(1.12)-講稿11-微觀物理（1）物理史話

講稿講授內(nèi)容備注第5頁共5頁引題：上節(jié)課詳細講述了幾何光學形成過程中各位科學家的卓越貢獻，以及這一完整學科建立過程的曲折經(jīng)歷，今天開始進入光學史下一階段的學習一、經(jīng)典困難幾朵烏云1.光譜的研究：2.固體的比熱容（1）固體比熱的歷史1819年，化學家杜隆（P.L.Dulong，1785—1838）物理學家珀替（A.T.Petit,1790—1820）發(fā)現(xiàn)：所有簡單物體的原子具有的熱容量相同。1832年紐比曼（F.E.Neumann）提出分子熱定律：化學式為Aa、Bb、Cc的化合物，其分子熱容量為：C=aCA+bCB+cCC+?即比熱容與溫度無關(guān)1872年，H.F.韋伯，1898年貝恩（Behn）、1905年杜瓦均有文章論述：溫度越低，比熱越小(H．F．韋伯是蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學的物理教授，愛因斯坦早年就學于蘇黎世時，正好聽過他的講課，并在他的實驗室中工作過)（2）愛因斯坦對固體比熱的研究1906年，愛因斯坦應用普朗克的量子假說推導出的比熱容公式，與H.F韋伯的測量數(shù)據(jù)基本相符，第一次用量子理論解釋了固體比熱的溫度特性（3）能斯特的工作1910年2月能斯特發(fā)表在液氫溫度（20.3K）利用他創(chuàng)制了真空量熱計，測出的比熱容與愛因斯坦的理論定性相符1911年能斯特與林德曼根據(jù)愛因斯坦的方程提出一經(jīng)驗公式對愛因斯坦理論的重要補充。愛因斯坦旋即承認這是一個有價值的公式（其實，他早就申明過，用單一頻率是為了簡化，不可避免某些地方會造成理論和實驗結(jié)果的分歧）。（4）第一屆索爾威會議1911年10月29日在比利時的布魯塞爾召開第一屆索爾威（化學工業(yè)巨頭）國際物理會議，討論的主題就是《輻射理論和量子》能斯特和愛因斯坦都作了發(fā)言宣傳量子理論，影響很大，例如：盧瑟福回到英國曾與玻爾詳細討論過，法國的路易斯·德布羅意從他兄長莫里斯·德布羅意編輯的索爾威會議文集中獲得會議的信息，他們兩人后來都對量子理論的發(fā)展作了卓越的貢獻。3.經(jīng)典實驗（1）黑體輻射——1900年普朗克公式（2）光電效應——1905年愛因斯坦光電子論（3）康普頓效應——1904年英國物理學家伊夫(A.S.Eve)發(fā)現(xiàn)——1923年康普頓成功解釋光的波粒二象性二、原子模型的建立1.電子的發(fā)現(xiàn)（1）陰極射線的發(fā)現(xiàn)1858年德國物理學家普呂克爾（JuliusPlücker，1801—1868）在觀察放電管中的放電現(xiàn)象時發(fā)現(xiàn)。陰極射線的本性：德國學派主張以太說，英國學派主張帶電微粒說。1871年，英國物理學家瓦爾利（C.F.Varley，1828—1883）提出這一射線是由帶負電的物質(zhì)微粒組成的設(shè)想。1876年哥爾茨坦（EügenGoldstein,1850—1930）命名為陰極射線判斷它是類似于紫外線的以太波（2）J.J.湯姆生的工作定性研究：改進了赫茲的靜電場偏轉(zhuǎn)實驗進一步提高了真空度并且減小極間電壓，以防止氣體電離，終于獲得了穩(wěn)定的靜電偏轉(zhuǎn)。定量研究方法一：測荷質(zhì)比e/m用靜電場偏轉(zhuǎn)管在管子兩側(cè)各加一通電線圈以產(chǎn)生垂直于電場方向的磁場，然后根據(jù)電場和磁場分別造成的偏轉(zhuǎn)，計算出陰極射線的荷質(zhì)比e/m，法二：測量陰極的溫升把熱電偶接到陰極，測量它由于陰極射線撞擊引起的溫度變化，兩種不同的方法得到的結(jié)果相近證明電子存在的普遍性。用不同的陰極和不同的氣體做實驗，結(jié)果都是同一數(shù)量級，證明各種條件下得到的都是同樣的帶電粒子流，與電極材料、氣體成分無關(guān)。1897年4月30日J.J.湯姆生向英國皇家研究所報告了自己的工作，隨即又以《論陰極射線》為題發(fā)表論文湯姆生的實驗①直接檢測陰極射線帶的電性：改進佩蘭實驗——他把聯(lián)到靜電計的電荷接受器（法拉第圓桶）安裝在真空管的一側(cè)，平時沒有電荷進入接收器。