科学发展简史单元辅导(4)

《科学发展简史》单元辅导（4）第十二章20世纪初的物理学革命一、学习目标和要求1.了解19世纪末物理学的重要成就。2.理解现代物理学的两大理论基石：相对论和量子力学。3.掌握物理学革命的意义后果。二、重点与难点分析本章的重点是19世纪末物理学的重要成就、相对论和量子力学、物理学革命的意义后果。下面分别进行分析：（一）电子、X射线和天然放射性的发现19世纪的力学、光学、热学、电磁学取得了光辉的成果，但在物理学晴朗天空的远处，尚有两朵小小的令人不安的乌云，这就是当时的物理学无法解释的热辐射实验和迈克尔逊—莫雷实验。正是这两朵小小的乌云和19世纪末一系列新的实验，降下了20世纪物理学革命的暴风骤雨，并使整个自然科学进入了一个崭新的阶段。1．20世纪初的物理学革命物理学革命首先是由电子、X射线和天然放射性的发现引起的。“电子”一词，最早使用在1891年，是英国科学家斯托内在他的研究成果中提出的。电子是人类发现的第一代基本粒子。英国著名物理学家汤姆生等对电子的发现作出了自己的贡献。1876年，德国物理学家戈德斯坦提出，普留卡利用盖斯勒管进行放电实验时，看到的玻璃管壁上辉光是由阴极产生的某种射线所引起的，他把这种射线命名为阴极射线。阴极射线引起了物理学家们的极大兴趣，这分别导致了电子和X射线的发现。英国著名物理学家汤姆生认为阴极射线是带负电的微粒，他利用阴极射线既可被磁场偏转又能为电场所偏转的联合作用，在1897年实验测定了阴级射线带负电的微粒的速度、电荷(e)、质量(m)和荷质比(e／m)，证明不论管中电极用什么材料制成或充以何种气体，生成的带负电的微粒的荷质比都一样，说明了这种微粒是各种原子的共同组成部分，汤姆生把这种微粒叫做电子。而X射线的发现主要归功于德国人伦琴的工作，伦琴致力于研究阴极射线所引起的荧光现象。1895年，他发现了高真空管放电时能产生X射线的现象。它的穿透性使人们看到了许多过去没有见过的新东西。1896年，法国科学家贝克勒尔在一种铀盐中发现了铀元素的天然放射性。它能使不透光的底片暴光。著名的法国科学家皮埃尔·居里和他的妻子玛丽·居里，经过多年的研究和实验，发现了钍、钋、镭的放射性。电子、X射线和放射性现象，这三大发现是19世纪末物理学的重要成就。在此基础上，20世纪初产生了原子物理学。英国物理学家汤姆生，在证实了电子的存在以后，于1904年，提出了他关于原子结构的“面包夹葡萄干”的原子模型。英国人卢瑟福在1911年经过实验，得出结论：原子中有一个非常非常小的核，它集中了原子99.99%的质量。他提出了原子有核模型---行星模型。电子、X射线和放射性现象的三大发现打开了经典物理学的缺口，从根本上改变原来的自然观，猛烈冲击着物理学的物质、质量、能量、运动、原子、元素等基本概念，经典物理学中的质量守恒、能量守恒、运动定律等基本定律面临严峻考验，物理学的革命风暴来临了。（二）爱因斯坦的相对论1876至1887年间,美国物理学家迈克尔逊和莫雷以寻找以太为目的的实验得到了否定以太风存在的“负结果”。19世纪到20世纪之交的物理实验和理论准备表明，建立新的时空理论和物质运动理论的条件已经具备。在这样的条件下，爱因斯坦创立了具有划时代意义的相对论学说。他在1905年发表的《论动体的电动力学》一文中首先创立了狭义相对论。他在这篇论文中大胆地提出了两个基本假设：即狭义相对论的相对性原理和光速不变原理。爱因斯坦从相对论的基本原理和洛伦兹变换得出了狭义相对论的一系列结论：1．同时性的相对性；2．时钟延缓；3．长度缩短；4．物体的质量随速度变化；5．质能相关（这一结论奠定了利用原子能的理论基础）。同时还得出，物体的运动速度V不可能大于自由空间中的光速C。爱因斯坦建立的狭义相对论揭示了既适用于低速运动又适用于高速运动的规律。狭义相对论建立以后,不断受到了实践的检验和证实。爱因斯坦还把相对论原理推广到非惯性系(加速运动的参考系)中，并在1907年提出了广义相对论的基本原理。