第十五講著名的物理實(shí)驗(yàn)及其在物理學(xué)發(fā)展中的作用

1、第十講第十講 著名的物理實(shí)驗(yàn)及其在著名的物理實(shí)驗(yàn)及其在物理學(xué)發(fā)展中的作用物理學(xué)發(fā)展中的作用 一一. .邁克爾遜邁克爾遜- -莫雷實(shí)驗(yàn)?zāi)讓?shí)驗(yàn)二二. .晶體對(duì)晶體對(duì)X X射線的衍射實(shí)驗(yàn)射線的衍射實(shí)驗(yàn)三三. .卡文迪許和卡文迪許和 卡文迪許實(shí)驗(yàn)室卡文迪許實(shí)驗(yàn)室1.1. 邁克爾遜進(jìn)行邁克爾遜進(jìn)行“以太漂移以太漂移”實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的的 歷史背景歷史背景2 2邁克爾遜的實(shí)驗(yàn)邁克爾遜的實(shí)驗(yàn)3. 3. 邁克爾遜的實(shí)驗(yàn)的意義邁克爾遜的實(shí)驗(yàn)的意義4. 4. 后來進(jìn)行的邁克爾遜后來進(jìn)行的邁克爾遜莫雷類型莫雷類型 的實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)5 5邁克爾遜實(shí)驗(yàn)對(duì)愛因斯坦狹義相邁克爾遜實(shí)驗(yàn)對(duì)愛因斯坦狹義相 對(duì)論的作用對(duì)論的作用 該實(shí)驗(yàn)是該

2、實(shí)驗(yàn)是19世紀(jì)末期，美國(guó)的物理學(xué)家邁克爾遜世紀(jì)末期，美國(guó)的物理學(xué)家邁克爾遜與美國(guó)化學(xué)家、物理學(xué)家莫雷為測(cè)量地球相對(duì)于以太與美國(guó)化學(xué)家、物理學(xué)家莫雷為測(cè)量地球相對(duì)于以太的速度（的速度（“以太漂移速度以太漂移速度”）而進(jìn)行的。）而進(jìn)行的。）以太）以太物理學(xué)發(fā)展過程中的一個(gè)物理學(xué)發(fā)展過程中的一個(gè)“精靈精靈” “以太以太”的名稱可以追溯到古希臘。的名稱可以追溯到古希臘。 以太指青天或上層大氣。有時(shí)又以太指青天或上層大氣。有時(shí)又用以太來表示占據(jù)天體空間的物質(zhì)。用以太來表示占據(jù)天體空間的物質(zhì)。17世紀(jì)以太說的興起世紀(jì)以太說的興起 笛卡爾認(rèn)為物體與物體之間充滿笛卡爾認(rèn)為物體與物體之間充滿著以太，通過以太傳遞

3、力的作用（如著以太，通過以太傳遞力的作用（如磁力、月球?qū)Τ毕淖饔昧Γ?。磁力、月球?qū)Τ毕淖饔昧Γ?胡克、惠更斯認(rèn)為以太是光波的胡克、惠更斯認(rèn)為以太是光波的荷載物荷載物,甚至可以傳播引力。甚至可以傳播引力。 牛頓認(rèn)為以太不一定是單一物質(zhì)，牛頓認(rèn)為以太不一定是單一物質(zhì)，不同的以太，傳遞不同的作用。不同的以太，傳遞不同的作用。十八世紀(jì)以太論暫時(shí)沒落十八世紀(jì)以太論暫時(shí)沒落 主要是超距作用的抬頭。主要是超距作用的抬頭。 笛卡爾反對(duì)引力平方反比律，牛頓的追笛卡爾反對(duì)引力平方反比律，牛頓的追隨者們反對(duì)笛卡爾的哲學(xué)體系，連同他的以隨者們反對(duì)笛卡爾的哲學(xué)體系，連同他的以太論都否定了。太論都否定了。 引力定律

4、在天體力學(xué)中大獲成功，而尋引力定律在天體力學(xué)中大獲成功，而尋找以太的實(shí)驗(yàn)久不成功，以至超距作用流行。找以太的實(shí)驗(yàn)久不成功，以至超距作用流行。 隨著電荷，磁極間相互作用平方反比律隨著電荷，磁極間相互作用平方反比律的一一問世，以太論被拋棄。的一一問世，以太論被拋棄。十九世紀(jì)以太論的復(fù)蘇十九世紀(jì)以太論的復(fù)蘇 光的波動(dòng)說的確立，作為光波荷光的波動(dòng)說的確立，作為光波荷載物的以太又為人們所接受。載物的以太又為人們所接受。 法拉第和麥克斯韋的工作使電磁法拉第和麥克斯韋的工作使電磁以太獲得了地位。然而，以太的性質(zhì)以太獲得了地位。然而，以太的性質(zhì)一直捉摸不定。一直捉摸不定。以太的性質(zhì)以太的性質(zhì)a)以太究竟是固體