用磁場使射線偏折，當磁場達到某一值時，接收器接收到的電荷猛增，說明電荷來自陰極射線。②提高真空度：J.J.湯姆生重復了赫茲的靜電場偏轉(zhuǎn)實驗，起初也得不到任何偏轉(zhuǎn)。后來經(jīng)仔細觀察，注意到在剛加上電壓的瞬間，射束輕微地擺動了一下。他馬上領(lǐng)悟到，這是由于殘余氣體分子在電場的作用下發(fā)生了電離，正負離子把電極上射線所帶電荷的實驗裝置的電壓抵消掉了。顯然這是由于真空度不夠高的原因。于是，他在實驗室技師的協(xié)助下努力改善真空條件，并且減小極間電壓，終于獲得了穩(wěn)定的靜電偏轉(zhuǎn)。這樣，J.J.湯姆生就獲得了駁斥以太說的重要證據(jù)“電子”一詞的來歷：1891年斯坦尼（G.T.Stoney，1826—1911）用于表示電的自然單位1899年J.J.湯姆生采用“電子”“載荷子，就這樣電子被發(fā)現(xiàn)了。J.J.湯姆生又測量了光電流和熱電子及β射線的荷質(zhì)比證明它們都是由電子組成的，它比原子小千倍，電子是原子的組成部分，是物質(zhì)的更基本的單元。光電效應是1887年赫茲發(fā)現(xiàn)的熱電發(fā)射效應是1884年愛迪生（ThomasEdison，1847—1931）發(fā)現(xiàn)的，所以也稱愛迪生效應β射線是盧瑟福（ErnestRutherford，1871—1937）在1898年發(fā)現(xiàn)。附：約瑟夫·約翰·湯姆遜(Thomson，JosephJohn,1856-1940）1906年諾貝爾物理學獎授予英國劍橋大學的J.J.湯姆孫爵士以表彰他對氣體導電的理論和實驗所作的貢獻。1856年生于英國曼切斯父親是蘇格蘭人，以賣書為業(yè)14歲進曼徹斯特歐文學院學習工程．1876年入劍橋大學三一學院，畢業(yè)后進入卡文迪許實驗室1884年（28歲）當選為皇家學會會員．1884年又繼瑞利之后擔任卡文迪許實驗室教授1906年諾貝爾物理學獎授予英國劍橋大學的J.J.湯姆孫爵士以表彰他對氣體導電的理論和實驗所作的貢獻1940年8月30日湯姆生在劍橋逝世J.J.湯姆孫的貢獻：1.建設(shè)與發(fā)展了卡文迪許實驗室（1）更新實驗室，引進新的教授法，創(chuàng)立了一個極為成功的研究所（2）實行吸收外校(包括國外)畢業(yè)生當研究生的制度2.發(fā)現(xiàn)電子：對儀器工作原理的理解卻是非常敏捷不善于具體操作3.名師盧瑟福，C．T．R．——原子核之父威爾遜(C．T．R．Wilson)，R．J．——云室斯特拉特(R．J．Strutt）——瑞利勛爵的兒子湯森(J．S．E．Townsend)——激光之父巴克拉(C．G．Barkla)1917年度諾貝爾物理學獎里查森(O．W．Richardson)1928年阿斯頓(F．W．Aston)——發(fā)現(xiàn)質(zhì)譜儀泰勒(G．I．Taylor)以及湯姆遜(G．P．Thomson)從卡文迪許實驗室出身的諾貝爾獎獲得者1.瑞利第三1904研究氣體密度，發(fā)現(xiàn)氮2..J.湯姆遜1906氣體導電的理論和實驗研究3.盧瑟福1908因放射性研究獲諾貝爾化學獎4.W.H.布拉格、W.L.布拉格1915用x射線研究晶體結(jié)構(gòu)5.巴克拉1917發(fā)現(xiàn)作為元素特征的二次X射線6.阿斯頓1922因發(fā)明質(zhì)譜儀而獲諾貝爾化學獎7.C.T.R.威爾遜1927發(fā)現(xiàn)用蒸汽凝結(jié)的方法顯示帶電粒子的軌跡8.理查森1928研究熱電子現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)理查森定律9查德威克1935發(fā)現(xiàn)中子10.G.P.湯拇遜1937電子衍射11.阿普列頓1947上層大氣的物理特性12.布萊開特1948改進威爾遜云室2.原子模型的歷史演變1）長崗的土星模型：長崗半太郎（1865—1950）1903年根據(jù)麥克斯韋的土星衛(wèi)環(huán)理論推測原子的結(jié)構(gòu)，他的論文題目是：《用粒子系統(tǒng)于1904“我要討論的系統(tǒng)，是由很多質(zhì)量相同的質(zhì)點，聯(lián)接成圓，間隔角度相等，互相間以與距離成平方反比的力相互排斥。