現(xiàn)代自然科學(xué)進(jìn)展

1、第十章現(xiàn)代自然科學(xué)進(jìn)展 1第一節(jié) 20世紀(jì)初的物理學(xué)革命一、世紀(jì)之交物理學(xué)三大發(fā)現(xiàn)二、經(jīng)典物理學(xué)上空的“兩朵烏云”三、世紀(jì)的序幕量子誕生記四、1905創(chuàng)造奇跡的一年五、廣義相對(duì)論的建立六、量子力學(xué)理論體系的建立2一、世紀(jì)之交物理學(xué)三大發(fā)現(xiàn)X-射線：1895，（德）倫琴放射性：1896，（法）A H 貝克勒爾電子：1897，（英）J J 湯姆遜 3二、經(jīng)典物理學(xué)上空的“兩朵烏云”“以太漂移”的探索：1887，M-M黑體輻射研究中發(fā)生的“紫外災(zāi)”難題：1900，瑞利 4三、世紀(jì)的序幕量子誕生記1黑體輻射研究遭遇“紫外災(zāi)難” 基爾霍夫（Kirchhoff，18241887） 1859年，基爾霍夫定律

2、： 1860年，基爾霍夫引入了絕對(duì)黑體的概念 51896年，維恩輻射定律 。維恩由于發(fā)現(xiàn)了這一輻射定律而獲得1911年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。 式中B和是常量，為頻率。 維恩輻射定律在波長(zhǎng)較短、溫度較低時(shí)才與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符，而在長(zhǎng)波區(qū)域卻與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間有著很大的偏差。 61900年 ，瑞利金斯公式。應(yīng)用瑞利金斯公式求出來(lái)的理論值，當(dāng)頻率較低時(shí)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得比較好，但是，隨著頻率的升高，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間出現(xiàn)越來(lái)越大的偏差。當(dāng)頻率極高時(shí)，輻射能量將趨向于無(wú)窮大，即在紫色一端發(fā)散。后來(lái)，這個(gè)失敗被埃倫菲斯特稱為“紫外災(zāi)難”。 72普朗克“量子”假說(shuō)的提出1899年，普朗克依據(jù)熱力學(xué)理論推導(dǎo)出維恩輻射定律

3、。1900年10月，用“內(nèi)插法”去尋求新的輻射公式，使其在長(zhǎng)波部分漸進(jìn)于瑞利金斯公式，在短波部分漸進(jìn)于維恩公式。1900年10月19日，維恩輻射定律的改進(jìn) 這一公式與測(cè)量數(shù)據(jù)在任何情況下都令人滿意地一致。 81900年12月24日，量子論的誕生之日。 關(guān)于正常光譜的能量分布定律能量“量子化”的假設(shè)：物體在發(fā)射輻射和吸收輻射的過(guò)程中，能量不是無(wú)限可分的，而是有一個(gè)最小的單元。這個(gè)不能再分的最小的能量單元，稱為“能量子”或“量子”，它的數(shù)值的大小與其震動(dòng)頻率成正比，其關(guān)系式可寫成 普朗克輻射公式 （h 為普朗克常數(shù) ）93愛(ài)因斯坦與普朗克 對(duì)待“量子”的不同態(tài)度“能量子”假說(shuō)與經(jīng)典物理學(xué)理論是如此

4、的格格不入 普朗克雖然發(fā)現(xiàn)了能量子，卻沒(méi)能夠立刻理解能量子，他當(dāng)時(shí)認(rèn)為能量子的存在“純粹是一種形式上的假說(shuō)”，他對(duì)它“沒(méi)有想得太多”。 1905年3月，愛(ài)因斯坦發(fā)表論文關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)推測(cè)性觀點(diǎn)，提出“光量子” 假說(shuō)。普朗克總想回到經(jīng)典理論的立場(chǎng)。由于關(guān)于量子論的發(fā)現(xiàn)對(duì)物理學(xué)的發(fā)展所起的重大貢獻(xiàn)，普朗克獲得1918年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。10四、1905愛(ài)因斯坦的奇跡年 1905年，愛(ài)因斯坦寫下了五篇著名的論文： “關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)”，討論了光量子及光電效應(yīng)； “分子大小的新測(cè)定”，推導(dǎo)出計(jì)算分子擴(kuò)散速度的數(shù)學(xué)公式； “關(guān)于熱的分子運(yùn)動(dòng)論所要求的靜止液體中懸浮小粒子的運(yùn)

5、動(dòng)”，提供了分子確實(shí)存在的證明； “論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)”，給出了著名的狹義相對(duì)論理論； “物體的慣性是否決定其內(nèi)能”，根據(jù)狹義相對(duì)論提出了質(zhì)量與能量可互換的思想。111關(guān)于光量子論和 光的波粒二象性1905年3月，愛(ài)因斯坦在德國(guó)物理學(xué)紀(jì)事上發(fā)表了題為關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)的論文，提出了光量子假說(shuō)，并利用光量子概念圓滿地解釋了光電效應(yīng)。光是由一粒粒運(yùn)動(dòng)著的大量光子組成的粒子流，光的能量集中在光子上，其能量值為 E ，光的能量不僅在吸收和發(fā)射時(shí)是不連續(xù)的，在傳播過(guò)程中也是不連續(xù)的；它與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)也是以 E 為最小單位進(jìn)行吸收和發(fā)射的。 12愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)的解釋 電子若要脫離金屬表面