5、還是流體？以太究竟是固體還是流體？ 一方面，光是橫波。橫波只能在一方面，光是橫波。橫波只能在固體內(nèi)傳播（只有固體中能產(chǎn)生剪切固體內(nèi)傳播（只有固體中能產(chǎn)生剪切形變），因而要求以太是固體；形變），因而要求以太是固體； 另一方面，天體在其間運(yùn)動(dòng)不受另一方面，天體在其間運(yùn)動(dòng)不受阻力又要求以太是流體。阻力又要求以太是流體。b)以太究竟怎樣運(yùn)動(dòng)？以太究竟怎樣運(yùn)動(dòng)？ 完全拖曳理論完全拖曳理論 部分拖曳理論部分拖曳理論 自由以太自由以太 測(cè)量地球相對(duì)于以太的速度問題，測(cè)量地球相對(duì)于以太的速度問題，就成為當(dāng)時(shí)理論物理學(xué)界的一個(gè)重要就成為當(dāng)時(shí)理論物理學(xué)界的一個(gè)重要課題。課題。麥克斯韋對(duì)這一問題的見解：麥克斯韋對(duì)這

6、一問題的見解： 過去所做實(shí)驗(yàn)都是跟相對(duì)速度的過去所做實(shí)驗(yàn)都是跟相對(duì)速度的一次方有關(guān)，而光線要走來回路程，一次方有關(guān)，而光線要走來回路程，所以測(cè)不出相對(duì)速度，建議測(cè)與相對(duì)所以測(cè)不出相對(duì)速度，建議測(cè)與相對(duì)速度的平方有關(guān)的效應(yīng)。速度的平方有關(guān)的效應(yīng)。 生于德國(guó)，生于德國(guó)，就讀于美國(guó)，就讀于美國(guó)，從小熱愛科學(xué)從小熱愛科學(xué)實(shí)驗(yàn)，擅長(zhǎng)光實(shí)驗(yàn)，擅長(zhǎng)光學(xué)和聲學(xué)，后學(xué)和聲學(xué)，后到歐洲學(xué)習(xí)，到歐洲學(xué)習(xí)，在赫姆霍茲實(shí)在赫姆霍茲實(shí)驗(yàn)室工作。驗(yàn)室工作。）邁克爾遜邁克爾遜返回返回 i) 1880年在柏林大學(xué)開始籌劃，用干年在柏林大學(xué)開始籌劃，用干涉的方法測(cè)定以太漂移速度。涉的方法測(cè)定以太漂移速度。 利用半透明的鍍銀玻璃板

7、，以利用半透明的鍍銀玻璃板，以45取向，取向，將入射光分成垂直的兩束，經(jīng)另兩個(gè)鏡面反將入射光分成垂直的兩束，經(jīng)另兩個(gè)鏡面反射，再會(huì)聚到望遠(yuǎn)鏡中干涉。射，再會(huì)聚到望遠(yuǎn)鏡中干涉。 用蠟封住各光學(xué)部件。理論值應(yīng)移動(dòng)用蠟封住各光學(xué)部件。理論值應(yīng)移動(dòng)0.04個(gè)條紋（地球的軌道運(yùn)動(dòng)速度個(gè)條紋（地球的軌道運(yùn)動(dòng)速度30km/s）。）。 1881年改在波茨坦天文臺(tái)地下室年改在波茨坦天文臺(tái)地下室進(jìn)行。條紋移動(dòng)比預(yù)期值小且與地球進(jìn)行。條紋移動(dòng)比預(yù)期值小且與地球運(yùn)動(dòng)無固定的位相關(guān)系。運(yùn)動(dòng)無固定的位相關(guān)系。 邁克爾遜認(rèn)為：邁克爾遜認(rèn)為：“結(jié)果只能解釋結(jié)果只能解釋為干涉條紋沒有位移?？梢?，靜止以為干涉條紋沒有位移?？梢?，

8、靜止以太的假設(shè)是不對(duì)的。太的假設(shè)是不對(duì)的。”1880-18811880-1881年年 邁克爾遜的第一臺(tái)干涉儀邁克爾遜的第一臺(tái)干涉儀）1887年邁克爾遜年邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)?zāi)讓?shí)驗(yàn)8586年改進(jìn)了儀器年改進(jìn)了儀器 考慮了地球速度對(duì)垂直臂光速的考慮了地球速度對(duì)垂直臂光速的影響。影響。 光路光路8次來回反射長(zhǎng)次來回反射長(zhǎng)11米。米。 改進(jìn)鍍銀工藝，條紋清晰度提高。改進(jìn)鍍銀工藝，條紋清晰度提高。 用用50英尺見方（原英尺見方（原14英尺）的大理英尺）的大理石板做基底，并浮在水銀面上，中間支石板做基底，并浮在水銀面上，中間支承軸尖。承軸尖。86年受挫，年受挫，87年年7月正式實(shí)驗(yàn)。月正式實(shí)驗(yàn)。 結(jié)果：預(yù)期

