物理学发展史上的两朵乌云课件

,物理学史,李宏荣,古代物理学发展,物理学史李宏荣古代物理学发展,第五章 辉煌的物理大厦与两朵乌云,19,世纪末，物理学已经有了相当的发展，几个主要部门,力学、热力学和分子运动论、电磁学以及光学，都已经建立了完整的理论体系，在应用上也取得了巨大成果。这时物理学家普遍认为，物理学已经发展到顶，伟大的发现不会再有了，以后的任务无非是在细节上作些补充和修正，使常数测得更精确而已。然而，正在这个时候，从实验上陆续出现了一系列重大发现，打破了沉闷的空气，把人们的注意力引向更深入、更广阔的天地，从而揭开了现代物理学革命的序幕。,年代人物贡献,1895,伦琴,发现,X,射线,1896,贝克勒尔,发现放射性,1896,塞曼,发现磁场使光谱线分裂,1897 J,J,汤姆生,发现电子,1898,卢瑟福,发现,、,射线,1898,居里夫妇,发现放射性元素钋和镭,1899,1900,卢梅尔和鲁本斯等人,发现热辐射能量分布曲线偏离维恩分布律,1900,维拉德,发现,射线,1901,考夫曼,发现电子的质量随速度增加,1902,勒纳德,发现光电效应基本规律,1902,里查森,发现热电子发射规律,1903,卢瑟福和索迪,发现放射性元素的蜕变规律,其中，电子的发现、麦克尔逊,-,莫雷实验及热辐射规律的探讨三个方向的实验尤为重要。,第五章 辉煌的物理大厦与两朵乌云 19 世纪,电子的发现,阴极射线是低压气体放电过程出现的一种奇特现象。早在,1858,年就由德国物理学家普吕克尔在观察放电管中的放电现象时发现。当时他看到正对阴极的管壁发出绿色的荧光。,1876,年，另一位德国物理学家哥尔茨坦认为这是从阴极发出的某种射线，并命名为阴极射线。他根据这一射线会引起化学作用的性质，判断它是类似于紫外线的以太波。这一观点后来得到了赫兹等人的支持。赫兹在,1887,年曾发现电磁波，就把阴极射线看成是电磁辐射，实际上和哥尔茨坦的主张是一样的。这样就形成了以太说。赞成以太说的大多是德国人。,1871,年，英国物理学家瓦尔利从阴极射线在磁场中受到偏转的事实，提出这一射线是由带负电的物质微粒组成的设想。他的主张得到本国人克鲁克斯和舒斯特的赞同。于是在,19,世纪的后,30,年，形成了两种对立的观点：德国学派主张以太说，英国学派主张带电微粒说。双方争持不下，谁也说服不了谁。为了找到有利于自己观点的证据，双方都做了许多实验。克鲁克斯证实阴极射线不但能传递能量，还能传递动量。他认为阴极射线是由于残余气体分子撞到阴极，因而带上了负电，又在电场中运动形成,“,分子流,”,。以太论者不同意这一说法，用实验加以驳斥。哥尔茨坦做了一个很精确的光谱实验。他用一根特制的,L,形放电管，电极,A,、,B,可以互换，轮流充当阴极，用光谱仪观测谱线。如果阴极射线是分子流，它发出的光应产生多普勒效应，即光的频率应与分子流速度方向有关。可是，不管是那一端发出阴极射线，谱线的波长都没有改变。这就证明了分子流之说站不住脚。以太论者认为这是对以太说的一个支持。,电子的发现,哥尔茨坦的光谱实验,舒斯特则将带电微粒解释成气体分子自然分解出来的碎片，带正电的部分被阴极俘获，电极间只留下带负电的部分，因而形成阴极射线。,1890,年，他根据磁偏转的半径和电极间的电位差估算带电微粒的荷质比，得到的结果在,5106,库仑,/,千克至,11010,库仑,/,千克之间，与电解所得的氢离子的荷质比,108,库仑,/,千克相比，数量级相近。,赫兹和他的学生勒纳德也做了许多实验来证明自己的以太理论。赫兹做的真空管中电流分布的实验，,“,证明,”,阴极射线的走向与真空管中电流的分布无关。他还在阴极射线管中加垂直于阴极射线的电场，却没有看到阴极射线受到任何偏转。这两个实验不成功的原因是因为当时不了解低压状态下气体导电机制的复杂性。遗憾的是，赫兹以此作为阴极射线不带电的证据，更加坚持以太说。赫兹做的另一实验则是成功的。,1891,年，他注意到阴极射线可以象光透过透明物质那样地透过某些金属薄片。