在圓中心有一大質(zhì)量的質(zhì)點對其它質(zhì)點以同樣定律的力吸引。如果這些互相排斥的質(zhì)點以這系統(tǒng)一般將保持穩(wěn)定?！碧岢鲇泻四Ｐ?，不穩(wěn)定2）勒納德的中性微粒模型：原子內(nèi)的電子相應的正電荷組成中性微粒3）里茲的磁原子模型：1908年里茲提出原子光譜的組合原理電荷在電磁場中運動的情況相當4）湯姆生的實心帶電球模型：西瓜或棗糕模型，影響最大5）哈斯將量子假說運用于原子模型的嘗試哈斯（A.E.Haas，1884—1941）是奧地利的一位年青物理學家尼科爾松的量子化原子模型尼科爾（JWNicholson3.盧瑟福的有核模型：1）實驗：1909年蓋革（1882—1947）和馬斯登（1889－1945）作α粒子的大角度散射實驗2)建立：盧瑟福用土星模型計算結(jié)果與實驗基本符合3)提出：1911年發(fā)表《物質(zhì)的α和β粒子的散射和原子結(jié)構(gòu)》原子核帶正電，它的電荷是+Ze，原子的半徑電子的位置必須擴展到以核為中心的，以R為半徑的球內(nèi)或球面上，象行星一樣繞核旋轉(zhuǎn)?！辈蛔悖弘娮永@原子核旋轉(zhuǎn)向外輻射電磁波發(fā)射光譜應為連續(xù)光譜，另一方面電子最后終會落到核上，這與原子的穩(wěn)定性相矛盾4.玻爾模型：1)玻爾簡介：尼爾斯·亨利克·大衛(wèi)·玻爾(1885.～1962)1885年10月7日出生于丹麥的哥本哈根。1903年，玻爾進入哥根哈根大學學習物理學1911年以論文《金屬電子論探討》獲得博士學位。1911年秋，玻爾赴劍橋大學，并在J．J．湯姆遜指導下在卡文迪許實驗室從事原子物理的實驗和理論研究。1912年4月，他又到曼徹斯特大學，在盧瑟福實驗室從事了4個月的α射線散射的實驗工作。他的主要工作是原子、分子和原子結(jié)構(gòu)理論，并作出許多重大貢獻。1913年在《哲學雜志》上發(fā)表了論文《原子結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)》提出原子模型2)玻爾氫原子模型*兩條基本假設(shè)（1）體系在定態(tài)中的動力學平衡可以藉普通力學進行討論（2）在不同定態(tài)之間的過渡伴隨有均勻輻射的發(fā)射，其頻率與能量之間的關(guān)系*作用：很好地解釋了氫和類氫原子的光譜，并預言了氫和氯的一些新譜線的存在。*實驗證實：不久被弗蘭克—赫茲的實驗證實。由這一杰出的成果，獲得1922年諾貝爾物理獎。不足：不能解釋氦原子及更復雜原子的光譜，不能解釋譜線的強度等問題，他的量子化假設(shè)沒有從理論上作出適當?shù)慕忉?。尼爾斯·亨利克·大衛(wèi)·玻爾(1885.～1962)簡介：與普朗克、愛因斯坦人稱量子物理三巨頭1885年10月7日出生于丹麥的哥本哈根。1903年，玻爾進入哥根哈根大學學習物理學1911年以論文《金屬電子論探討》獲得博士學位。1911年秋，玻爾赴劍橋大學，并在J．J．湯姆遜指導下在卡文迪許實驗室從事原子物理的實驗和理論研究。1912年4月，他又到曼徹斯特大學，在盧瑟福實驗室從事了4個月的α射線散射的實驗工作。他的主要工作是原子、分子和原子結(jié)構(gòu)理論，并作出許多重大貢獻。1913年在《哲學雜志》上發(fā)表《原子結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)》提出原子模型1916年索末菲將電子運動軌道由圓型軌道推廣到橢圓軌道。1916年玻爾接受哥本哈根大學理論物理講席。1920年倡議成立了哥本哈根理論物理研究所，玻爾擔任所長（許多年輕有為的理論物理學家如海森伯、泡利、狄拉克等都曾到這里學習或工作，他們自由討論、不斷創(chuàng)新，最后發(fā)展成了著名的“哥本哈根學派”）1940年德國入侵丹麥，玻爾拒絕與占領(lǐng)軍合作1943年“曼哈頓計劃”。竭力阻止使用美國的原子彈。他親自找羅斯?？偨y(tǒng)進行會談，杜魯門政府在廣島和長崎投擲了原子彈，令玻爾感到十分震驚和憤怒。人物特