9、移動(dòng)結(jié)果：預(yù)期移動(dòng)0.40.4個(gè)條紋，實(shí)個(gè)條紋，實(shí)際只觀察到際只觀察到0.010.01個(gè)條紋，仍為零結(jié)個(gè)條紋，仍為零結(jié)果。果。 邁克爾遜邁克爾遜與莫雷合作與莫雷合作改進(jìn)后干涉改進(jìn)后干涉儀的俯視圖儀的俯視圖 1887年發(fā)表在美國(guó)科學(xué)雜志年發(fā)表在美國(guó)科學(xué)雜志11月月號(hào)上。號(hào)上。“實(shí)際觀測(cè)所得的位移（指干實(shí)際觀測(cè)所得的位移（指干涉條紋的位移）肯定小于這一預(yù)期值涉條紋的位移）肯定小于這一預(yù)期值的的1/20，或許還少于其，或許還少于其1/40，由于這，由于這位移與速度平方成正比，地球與以太位移與速度平方成正比，地球與以太之間的相對(duì)速度也許小于地球軌道速之間的相對(duì)速度也許小于地球軌道速度的度的1/6，肯定

10、小于，肯定小于1/4?！?1897年，為檢驗(yàn)以太漂移速度與年，為檢驗(yàn)以太漂移速度與距地面的高度有無關(guān)系，設(shè)計(jì)了一臺(tái)距地面的高度有無關(guān)系，設(shè)計(jì)了一臺(tái)巨大的干涉儀（巨大的干涉儀（15m高，高，61m長(zhǎng)）整長(zhǎng)）整個(gè)光路用抽空的鐵管（個(gè)光路用抽空的鐵管（1/100atm）密）密封。封。 1913、1921、1929年多次重復(fù)，年多次重復(fù)，結(jié)果都是結(jié)果都是0。返回返回 i）動(dòng)搖了以太假說。）動(dòng)搖了以太假說。 動(dòng)搖了經(jīng)典物理的時(shí)空框架。動(dòng)搖了經(jīng)典物理的時(shí)空框架。激勵(lì)一些物理學(xué)家致力于發(fā)展運(yùn)動(dòng)激勵(lì)一些物理學(xué)家致力于發(fā)展運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)理論，為狹義相對(duì)物體的電動(dòng)力學(xué)理論，為狹義相對(duì)論的創(chuàng)立鋪平了道路。論的創(chuàng)

11、立鋪平了道路。ii）創(chuàng)制了一種精度極高的測(cè)量?jī)x器）創(chuàng)制了一種精度極高的測(cè)量?jī)x器 （1/410-8 m） 1892年測(cè)出米原器的長(zhǎng)度等于鎘年測(cè)出米原器的長(zhǎng)度等于鎘紅線的紅線的1553163.5個(gè)波長(zhǎng)。個(gè)波長(zhǎng)。 1907年年 邁克爾遜因邁克爾遜因“精密光學(xué)儀精密光學(xué)儀器和用這些儀器進(jìn)行光譜學(xué)的基本量器和用這些儀器進(jìn)行光譜學(xué)的基本量度度”方面的研究工作獲諾貝爾物理學(xué)方面的研究工作獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。獎(jiǎng)。邁克爾遜守侯在刻機(jī)旁，刻制衍射光柵。邁克爾遜守侯在刻機(jī)旁，刻制衍射光柵。 邁克爾遜由邁克爾遜由于于“在精密光學(xué)在精密光學(xué)儀器和用這些儀儀器和用這些儀器進(jìn)行光譜學(xué)的器進(jìn)行光譜學(xué)的基本量度基本量度”方面方面

12、的研究工作獲的研究工作獲1907年諾貝爾物年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。理學(xué)獎(jiǎng)。返回返回做過類似實(shí)驗(yàn)的有：做過類似實(shí)驗(yàn)的有：1902年年1904年，莫雷和密勒。年，莫雷和密勒。 為檢驗(yàn)洛侖茲為檢驗(yàn)洛侖茲斐茲杰惹的收縮假設(shè)。斐茲杰惹的收縮假設(shè)。1902年，年，用木底座，臂長(zhǎng)用木底座，臂長(zhǎng)4m，光路增為原，光路增為原 來的來的3倍。倍。1904年，年，用鋼底座，光路用鋼底座，光路64m，結(jié)果比，結(jié)果比1887年的更接近于年的更接近于0。19211926，密勒。，密勒。 1921年，在年，在1750m的威爾遜山上進(jìn)行，發(fā)的威爾遜山上進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)有現(xiàn)有10km/s的正效應(yīng)。逐項(xiàng)檢查，擦掉鐵磁材的正效應(yīng)。逐項(xiàng)檢查，擦

