第七章    物理学革命与现代科学的产生(2)

瑞利-金斯定律依据的是经典电磁学、热力学和统计学的基本原理，推导过程清晰明确，但是对热辐射现象的说明却是失败的。思想敏锐的物理学家已意识到，这也许意味着经典物理学自身是有缺陷的。量子理论正是在瑞利-金斯定律黑体辐射能量分布规律上首先取得突破，进而开始了人们对微观高速世界物质运动规律的探索。

3 三大发现

十九世纪末二十世纪初，自然科学的新发现层出不穷，其中以X射线、放射性、电子的发现最为重要，被称作世纪之交物理学的三大发现。

X射线

X射线的发现起源于对阴极射线的研究。

“阴极射线”由德国物理学家哥耳德斯坦（E.Goldstein）命名，是指真空管内的金属电极在通电时阴极发出的射线，这种射线受磁场影响，具有能量。十九世纪末，阴极射线到底是什么？是一种电磁波还是带电的粒子流？这个问题吸引了众多科学家对其进行研究，其中，德国物理学家普吕克尔（J.Plücker）、哥耳德斯坦、英国物理学家克鲁克斯（W. Crooks）、德国物理学家勒纳得（P.Lenard）都做出过出色的工作。

德国物理学家伦琴（W. Röntgen）正是在探寻阴极射线本质的过程中做出了惊人发现。1895年11月8日

在德国维尔茨堡大学实验室里，伦琴重复勒纳得实验的时候意外地发现了一种新射线。他在后来的报告中写到“在希托夫真空管、高真空的勒纳得管、克鲁克斯管和其他类似的装置中进行鲁姆科尔夫放电时，如果用一张适当的薄黑硬纸紧紧包住放电管，并把整个装置放在一个十分黑暗的房间中，那么每次放电时都可以观察到，放在该装置附近的涂有铂氰化钡的纸屏发出萤光。这样发生的萤光与涂有铂氰化钡的面与没有涂铂氰化钡的面那一面向着放电装置完全无关。即使纸屏距装置两米

远，也能够看到这种萤光。”

伦琴很快洞察到自己发现的重大意义，他夜以继日地工作，一个多月后，也就是1895年12月28日

，伦琴将他悉心研究的成果写在“关于一种新的放射线”的论文里，呈交给维尔茨堡市物理学与医学协会。文章记述了实验装置和实验方法，并初步总结了新射线的性质：新射线具有极强的贯穿能力；能使照相底片感光；磁场并不能使新射线偏转；能显示骨骼的影像等。

威廉·伦琴发现x射线，并于1901年获得首届诺贝尔物学奖。罗斯在博弈论、市场设计和实验经济学领域都曾作出重大贡献，荣获2012年诺贝尔经济学奖。1895年1月5日，德国著名物理学家伦琴发现x射线，他因此于1901年获得第一次诺贝尔物理学奖金，这一发现宣布了现代物理学时代的到来，使医学发生了革命。

伦琴发现X射线有一定的偶然性，在伦琴之前，克鲁克斯、古德斯比德、勒纳得等人都遇到过阴极射线管附近的照相底片感光或物体发出荧光的现象，但他们都错过了发现X射线的机会。然而，如果因此得出结论，说伦琴的发现只是由于交了好运，那可就大错特错了。真正的科学发现必须是在受控实验中获得，能够普遍重复并不断接受检验，要将一个偶然现象变成真正的科学发现，实验家的技巧和理论家的头脑同样重要，在伦琴的身上正体现了这两者的完美结合。正如柏林科学院在致伦琴的贺词中说到：“科学史告诉我们，在每一项科学发现中，功劳和幸运独特地结合在一起；在这种情况下，许多外行人也许认为幸运是主要的因素。但是，了解您的创造个性特点的人将会懂得，正是您，一位摆脱了一切成见的、把完善的实验艺术和最高的科学诚意及注意力结合起来的研究者，应当得到做出这一伟大发现的幸福。”

放射性

X射线的发现直接导致了天然放射性的发现，这是历史合乎逻辑的继续。

在寻找X射线源的过程中，一些科学家如（H. Poincaré）提出：X射线可能源于荧光物质。庞加莱的设想给法国物理学家贝克勒耳（H.Becquerel）留下了深刻的印象，他立即开始进行相关的研究，以检验庞加莱的假设。

贝克勒耳选择了一种铀盐（硫酸钾铀酰）做实验材料，最初的实验似乎表明，这种铀盐在阳光下曝晒几小时后能发出一种射线，这种射线能穿透黑纸而使照相底片感光。贝克勒耳设想，这种射线类似于X射线，其发射要以太阳光对铀盐晶体的激发为条件。凑巧接下来的几天是阴雨天，铀盐没有在阳光下曝晒，但奇怪的是它照样使照相底片感光了，这说明铀盐本身在不断地自行辐射，原来的结论错了。1896年3月2日