按照这些原理,爱因斯坦又在1916年建立了广义相对论的引力场方程，论证了空间的结构和性质取决于物质的分布。爱因斯坦还从广义相对论作出了可供验证的三个推论，即水星近日点的进动、引力场会使光线偏转、光谱线的引力红移。这三个推论都得到验证。爱因斯坦的相对论是对经典物理学的重大突破，它不仅揭示了空间的可变性和时间的可变性，而且说明了单独的空间改变或单独的时间改变都是不可能的,空间和时间的变化是必然地联系在一起的；不仅如此，时空的变化和时空结构又与物质的运动和状态不可分离。这种新的时空观、运动观、物质观的形成是人类思想发展中的根本变革,对整个自然科学和哲学产生了深远的影响。（三）量子论与量子力学19世纪末和20世纪初物理学发展中的另一个重大的突破是量子论的产生和在此基础上建立了量子力学。1900年末，普朗克在德国物理学会上宣读的《关于正常光谱能量分布定律的理论》的论文中，提出了能量量子化假说。这篇论文宣告了量子论的诞生。普朗克的量子理论：物体在发射和吸收辐射时，能量不是连续变化的，而是以一定数值的整数倍跳跃式地变化；能量也是由一份份“能量原子”构成。他把每一份能量叫“能量子”或“量子”，其数学表达式为ε(量子)=hv，h为普朗克常数，v为频率。对量子论形成具有重要意义的第二个推动是对光电效应的解释。19世纪80年代，赫兹等科学家发现，当光照射到金属上会使金属表面有电子逸出，这就是光电效应。1902年，德国物理学家勒纳德等人总结了实验研究的成果得出：1.入射光的强度越大，它从金属表面打出的电子越多；2.被光辐射打出的电子的运动速度与入射光的频率成正比，与光的强度无关；3.如果光的频率小于某一截止频率，无论光的强度多大，照射时间多长，都不会产生光电效应。1905年，爱因斯坦发展了普朗克的能量量子化的概念，用光量子假说完满地解释了光电效应。光量子假说揭示了光既有波动性又有微粒性的双重特性。光量子假说，为美国实验物理学家密立根和康普顿等所证实。对原子稳定性的解释是促进量子论形成的第三个因素。卢瑟福根据α散射实验结果，提出了原子行星模型，丹麦人玻尔在1913年把行星模型量子化。玻尔模型很好地解释了原子的稳定性和有关原子光谱的大部分观测事实。1924年,法国物理学家德布罗意又提出了实物粒子也具有波动性即物质波的概念，即一切客体都具有波粒二象性。他用这种物质波的理论解释了玻尔的模型和量子条件。1927年,美国的戴维逊等物理学家通过电子衍射实验证实了电子的波动性。一系列的实验又证明，一切实物粒子都具有波动性，都有衍射现象发生。波粒二象性的揭示，使人们有可能从根本上越出经典物理学的规范，开创出一门专门研究微观世界运动规律的统一理论—量子力学。奥地利物理学家薛定谔是量子力学的奠基人之一。1926他阐述和发展了德布罗意的物质波的思想，建立了描述微观粒子运动的波动力学和波动方程。同年，德国物理学家玻恩对波函数作出了统计解释。德国物理学家海森堡在1925年沿着另一个途径为量子力学的创立奠定了基础。他建立了与薛定谔的波动力学在本质上一致的矩阵力学—量子力学的另一种数学表达式。海森堡在1927年推出了测不准原理和测不准关系式，这一原理是微观粒子波粒二象性的反映。由于薛定涛、海森堡、波恩、狄拉克以及奥地利物理学家泡利等人的努力，量子力学在本世纪30年代初已形成为完整的体系。量子论和量子力学的建立，使人们从根本上改变了只承认连续性和机械力学决定论的经典观念，论证了连续与间断统一的自然观，揭示了物质世界中统计决定论的因果观。量子物理学是反映自然界一切领域的普遍适用的理论，人们有了量子阶梯，便可以向物质运动的各个层次深入探讨，各门科学的量子化是20世纪自然科学发展的一个重要特点。量子力学和相对论的结合，构成了现代物理学的理论基础,使人们对原子、分子、电子、原子核的认识前进了一大步。（四）物理学革命的意义与后果20世纪初的物理学革命，在高速过程和微观领域内实现了一次更为深刻和更为广泛的理论综合，在科学的基本概念上发生了重大的改变，在时间、空间、运动、质量、能量、连续与非连续、必然与偶然、物质结构等一般的关系上都提出了许多崭新的见解。