,1894,年，勒纳德发表了更精细的结果。他在阴极射线管的末端嵌上厚仅,0.000265,厘米的薄铝箔作为窗口，发现从铝窗口会逸出射线。在空气中穿越约,1,厘米的行程。他们认为这又是以太说的有力证据，因为只有波才能穿越实物。,微粒说者也在积极寻找证据。,1895,年法国物理学家佩兰将圆桶电极安装在阴极射线管中，用静电计测圆桶接收到的电荷。结果确是负电。他支持带电微粒说，发表论文表示了自己的观点。但是他的实验无法作出判决性的结论。因为反对者会反驳说：佩兰测到的不一定就是阴极射线所带的电荷。,哥尔茨坦的光谱实验 赫兹和他的学生勒纳德也做了许多实验,对阴极射线的本性作出正确答案的是英国剑桥大学卡文迪什实验室教授,J.J.,汤姆生（,JosephJohnThomson,，,1856,1940,）。他从,1890,年起，就带领自己的学生研究阴极射线。克鲁克斯和舒斯特的思想对他很有影响。他认为带电微粒说更符合实际，决心用实验进行周密考察，找出确凿证据。为此，他进行了以下几方面的实验：,1,直接测阴极射线携带的电荷。,J.J.,汤姆生将佩兰实验作了一些改进。他把联到静电计的电荷接受器（法拉第圆桶）安装在真空管的一侧。平时没有电荷进入接收器。用磁场使射线偏折，当磁场达到某一值时，接收器接收到的电荷猛增，说明电荷确是来自阴极射线。,2,使阴极射线受静电偏转。,J.J.,汤姆生重复了赫兹的静电场偏转实验，起初也得不到任何偏转。后来经仔细观察，注意到在刚加上电压的瞬间，射束轻微地摆动了一下。他马上领悟到，这是由于残余气体分子在电场的作用下发生了电离，正负离子把电极上射线所带电荷的实验装置的电压抵消掉了。显然这是由于真空度不够高的原因。于是，他在实验室技师的协助下努力改善真空条件，并且减小极间电压，终于获得了稳定的静电偏转。这样，,J.J.,汤姆生就获得了驳斥以太说的重要证据。,3,用不同方法测阴极射线的荷质比。一种方法是在管子两侧各加一通电线圈，以产生垂直于电场方向的磁场。然后根据电场和磁场分别造成的偏转，计算出阴极射线的荷质比,e/m,与微粒运动的速度。另一种方法是测量阳极的温升，因为阴极射线撞击到阳极，会引起阳极的温度升高。,J.J.,汤姆生把热电偶接到阳极，测量它的温度变化。根据温升和阳极的热容量可以计算粒子的动能，再从阴极射线在磁场中偏转的曲率半径，推算出阴极射线的荷质比与速度。,对阴极射线的本性作出正确答案的是英国剑桥大学卡文迪什,4,证明电子存在的普遍性。,J.J.,汤姆生还用不同的阴极和不同的气体做实验，结果荷质比也都是同一数量级，证明各种条件下得到的都是同样的带电粒子流，与电极材料无关，与气体成分也无关。,1899,年，,J.J.,汤姆生采用斯坦尼的,“,电子,”,一词来表示他的,“,载荷子,”,。,“,电子,”,原是斯坦尼在,1891,年用于表示电的自然单位的。就这样电子被发现了。但是,J.J.,汤姆生并不到此止步，他进一步又研究了许多新发现的现象，以证明电子存在的普遍性。,J.J.,汤姆生掌握了大量的实验事实，果断地作出判断：不论是阴极射线、,射线还是光电流，都是电子组成的；不论是由于强电场的电离、正离子的轰击、紫外光的照射、金属受灼热还是放射性物质的自发辐射，都发射出同样的带电粒子,电子。这种带电粒子比原子小千倍，可见，电子是原子的组成部分，是物质的更基本的单元。这是一个非常重要结论。原子不可分的传统观念彻底破灭了。,4证明电子存在的普遍性。J.J.汤姆生还用不同的阴极和不同,“,电磁质量,”,的发现,在研究阴极射线并测量其荷质比时，人们遇到了一个奇特现象，电子的质量会随速度的增加而增加，这一事实为爱因斯坦狭义相对论提供了重要依据。,1878,年罗兰用实验演示了运动电荷产生磁场的事实，促使人们开始研究运动带电体的问题。,1881,年，,J.J.,汤姆生首先提出，既然带电体运动要比不带电体需要外界作更多的功，带电体的动能就要比不带电体大，换言之，带电体应具有更大的质量。