，贝克勒耳在科学院例会上公布了这一发现。接下来，贝克勒耳对铀元素和铀的化合物进行了一系列的研究，于1896年5月18日

宣布：发射穿透射线的能力，是铀的特殊性质，这是一种与X射线不同的、穿透力很强的另一种辐射。

铀是人们发现的第一种天然放射性物质。

将贝克勒耳的工作推向深入的是居里夫妇。皮埃尔·居里（P.Curie）是一位有成就的实验物理学家，他擅长的领域是晶体物理和磁学，他与其兄长发明的精密测量仪器在后来的研究放射性的工作中起了重要作用。

居里

夫人（M. S.Curie）原名玛丽·斯克罗多夫斯卡，生在波兰，1891年到巴黎攻读物理学，1893年，她以第一名考取物理学硕士学位，1894年又以第二名考取数学硕士学位。在准备实验研究、撰写毕业论文期间，她与皮埃尔·居里相识，于1895年结婚，从此，开始了共同的科学生涯。

1897年，居里夫人决定选择铀辐射作为博士论文的研究课题。居里夫人猜想，铀辐射是铀原子本身的性质，是否还存在其一些像铀一样的元素呢？她系统研究了当时已知的各种元素发现，钍也具有像铀一样的辐射特性，她建议把这种性质叫“放射性”。1898年4月，她宣布了这一发现。在进一步的研究中居里夫人观察到，沥青铀矿和铜铀云母的放射性比根据铀含量计算出的要强得多，她确信，其中很可能含有一种比铀的放射性还要强的元素。皮埃尔·居里意识到这一研究的重要意义，放下自己的课题和夫人一起投入寻找新元素的工作。1898年7月，居里夫妇宣布发现了新的放射性元素，他们将这种元素命名为钋，以纪念居里

夫人的祖国—

波兰。同年 12月，他们又宣布了放射性元素镭的发现。钋和铋相伴，镭和钡相随。

要让化学家们承认这两种新元素的存在，必须将它们分离出来。为了分离出这两种新元素，居里夫妇付出了令人难以置信的艰苦努力。在极为简陋的“实验室”里，他们将维也纳科学院帮助购得的几吨沥青铀矿残渣进行不断的提取分离和精确测量，到1902年，经过45个月数万次的提炼之后，他们提炼出0.12克

氯化镭，初步测定镭的原子量是225，其放射性比铀强200多万倍。1903年，居里夫妇和贝克勒耳因发现天然放射性现象的重大贡献分享了这个年度的诺贝尔物理学奖。

如果居里夫妇愿意的话，镭的发现可以给他们带来巨大的财富，但他们放弃了申请镭的专利权，居里

夫人说：我们应该公开发表我们的研究成果，这是唯的道路，获取专利权将是违背科学精神的。

后来，居里

夫人又用三年时间成功提取了纯镭，并对其物理作用、化学作用、生物医学作用进行了研究，1911

年，居里 夫人因此赢得了诺贝尔化学奖。

像对金钱一样，面对纷至沓来的荣誉，居里

夫人同样心如止水。这使爱因斯坦感佩不已，他说：在所有的著名人物中，居里夫人是惟一不为荣誉所颠倒的人。

放射性物質の原子は不安定な性質を持ち、アルファ線やベータ線、ガンマ線などの放射線を出しながら、別の安定性の高い原子へ変化していく。(3)z元素的名称是__________，从元素原子得失电子的角度看，z元素具有________性。为了确定释放中子后的裂变产物的质量分布，即产额曲线，常通过用放射化学方法进行元素分离，测量它的标识放射性射线能量及半衰期(见放射性)来确定。

电子的确证

对阴极射线的研究还促进了电子的发现。

确证电子的是英国物理学家汤姆逊（J. J.Thomson）。汤姆逊的整个科学生涯都是在剑桥大学度过的。先是做学生，1883年留校任剑桥三一学院讲师，1884年成为卡文迪什实验室教授。这个实验室在他的领导下成了令人瞻目的世界实验物理中心，在这个科学共同体中先后有八位科学家获诺贝尔奖。