13、掉鐵磁材料，用水泥座，用銅鋁，將光源隔開，采用不料，用水泥座，用銅鋁，將光源隔開，采用不同的光源，用電爐加熱同的光源，用電爐加熱 1925年宣布，太陽系以年宣布，太陽系以200km/s的速度奔的速度奔向天侖星座，地球的速度為向天侖星座，地球的速度為10km/s。 掀起以太漂移實(shí)驗(yàn)熱。掀起以太漂移實(shí)驗(yàn)熱。 1955年，桑克蘭等人解釋為溫度梯度。年，桑克蘭等人解釋為溫度梯度。 1964年，用氦氖激光器再做邁氏實(shí)驗(yàn)。年，用氦氖激光器再做邁氏實(shí)驗(yàn)。返回返回 1931年愛因斯坦說道：年愛因斯坦說道：“我尊敬的邁克我尊敬的邁克爾遜博士，您開始工作時(shí)，我還是一個(gè)小孩爾遜博士，您開始工作時(shí)，我還是一個(gè)小孩子，

14、只有子，只有1m高。正是您，將物理學(xué)家引向新高。正是您，將物理學(xué)家引向新的道路，通過您精湛的實(shí)驗(yàn)工作鋪平了相對(duì)的道路，通過您精湛的實(shí)驗(yàn)工作鋪平了相對(duì)論發(fā)展的道路。您揭示了光以太的隱患，激論發(fā)展的道路。您揭示了光以太的隱患，激發(fā)了洛侖茲和斐茲杰惹的思想，狹義相對(duì)論發(fā)了洛侖茲和斐茲杰惹的思想，狹義相對(duì)論正是由此產(chǎn)生而來，沒有您的工作，這個(gè)理正是由此產(chǎn)生而來，沒有您的工作，這個(gè)理論今天頂多也只是一個(gè)有趣的猜想，您的驗(yàn)論今天頂多也只是一個(gè)有趣的猜想，您的驗(yàn)證使這得到了最初的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。證使這得到了最初的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)?！?1930年愛因斯坦訪問美國(guó)時(shí)，與邁年愛因斯坦訪問美國(guó)時(shí)，與邁克爾遜和密立根親切相會(huì)?？藸?/p>

15、遜和密立根親切相會(huì)。 邁氏的實(shí)驗(yàn)對(duì)愛因斯坦建立狹義邁氏的實(shí)驗(yàn)對(duì)愛因斯坦建立狹義相對(duì)論有無直接的作用呢？相對(duì)論有無直接的作用呢？ 1954年年2月月9日愛因斯坦又說過：日愛因斯坦又說過：“邁克爾遜的這件工作，既把問題大邁克爾遜的這件工作，既把問題大膽而明確地提了出來，又以天才的方膽而明確地提了出來，又以天才的方法取得了非常精密的測(cè)量結(jié)果，這是法取得了非常精密的測(cè)量結(jié)果，這是他對(duì)科學(xué)知識(shí)作出的不朽貢獻(xiàn)。這個(gè)他對(duì)科學(xué)知識(shí)作出的不朽貢獻(xiàn)。這個(gè)貢獻(xiàn)就是給貢獻(xiàn)就是給“絕對(duì)運(yùn)動(dòng)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)”的不存在，的不存在，以至于狹義相對(duì)論原理提供了新的強(qiáng)以至于狹義相對(duì)論原理提供了新的強(qiáng)有力的證據(jù)有力的證據(jù)。” “在我的工作

16、中，邁克爾遜的結(jié)果并沒有在我的工作中，邁克爾遜的結(jié)果并沒有起多大影響。我甚至都記不得了，在我最初起多大影響。我甚至都記不得了，在我最初寫第一篇這方面的論文時(shí)（寫第一篇這方面的論文時(shí)（1905年），我是年），我是否知道他的結(jié)果。這件事可以這樣解釋，一否知道他的結(jié)果。這件事可以這樣解釋，一般說來是因?yàn)槲覉?jiān)信不存在絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。我的般說來是因?yàn)槲覉?jiān)信不存在絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。我的問題僅僅是如何使這個(gè)觀念與電動(dòng)力學(xué)的知問題僅僅是如何使這個(gè)觀念與電動(dòng)力學(xué)的知識(shí)協(xié)調(diào)一致，因此，人們就可以理解為什么識(shí)協(xié)調(diào)一致，因此，人們就可以理解為什么在我個(gè)人的奮斗中，邁克爾遜實(shí)驗(yàn)沒有起作在我個(gè)人的奮斗中，邁克爾遜實(shí)驗(yàn)沒有起作用，或至少