6、，需要具備一定的逸出功。射向金屬表面上的光，實(shí)質(zhì)上就是具有能量是E 的光粒子（光量子）流，當(dāng)它照射到金屬表面時(shí)，金屬中的電子由于吸收了光子流中的光子而使自己的能量增加，能量增加值E 。如果照射光的頻率過(guò)低，則電子所增加的能量仍然小于其脫離金屬表面所需要的逸出功，電子就不能脫離金屬表面，所以就不能產(chǎn)生光電效應(yīng)。如果照射光的頻率提高到使電子所增加的能量E 大于逸出功，則電子吸收后就會(huì)具有足夠的能量克服逸出功，從而脫離開(kāi)金屬表面。 13愛(ài)因斯坦得出的光電方程 光電子的能量 、照射光的能量和逸出功 A 三者之間的關(guān)系可以表示成 愛(ài)因斯坦1909年在維爾茲堡會(huì)議上首次提出光的波粒二象性的概念.“由于其在

7、理論物理方面的貢獻(xiàn)和發(fā)展了光電效應(yīng)定律”而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 142對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)的研究最終證實(shí)了 分子和原子的真實(shí)性1803年10月18日，英國(guó)化學(xué)家道爾頓創(chuàng)立了新原子論。 1811年，意大利物理學(xué)家阿佛伽德羅提出分子假說(shuō)。奧地利物理學(xué)家馬赫（Ernst Mach，18381932）和德國(guó)物理學(xué)家?jiàn)W斯特瓦爾德（Wilhelm Ostwald，18531932）分別從實(shí)證論和“唯能論”觀點(diǎn)出發(fā)，對(duì)原子分子理論提出了懷疑和批判。 151827年，英國(guó)植物學(xué)家布朗（R. Brown，17731858）觀察到布朗運(yùn)動(dòng)。1905年，愛(ài)因斯坦在論文中指出，懸浮粒子（布朗粒子）的運(yùn)動(dòng)是由于液體分子

8、從四面八方對(duì)它們撞擊所引起的。一方面，由于這種撞擊是不規(guī)則的，所以，來(lái)自不同方向的作用相互之間不能完全抵消；另一方面，由于懸浮粒子非常小，使其發(fā)生運(yùn)動(dòng)所需要的作用力不大。所以，周圍分子不均勻碰撞所產(chǎn)生的不平衡力的作用足以使這些懸浮粒子發(fā)生運(yùn)動(dòng)。并定量分析，推算出懸浮粒子在單位時(shí)間內(nèi)位移的平均值、溶質(zhì)分子的大小和克分子數(shù)。1908年，法國(guó)物理學(xué)家佩蘭（Jean Baptiste Perrin，18701942）通過(guò)精確的實(shí)驗(yàn)得出了與愛(ài)因斯坦理論相同的結(jié)果。 161908年，奧斯特瓦爾德轉(zhuǎn)變了對(duì)原子論的敵視態(tài)度，指出：“原子假說(shuō)由此提高了地位，成為一種基礎(chǔ)鞏固的科學(xué)理論?！?馬赫直到逝世前兩年依然

9、頑固地聲稱：“我不得不斷然否認(rèn)我是相對(duì)論者的先驅(qū)，正像我拒絕今天的原子論的信仰一樣。”普朗克：“科學(xué)的重大革新很少通過(guò)說(shuō)服他的反對(duì)者并使他們轉(zhuǎn)變立場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，索耳是難以變成保耳的，事實(shí)上倒是，反對(duì)者逐漸死去，新生的一代一開(kāi)始就熟悉新思想?！?173狹義相對(duì)論的建立 論文論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)（1905年） 兩個(gè)基本原理：愛(ài)因斯坦相對(duì)性原理 光速不變?cè)?洛侖茲變換方程組 時(shí)空觀的變革：尺縮效應(yīng)；鐘慢效應(yīng)； 質(zhì)增效應(yīng)；質(zhì)能關(guān)系式18兩個(gè)基本原理1、愛(ài)因斯坦相對(duì)性原理：物理體系的狀態(tài)據(jù)以變化的定律，同描述這些狀態(tài)變化時(shí)所參照的坐標(biāo)系究竟是兩個(gè)在互相勻速運(yùn)動(dòng)著的坐標(biāo)系中的哪一個(gè)并無(wú)關(guān)系。2、光速不變?cè)恚喝?/p>