波是一种能量形式,比如电磁波.粒子是物质,我们常说的原子,电子,都可以成为电子.光,一开始被认为是物质,因为科学家发现光有压力,成为光压,受强光照射的物体会产生受力作用.于是大家说光是一种粒子,称为光子.后来发现光还具有电磁波的性质,认为它是一种能量,即是一种波.这俩种理论争论不休,后来爱因斯坦提出,光既具有物质的性质。而辐射又可依其能量的高低及电离物质的能力分类为电离辐射或非电离辐射，其中电离辐射是指波长短、频率高、能量高的射线（粒子或波的双重形式），例如α射线、β射线、中子等高能粒子流与γ射线、x射线等高能电磁波。[发明的故事](204)---麦克斯韦提出经典电磁理论 麦克斯韦提出经典电磁理论 1864年英国麦克斯韦,总结了电磁现象的基本规律, 提出经典电磁理论, 预言电磁波的存在. 经典电磁学是研究宏观电磁现象和客观物体的电磁性质的学科.人们很早就接触到电和磁的现象,并知道磁棒有南北两极.在18世纪,发现电荷有两种:正电荷和负电荷.不论是电荷还是磁极都是同性相斥,异性相吸,作用力的方向在电荷之间或磁极之间的连接线上,力的大小和它们之间的距离的平方成反比.在这两点。

中a表示质量数，z表示质子数，a表示粒子所带的电荷数和电性，b表示组成该粒子的原子数目。国内常用的放射治疗机产生的x线、γ线均为低let射线，60co的let为0.3kev/μm，高能x线为3kev/μm，而中子、负π介子和重离子等均为高let射线，中子的let在10kev/μm以上，α粒子则可高达100kev/μm以上（见表1-7-1-1）,从表1-6-1-1中可见，x线或γ线的q值为1，快中子的q值为10，即10gy的快中子将导致与100gyx线相等的损伤。对颇料性能无关，它是由0.6~0.7μm的1次聚集粒子凝聚而成，1次聚集粒子才是决定颜料性能的基粒子，此粒子又是由大约1000个60~75mμm的微晶组成，每个60~75mμm的微晶是由10个原子呈线性排列而组成的网状结构。

1897年8月，汤姆逊将他的发现写成论文《阴极射线》，10月发表在《哲学研究》上。

所以x射线光谱是原子中最靠内层的电子跃迁时发出来的，而光学光谱则是外层的电子跃迁时发射出来的。原子内层电子脱离原子后留下空位形成激发原子，其外部壳层的电子会填补空位并放出特征 x 射线。要求掌握：原子的核式模型、玻尔理论及应用、电子自旋假设及相关实验、原子的精细结构、双电子原子、泡利不相容原理、角动量耦合、原子态的形成及原子基态的确定、x射线产生的机制及x射线的能级图和吸收限、原子核的基本性质、放射性衰变和核反应基本规律等。

7.2 相对论的创立

狭义相对论和广义相对论的创立是人类智慧的奇迹。其深邃的思想、优美的数学、辉煌的验证都使人赞叹不已，但其对时空观革命性的变革又使人难以理解，于是，人们续写了那首诗：

上帝说，“让牛顿去吧”

于是一切成为光明

但不久

魔鬼说，“让爱因斯坦去吧”

于是一切又重新回到黑暗中。

1、爱因斯坦的科学生涯

1878年3月14号，爱因斯坦出生在德国小镇乌尔姆的一个犹太家庭，和牛顿一样，幼年的爱因斯坦并未显现出任何天才的迹象，相反，他很晚才开口说话，父母因此担心他智力发育不全。上学后，除数学外，其它功课平平，特别是希腊文、拉丁文更是一塌糊涂，他对这些古典语言不感兴趣，却喜欢课外阅读科学和哲学著作和独立思考问题。1894年，爱因斯坦全家迁到意大利米兰，他一个人留在慕尼黑以完成中学最后一年的学业。犹太血统、自由思想以及独来独往的性格，使校方对爱因斯坦很烦，甚至建议他退学去意大利找父母，而爱因斯坦也早已对呆板的学校教育难以忍受了，于是，他愉快地接受了校方的建议。就这样，人类历史上最伟大的天才中途退学了。

爱因斯坦1900年毕业于苏黎世联邦理工学院，入瑞士国籍(原德国人)。爱因斯坦不是神童，中学成绩并不好，大学也是考了两次才被录取，学习也并不出众，后到瑞士一家专利局当了7年职员。其实不是，他进了瑞士苏联邦工业大学就读，虽然中学物理学太容易太浅显。

1896年，爱因斯坦终于如愿以偿考入瑞士联邦工业大学，主修物理。大学期间，爱因斯坦宁愿自己在家阅读当时著名科学家的著作和论文而不愿到课堂听课，临近考试只好向好友格罗斯曼（M.Grossmann）借听课笔记，阵前磨枪，涉险过关。