17、沒有起決定性作用。用，或至少?zèng)]有起決定性作用?！狈祷胤祷?晶體對(duì)晶體對(duì)X射射線的衍射是線的衍射是1912年由德國(guó)慕尼黑年由德國(guó)慕尼黑大學(xué)勞厄?qū)崿F(xiàn)的，大學(xué)勞厄?qū)崿F(xiàn)的，他因此獲他因此獲1914年年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1.1.背景背景 世紀(jì)之交德國(guó)慕尼黑大學(xué)物理系有世紀(jì)之交德國(guó)慕尼黑大學(xué)物理系有三位著名的物理學(xué)教授：三位著名的物理學(xué)教授： 倫琴倫琴 實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家 1895年發(fā)現(xiàn)年發(fā)現(xiàn)X射線。射線。正著手正著手X射線性質(zhì)的研究，急于尋求用于測(cè)定射線性質(zhì)的研究，急于尋求用于測(cè)定X射線的光柵（光柵常數(shù)約為幾個(gè)埃）。射線的光柵（光柵常數(shù)約為幾個(gè)埃）。 戈勞特戈勞特 晶體礦物學(xué)家晶體礦

18、物學(xué)家 著有著有物理晶體學(xué)物理晶體學(xué)化學(xué)晶體學(xué)化學(xué)晶體學(xué)等著作。他迫切希望獲得能將光等著作。他迫切希望獲得能將光線射入晶體內(nèi)部的光源，以窺測(cè)晶體內(nèi)部的奧秘。線射入晶體內(nèi)部的光源，以窺測(cè)晶體內(nèi)部的奧秘。 索末菲索末菲 理論物理學(xué)家理論物理學(xué)家 提出了原子的橢提出了原子的橢圓軌道理論，十分重視理論與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合。圓軌道理論，十分重視理論與實(shí)驗(yàn)的結(jié)合。） X X射線的發(fā)現(xiàn)射線的發(fā)現(xiàn)性質(zhì)：性質(zhì)：穿透能力強(qiáng)（穿透能力強(qiáng)（1000頁紙，頁紙，23的木的木板，板，） 能使一些固體發(fā)出熒光；能使一些固體發(fā)出熒光； 能使照相底片感光；能使照相底片感光； 能使空氣電離。能使空氣電離。實(shí)質(zhì)：實(shí)質(zhì)：電子高速運(yùn)動(dòng)受阻，產(chǎn)

19、生電磁波。電子高速運(yùn)動(dòng)受阻，產(chǎn)生電磁波。 1。 ）晶體結(jié)構(gòu)的探索晶體結(jié)構(gòu)的探索 尋求對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的直接探視方法。尋求對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的直接探視方法。 ）勞厄的工作勞厄的工作 勞厄是索末菲的第一助教，十分勞厄是索末菲的第一助教，十分了解倫琴、戈勞特的工作和需求。慕了解倫琴、戈勞特的工作和需求。慕尼黑大學(xué)外有一座盧茨咖啡館，是年尼黑大學(xué)外有一座盧茨咖啡館，是年青人經(jīng)常聚會(huì)和交流學(xué)術(shù)思想的極好青人經(jīng)常聚會(huì)和交流學(xué)術(shù)思想的極好場(chǎng)所。索末菲的研究生厄瓦耳正準(zhǔn)備場(chǎng)所。索末菲的研究生厄瓦耳正準(zhǔn)備撰寫博士論文，題目是撰寫博士論文，題目是各向同性共各向同性共振子的各向異性排列對(duì)光學(xué)性質(zhì)的影振子的各向異性排列對(duì)光學(xué)性質(zhì)的

20、影響響。他征求勞厄的意見。他征求勞厄的意見。 勞厄勞厄問：?jiǎn)枺骸熬w為什么具有這種晶體為什么具有這種性質(zhì)？性質(zhì)？” 厄瓦耳厄瓦耳回答：回答：“假設(shè)這些共振子假設(shè)這些共振子就位于晶體的點(diǎn)陣上。就位于晶體的點(diǎn)陣上?！?勞厄勞厄又問：又問：“這些共振子之間的這些共振子之間的距離是多少？距離是多少？” 厄瓦耳厄瓦耳回答：回答：“約為可見光波長(zhǎng)約為可見光波長(zhǎng)的的1/500或或1/1000。” 勞厄勞厄的思想豁然開朗?？梢姽獠ǖ乃枷牖砣婚_朗。可見光波長(zhǎng)的長(zhǎng)的1/500或或1/1000恰為幾個(gè)埃，與恰為幾個(gè)埃，與X射線的波長(zhǎng)可以相比，正可以為射線的波長(zhǎng)可以相比，正可以為X射射線的衍射提供理想的光柵；而線的衍

