TNT.另二颗“小男孩”,“小胖子”.日本. 1964.中国原子弹试爆成功. 1990.核聚变等离子强电磁约束装置.(美) 2008.核聚变(氘,氚,氢)反应堆点火(高强度激光)一亿度.日本.,核聚变强激光点火装置.(一亿度),回旋加速器,丁肇中 太空

15、质谱仪(反物质),1911-1933,索尔维会议,物理学史包含的认识论: 1,柏拉图 唯心论 主观意念. 2,亚力斯多德 唯物论 客观存在. 3,伽利畧,牛顿 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. 4,麦克斯威 按已知的客观效果假设一个相当的可检验的客观存在. 5,爱因斯坦 客观存在的绝对主体是可转换的. 6,波尔 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:你们的基因上承载着五千年文明所赋予的责任;你们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位.完成先辈的遗愿:“自立于世界民族之林,”自立于世界强国之林!”任重而道远. 贫贱不能移,富贵不能淫,威武不能屈.多想为国家做好事,做大事,少想个人做大官,捞大钱.,东 西 方 科 技 比 较,课外作业,1, 20世纪初,物理学有哪三大发现? 2,简述卢瑟夫,j.j.湯姆逊,贝克勒尔,普朗克.四科学家的贡献. 3,纯科学的争论,应尊循什么原则?争论的意义何在? 4,爱氏的因果论与玻尔的互补论,你倾向哪一论?为什么?,