后来，人们用,“,电磁质量,”,来代表这一部分增加的质量。这时，电子已经发现，电子已被认为是物质的最小组成部分。人们开始注意在实验中研究电磁质量问题。,1901,年考夫曼用,射线做实验，证实电子的质荷比确随速度的增大而增大。第一次观测到了电磁质量。,1903,年，阿伯拉罕用经典电磁理论系统地研究了电磁质量问题，导出了电磁质量随速度变化的关系。,1904,年，洛仑兹把收缩假设用于电子，推出关系,;,这个关系也可以从爱因斯坦的狭义相对论推导出来，所以叫洛仑兹,-,爱因斯坦公式。然而，考夫曼的进一步实验却倾向于经典理论，他宣称：,“,量度结果与洛仑兹,-,爱因斯坦的基本假设不相容。,”,对此，爱因斯坦在,1907,年写道：,“,阿伯拉罕的电子运动理论所给出的曲线显然比相对论得出的曲线更符合于观测结果。但是，在我看来，那些理论在颇大程度上是由于偶然碰巧与实验结果相符。因为它们关于运动电子质量的基本假设不是从总结了大量现象的理论体系得出来的。,”,果然，不久后，好几个地方做了新的实验，证明爱因斯坦的结果符合实际。就这样，从经典物理学提出的电磁质量问题，反而成了相对论的重要证据。,“电磁质量”的发现,“,以太漂移,”,的探索,如果说，电子和,“,电磁质量,”,的发现，从电的方面为现代物理学开辟了道路，那么，,“,以太漂移,”,的探索则从光的方面打开了另一个缺口，促使物理学革命的爆发。,以太的研究等价于两个问题：光是否满足速度的叠加原理；能否探测到绝对静止的以太空间？,“,以太漂移,”,问题是从光行差的观测开始提出的。,1725,1728,年，英国天文学家布拉德雷对恒星的方位作了一系列的精确测量，把恒星一年四季的位置折算到天顶，发现都呈圆形轨迹。他百思不得其解。据说，由于有一次偶然他注意到所乘的船改变航向时，船上的旗帜飘向不同的方向，才领悟到这一现象是因为地球围绕太阳旋转所致。他写道：,“,假想,CA,是一条光线，垂直地落到直线,BD,上，如果眼睛（指观察者）静止于,A,点，那么不管光的传播需要时间还是只需瞬间，物体必然出现在,AC,方向上。但是，如果眼睛（观察者）从,B,向,A,运动，而光的传播又需要时间，光的速度与眼睛（观察者）的速度比等于,CA,与,BA,之比，则当眼睛（观察者）从,B,运动到,A,时，光从,C,传播到了,A,”,若用,表示,ACB,，,v,表示观察者的速度，则,tg=v/c,这一关系完全适用于天体的光行差现象，布拉德雷测到的,角为（,40.5/2,）,20,，代入上式，得：,c=v/=3.11010,厘米,/,秒,=3.1105,千米,/,秒，其中,v=30,千米,/,秒。这是光速的最早的数值。,“以太漂移”的探索 “以太漂移”问题是从光行差的观测开,阿拉果的望远镜实验,阿拉果是法国著名物理学家。由于他曾从事过大气折射的光学研究，引起了对光速的兴趣。他从牛顿力学速度叠加原理出发，认为如果发光体和观测者的运动速度不同，光速应有差别，布拉德雷的观测精度有限，没有显出有这种差别。于是他亲自做了一个实验：在望远镜外用消色差棱镜加于望远镜视场的半边，然后用望远镜观测光行差。但是实际观测结果却是经过棱镜和不经过棱镜的两边，光行差完全相同。其实这正说明经典的速度叠加原理不适用于光的传播。但是阿拉果却和布拉德雷一样，都是光微粒说的信仰者，只能在微波说的前提下作一个很勉强的假设。他假设星体以无数种速度发射光的微粒，只是因为人眼对光有选择性，只能接收某一特定速度的光微粒，所以看不出差别。不久，托马斯,杨和菲涅耳倡导光的波动说获得进展，阿拉果转向波动说，,1815,年曾写信给菲涅耳，告诉他几年前自己做的望远镜实验，征询菲涅耳能否用波动理论予以说明。,1800,年以后，由于波动说成功地解释了干涉、衍射和偏振等现象，以太学说重新抬头。在波动说的支持者看来，光既然是一种波，就一定要有一种载体。光能通过万籁俱寂的虚空，证明在虚空中充满这种载体，这就是以太。他们把以太看成是无所不在、绝对静止、极其稀薄