21、射提供理想的光柵；而X射線射線的穿透本領(lǐng)特強(qiáng)，恰能為窺測(cè)晶體的的穿透本領(lǐng)特強(qiáng)，恰能為窺測(cè)晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供光源。內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供光源。X射線晶體衍射射線晶體衍射實(shí)驗(yàn)的構(gòu)思孕育成功。實(shí)驗(yàn)的構(gòu)思孕育成功。 1912年年4月月弗里德里希弗里德里希和和克尼平克尼平讓讓一束一束X射線穿過亞硫酸銅晶體得到衍射線穿過亞硫酸銅晶體得到衍射斑點(diǎn)射斑點(diǎn) 弗里德里希和克尼平的實(shí)驗(yàn)裝置弗里德里希和克尼平的實(shí)驗(yàn)裝置 這是這是弗里德里弗里德里希希19121912年年初次拍得初次拍得的的X X衍射衍射照片。照片。2 2布喇格方程布喇格方程 當(dāng)當(dāng)X射線照射到晶體上時(shí)，晶體射線照射到晶體上時(shí)，晶體晶格上的原子或離子受到晶格上的原子

22、或離子受到X射線周期射線周期性變化的電磁場(chǎng)作用，隨之振動(dòng)，成性變化的電磁場(chǎng)作用，隨之振動(dòng)，成為次波波源（其頻率與為次波波源（其頻率與X射線相同），射線相同），向各個(gè)方向發(fā)生散射，這些次波相互向各個(gè)方向發(fā)生散射，這些次波相互干涉，產(chǎn)生衍射花樣。干涉，產(chǎn)生衍射花樣。 1913年布喇格父子使年布喇格父子使X射線晶體衍射線晶體衍射實(shí)驗(yàn)成功，并提出衍射極大的條件，射實(shí)驗(yàn)成功，并提出衍射極大的條件，即布喇格方程：即布喇格方程： 2dsin=k（k=1、2、3、） 19151915年布喇格父子共獲諾貝爾年布喇格父子共獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。物理學(xué)獎(jiǎng)。1913年布喇格創(chuàng)制的分光儀年布喇格創(chuàng)制的分光儀返回返回1.1.

23、卡文迪許卡文迪許（Henry Cavendish 1730-1810Henry Cavendish 1730-1810） 主要貢獻(xiàn)：主要貢獻(xiàn)：）研究了空氣的組成和水）研究了空氣的組成和水 的成份。的成份。）測(cè)得電荷間的作用力與距離的平方成反比，）測(cè)得電荷間的作用力與距離的平方成反比，提出過電勢(shì)的概念。提出過電勢(shì)的概念。）設(shè)計(jì)制作了精巧的扭秤實(shí)驗(yàn)，測(cè)定出地球）設(shè)計(jì)制作了精巧的扭秤實(shí)驗(yàn)，測(cè)定出地球的密度的密度5.481g/cm3（現(xiàn)在公認(rèn)值為（現(xiàn)在公認(rèn)值為5.517g/cm3），），從而推算出萬有引力常數(shù)從而推算出萬有引力常數(shù) G。= 6.7541011Nm2/kg2 (現(xiàn)在公認(rèn)值為現(xiàn)在公認(rèn)值為6

24、.6680.0051011Nm2/kg2)。 他的實(shí)驗(yàn)筆記在他的死后半個(gè)世紀(jì)后被他的實(shí)驗(yàn)筆記在他的死后半個(gè)世紀(jì)后被威廉威廉湯姆遜發(fā)現(xiàn)，湯姆遜發(fā)現(xiàn)，1879年由麥克斯韋整理年由麥克斯韋整理出版。出版。 卡文迪許被公認(rèn)為世界上第一流的科學(xué)卡文迪許被公認(rèn)為世界上第一流的科學(xué)家。英國(guó)科學(xué)家玻印廷盛贊他家。英國(guó)科學(xué)家玻印廷盛贊他“開創(chuàng)了測(cè)量開創(chuàng)了測(cè)量弱力的新時(shí)代。弱力的新時(shí)代?！?法國(guó)科學(xué)家比奧稱他為法國(guó)科學(xué)家比奧稱他為“在所有的學(xué)在所有的學(xué)者中是最富有的，在所有的有錢人當(dāng)中者中是最富有的，在所有的有錢人當(dāng)中他的知識(shí)是最淵博的。他的知識(shí)是最淵博的?！?.2.卡文迪許實(shí)驗(yàn)室：卡文迪許實(shí)驗(yàn)室： 由劍橋大學(xué)校