物理学革命所产生的深远影响，只有牛顿力学的建立才能与其相比。在20世纪初的物理学革命中，也引起了科学学派间的争论。科学的争论激起了哲学上的论争。它不仅吸引了科学家而且使哲学家也加入到这场争论中来。现代科学的发展一再表明科学的最前沿领域往往是科学家与哲学家共同作战的地方。没有哲学意识的科学家同没有自然科学知识基础的哲学家一样，在科学前沿的探索中都将是无能为力的。科学发现的新事实与原有理论之间的矛盾，这是科学发展的内在动力，由此才有新理论的出现，用以概括新的事实。在科学发展史上不同学派之间发生争论乃是一种正常现象，正是这种争论促使人们抛弃错误的观点、理论，揭示出各派在理论上的缺陷，确立和发展正确的观点和理论，促进理论与实验新事实之间的矛盾不断解决。物理学革命不仅引起了人们观念上的重大变革，而且也在社会实践活动中产生了深远的影响。物理学革命促进了科学技术活动社会化的进程。20世纪以来的科学研究正在要求巨大的投资，实验规模也在不断扩大。在这种情况下，陆续出现了由垄断企业建立的大型实验室和由国家资助的实验研究机构。科学研究从此进入了由垄断企业和国家政府控制、组织和协调的时代。世界各国不仅重视实用科学研究，而且开始重视纯科学的基础研究。第十三章现代自然科学的新进展一、学习目标和要求1.了解结构化学的进展和有机合成化学、高分子化学的建立过程。2.理解现代自然科学在不同层次上的重大科学突破：微观层次上的粒子；世界探索；宏观层次上的凝聚态物理新进展；地球观和天文学的进展。3.理解从细胞水平向分子水平深入的生物学研究。4.掌握人类从提出原子价概念到认识化学键的历史过程：原子价——电价键———共价键——化学键。二、重点与难点分析本章的重点是现代自然科学在不同层次上的重大科学突破；从细胞水平向分子水平深入的生物学研究；人类从提出原子价概念到认识化学键的历史过程。下面分别进行分析：（一）现代科学发展的特点现代自然科学的发展是在宏观研究与微观研究的互相促进中实现的。高度的分化与高度的综合，是现代科学发展的一个重要特点。现代自然科学的发展既有相对独立前导的一面，又有更加依赖于生产实践的一面。（二）粒子世界的新发现人们最初所知道的比原子还小的粒子仅仅有4个，即电子、组成原子核的质子和中子，作为辐射单元的光子，后来人们将其称为基本粒子。1930年—1932年间，发明了能够获得高速粒子的回旋加速器、静电加速器和高压倍加器，为核物理研究提供了强有力的工具。美国的费米和德国的哈恩发现了人工核裂变反应，铀裂变时又放出中子，形成链式反应，发出大量能量，由此开始了原子能的利用。到1947年，人们已知包括新认识到的正电子、反质子、反中子、π介子、中微子和反中微子在内的14种基本粒子，它们是第一代基本粒子,他们当中多数是从理论上首先预测到的。到1960年为止，人们还找到了一批成对产生的奇异粒子，使已认识的基本粒子达到30种。这批奇异粒子又称为第二代基本粒子。从60年代起，物理学家们又发现了一大批寿命极短的共振态的粒子，使基本粒子的总数达到400余种。共振态粒子又被叫做第三代基本粒子。1964年，美国物理学家盖尔曼在建立了强子的周期表后提出了夸克模型，认为夸克组成了基本粒子。1965至1966年，我国物理学家提出了层子模型。目前，人们对如何理解物质的可分性和物质可分的无限性，正进行着深入的探讨。（三）从凝聚态物理到天体物理粒子世界的小尺度领域的探索是本世纪物理学的一个重要内容，现代自然科学的另一个重要方向是研究大尺度层次的物理现象，从而形成了以反映夸克—基本粒子—原子核和原子—分子—凝聚态(固体和流体)—地球和其他天体—星系和整个宇宙为内容的完整的物理学体系。进入20世纪以后，作为凝聚态物理的主要部门—固体物理学取得了重大的成就。凝聚态物理的新进展首先是与超高压、高真空、超高温、极低温、强磁场等特殊条件的获得有关。极低温状态下的物性