25、長(zhǎng)卡文迪許家族成由劍橋大學(xué)校長(zhǎng)卡文迪許家族成員威廉員威廉卡文迪許捐款資助，卡文迪許捐款資助，1871年開年開始創(chuàng)造，始創(chuàng)造，1874年正式建成。年正式建成。 卡文迪許實(shí)驗(yàn)室早年（卡文迪許實(shí)驗(yàn)室早年（1910年前）的學(xué)年前）的學(xué)生實(shí)驗(yàn)情況生實(shí)驗(yàn)情況 卡文迪許卡文迪許實(shí)驗(yàn)室早年用實(shí)驗(yàn)室早年用過的一些研究過的一些研究設(shè)備設(shè)備 卡文迪許實(shí)驗(yàn)室早年用過的一些卡文迪許實(shí)驗(yàn)室早年用過的一些測(cè)電儀器測(cè)電儀器1899年卡文迪許實(shí)驗(yàn)室?guī)熒嫌澳昕ㄎ牡显S實(shí)驗(yàn)室?guī)熒嫌?卡文迪許實(shí)驗(yàn)室很重視技師，這是卡文迪許實(shí)驗(yàn)室很重視技師，這是1900年六名技師的照片。年六名技師的照片。 這是卡文迪許實(shí)驗(yàn)室早年用過的這是卡文迪許實(shí)

26、驗(yàn)室早年用過的x射線射線管，對(duì)它的使用大大促進(jìn)了氣體導(dǎo)電的研究。管，對(duì)它的使用大大促進(jìn)了氣體導(dǎo)電的研究。1939年卡文迪許實(shí)驗(yàn)室安裝的回旋加速器年卡文迪許實(shí)驗(yàn)室安裝的回旋加速器這是這是1974年后卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的外景年后卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的外景 在一個(gè)多世紀(jì)的光輝歷程中，不在一個(gè)多世紀(jì)的光輝歷程中，不僅在廣泛的科學(xué)領(lǐng)域中作出了許多開僅在廣泛的科學(xué)領(lǐng)域中作出了許多開創(chuàng)性、突破性的貢獻(xiàn)，極大地推動(dòng)了創(chuàng)性、突破性的貢獻(xiàn)，極大地推動(dòng)了20世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展；還為全世界世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展；還為全世界造就了好幾代出類拔萃的科學(xué)精英，造就了好幾代出類拔萃的科學(xué)精英，在該實(shí)驗(yàn)室任職或?qū)W習(xí)過的學(xué)者中有在該實(shí)驗(yàn)室任職

27、或?qū)W習(xí)過的學(xué)者中有數(shù)十人榮獲諾貝爾獎(jiǎng)金。數(shù)十人榮獲諾貝爾獎(jiǎng)金。 卡文迪許實(shí)驗(yàn)室最初幾位主任：卡文迪許實(shí)驗(yàn)室最初幾位主任：第一任：第一任：18741874年年18791879年年 麥克斯韋，電磁學(xué)理論之集大成麥克斯韋，電磁學(xué)理論之集大成者。他致力于實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)建工作，并者。他致力于實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)建工作，并親自主持一些實(shí)驗(yàn)研究項(xiàng)目，不遺余親自主持一些實(shí)驗(yàn)研究項(xiàng)目，不遺余力地整理卡文迪許的文稿。力地整理卡文迪許的文稿。 麥克斯韋麥克斯韋（英（英1831-1879）第二任：第二任：1879187918841884 瑞利，在光學(xué)、聲學(xué)、電磁學(xué)、瑞利，在光學(xué)、聲學(xué)、電磁學(xué)、攝影學(xué)等方面作出過突出貢獻(xiàn)。攝影學(xué)等方

28、面作出過突出貢獻(xiàn)。1871年研究黑體輻射時(shí)提出著名的年研究黑體輻射時(shí)提出著名的“瑞利瑞利散射公式散射公式”。瑞利（英瑞利（英1842-1919） 瑞利與化學(xué)家拉姆賽一起，共瑞利與化學(xué)家拉姆賽一起，共同發(fā)現(xiàn)稀有氣體元素同發(fā)現(xiàn)稀有氣體元素“氬氬”，于，于1904年分獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)和化學(xué)年分獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)和化學(xué)獎(jiǎng)，成為卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的第一個(gè)獎(jiǎng)，成為卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的第一個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者。諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者。 后被推選為皇家學(xué)院院長(zhǎng)。一生后被推選為皇家學(xué)院院長(zhǎng)。一生著述很多，著述很多，57歲起從事歲起從事“科學(xué)新論科學(xué)新論”的著述，共六大卷。的著述，共六大卷。 他的名言：他的名言：“學(xué)問不能和財(cái)富學(xué)

29、問不能和財(cái)富相比，它是絕對(duì)不可以自私的。相比，它是絕對(duì)不可以自私的?！钡谌危旱谌危?884188419191919 JJ湯姆遜，蘇格蘭人，湯姆遜，蘇格蘭人，14歲進(jìn)曼歲進(jìn)曼徹斯特大學(xué)，徹斯特大學(xué)，20歲保送進(jìn)劍橋大學(xué)三歲保送進(jìn)劍橋大學(xué)三一學(xué)院，一學(xué)院，27歲被選為皇家物理學(xué)會(huì)會(huì)歲被選為皇家物理學(xué)會(huì)會(huì)員，員，28歲遴選為瑞利的接班人，成為歲遴選為瑞利的接班人，成為卡文迪許實(shí)驗(yàn)室最年輕的領(lǐng)導(dǎo)人?？ㄎ牡显S實(shí)驗(yàn)室最年輕的領(lǐng)導(dǎo)人。 1883年首創(chuàng)原子結(jié)構(gòu)理論。年首創(chuàng)原子結(jié)構(gòu)理論。 1897年通過對(duì)陰極射線的研究，測(cè)年通過對(duì)陰極射線的研究，測(cè)定了電荷的荷質(zhì)比，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)了電子。定了電荷的荷質(zhì)比，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)

30、了電子。 1903年研究氣體導(dǎo)電現(xiàn)象，寫成年研究氣體導(dǎo)電現(xiàn)象，寫成氣體電行為氣體電行為一書，被瑞利贊為卡一書，被瑞利贊為卡文迪許實(shí)驗(yàn)室有史以來最杰出的科學(xué)文迪許實(shí)驗(yàn)室有史以來最杰出的科學(xué)成就。獲成就。獲1906年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 1912年在研究某些元素的極隧射線年在研究某些元素的極隧射線時(shí)，又指出同位素的存在。與彭丁合作時(shí)，又指出同位素的存在。與彭丁合作物理大全物理大全，獨(dú)自撰寫，獨(dú)自撰寫電與磁的現(xiàn)電與磁的現(xiàn)代研究代研究（被譽(yù)為麥克斯韋第三卷）、（被譽(yù)為麥克斯韋第三卷）、電與磁數(shù)學(xué)基本原理電與磁數(shù)學(xué)基本原理。 湯姆遜任職湯姆遜任職34年，在實(shí)驗(yàn)室工作年，在實(shí)驗(yàn)室工作42年，

31、由于他的杰出工作，使卡文迪許實(shí)年，由于他的杰出工作，使卡文迪許實(shí)驗(yàn)室成為打開原子大門的前沿陣地，全驗(yàn)室成為打開原子大門的前沿陣地，全世界現(xiàn)代物理的研究中心。世界現(xiàn)代物理的研究中心。 湯姆遜首創(chuàng)研究生制度，先后造湯姆遜首創(chuàng)研究生制度，先后造就了幾百名杰出的物理學(xué)家。直接受就了幾百名杰出的物理學(xué)家。直接受教于他的諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者有：盧瑟教于他的諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者有：盧瑟福、巴克拉、阿斯頓、福、巴克拉、阿斯頓、N玻爾、威爾玻爾、威爾遜、遜、GP湯姆遜、杰維森、玻恩等人。湯姆遜、杰維森、玻恩等人。 湯姆遜很具有領(lǐng)導(dǎo)才干，使卡文湯姆遜很具有領(lǐng)導(dǎo)才干，使卡文迪許實(shí)驗(yàn)室辦得很有特色。迪許實(shí)驗(yàn)室辦得很有特色。

32、主張活躍的學(xué)術(shù)氣氛，獨(dú)創(chuàng)了主張活躍的學(xué)術(shù)氣氛，獨(dú)創(chuàng)了一種不拘形式的學(xué)術(shù)討論活動(dòng)。一種不拘形式的學(xué)術(shù)討論活動(dòng)。 主張自己動(dòng)手設(shè)計(jì)、制作儀器。主張自己動(dòng)手設(shè)計(jì)、制作儀器。雖然外表簡(jiǎn)陋粗糙，但只要能達(dá)到要雖然外表簡(jiǎn)陋粗糙，但只要能達(dá)到要求，勝任各種實(shí)驗(yàn)就是好儀器。求，勝任各種實(shí)驗(yàn)就是好儀器。第四任：第四任： 盧瑟福盧瑟福（英（英19191937） 1895年在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室當(dāng)湯姆年在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室當(dāng)湯姆遜的研究生，在那里研究了放射現(xiàn)象，遜的研究生，在那里研究了放射現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)、三種射線。三種射線。 1898年因湯姆遜的推薦到加拿大年因湯姆遜的推薦到加拿大蒙特利爾擔(dān)任馬克蒙特利爾擔(dān)任馬克居耳大學(xué)物理學(xué)居耳大學(xué)物理學(xué)教授（時(shí)年教授（時(shí)年27歲）繼續(xù)研究射線性質(zhì)。歲）繼續(xù)研究射線性質(zhì)。1904年出版年出版放射學(xué)放射學(xué)一書。一書。 1907年回曼徹斯特研究年回曼徹斯特研究粒子及粒子及其散射