10、何光線在“靜止的”坐標(biāo)系中都是以確定的速度C運(yùn)動(dòng)著，不管這道光線是由靜止的還是由運(yùn)動(dòng)的物體發(fā)射出來(lái)的。19洛侖茲變換方程組1-v2/C 2x= x - vty= yz= z1-v2/C 2t=t - (v/c2)xyzxoyxzov20時(shí)空觀的變革尺縮效應(yīng)鐘慢效應(yīng)質(zhì)增效應(yīng)質(zhì)能關(guān)系式1-v2/C 2L =L 01-v2/C 2T = T 01-v2/C 2m =m 0E = mc221五、廣義相對(duì)論的建立1916年，愛(ài)因斯坦建立廣義相對(duì)論驗(yàn)證：水星軌道近日點(diǎn)的反常進(jìn)動(dòng) 光在引力場(chǎng)中傳播時(shí)發(fā)生頻移 光線在引力場(chǎng)中發(fā)生偏轉(zhuǎn)相對(duì)論否定了牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀，揭示了空間與時(shí)間、空間時(shí)間與物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)、質(zhì)量與

11、能量之間存在的辯證關(guān)系。22六、量子力學(xué)理論體系的建立1900年12月4日，普朗克提出能量子基本假設(shè)（= h），量子力學(xué)誕生。1905年，愛(ài)因斯坦“光量子”1913年，玻爾原子結(jié)構(gòu)的量子論（玻爾軌道模型，玻爾量子躍遷假說(shuō)） 1923年，德布羅衣物質(zhì)波1925，海森堡，矩陣量子力學(xué)1926年，雪定額，波動(dòng)量子力學(xué)1928年，狄拉克，相對(duì)論量子力學(xué)23量子力學(xué)的發(fā)展，經(jīng)歷了一條：實(shí)驗(yàn)假說(shuō)驗(yàn)證修改（完善）假說(shuō)驗(yàn)證理論 的過(guò)程。（愛(ài)因斯坦的研究方法則與此不同，他用的是理想實(shí)驗(yàn)的方法，從假說(shuō)推出理論，再接受實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。）經(jīng)過(guò)一批科學(xué)家的努力，到20世紀(jì)20年代，量子力學(xué)體系被建立起來(lái)。量子力學(xué)標(biāo)志了對(duì)微

12、觀世界認(rèn)識(shí)的深入，揭示了連續(xù)性與間斷性、波動(dòng)性與粒子性的辯證統(tǒng)一，凸現(xiàn)了量子現(xiàn)象的整體性，打破了機(jī)械決定論的觀念。24微觀粒子的波粒二象性德布羅衣（de Broglie）1924年提出了具有靜止質(zhì)量的微觀粒子（如電子）如同光一樣也具有波粒二象性。 德布羅衣波長(zhǎng)公式： hm（波性物性）其中：h為普朗克常數(shù)（6.62510-34J/s），為波長(zhǎng)，m為質(zhì)量，為運(yùn)動(dòng)速率。德布羅衣的預(yù)言1927年被電子衍射實(shí)驗(yàn)真實(shí)。(1929年獲得諾貝爾獎(jiǎng)) 25例：根據(jù)德布羅衣波長(zhǎng)公式 hm宏觀物體子彈：m=10g，=300m/s， =210-25 nm.宏觀物體人：m=50kg，=10m/s， =1.310-27

13、nm.微觀物體電子：m=9.110-31kg， =1.0106m/s， =0.73nm， 直徑約10-6 nm.結(jié)論：宏觀物體，因其質(zhì)量和體積大，它們所顯示的波動(dòng)性極微，通常不予以考慮。 26第二節(jié) 現(xiàn)代物理學(xué)中 微觀結(jié)構(gòu)理論的迅速發(fā)展 一、關(guān)于原子核的基本結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展二、基本粒子理論的發(fā)展 1核物理實(shí)驗(yàn)手段的提高 加速器、對(duì)撞機(jī) 計(jì)數(shù)器 2基本粒子理論的發(fā)展和新粒子的發(fā)現(xiàn)27第三節(jié) 現(xiàn)代天文學(xué)進(jìn)展一、宇宙學(xué)與對(duì)宇宙演化的研究 大爆炸宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型二、關(guān)于星系的起源和演化的研究、 最有影響的是康德拉普拉斯星云說(shuō)三、關(guān)于恒星起源與演化的研究 彌漫說(shuō)28一、宇宙（總星系）的起源和演化（1）基

14、本離子形成階段（2）元素起源階段（3）實(shí)物階段（4）宇宙未來(lái)階段取決于今天觀測(cè)到的宇宙密度開(kāi)放型宇宙；振蕩型宇宙。29時(shí)代時(shí)間（秒）溫 度（K）事件普朗克時(shí)代大統(tǒng)一時(shí)代強(qiáng)子 時(shí)代輕子 時(shí)代核合成時(shí)代復(fù)合 時(shí)代10-4310-3610-610-2100102101310151016610171032102810131011101010941033006028粒子產(chǎn)生，時(shí)空量子化宇宙膨脹，正反粒子數(shù)不對(duì)稱生成質(zhì)子-反質(zhì)對(duì)湮滅中微子退出熱平衡電子-正電子對(duì)湮滅，氦原子核生成中性氫生成，熱平衡消失，宇宙進(jìn)入物質(zhì)為主時(shí)期星系和恒星形成人類進(jìn)入文明社會(huì)宇宙熱歷史30支持大爆炸宇宙論的觀測(cè)事實(shí)河外星系的譜線

15、紅移(1929,哈勃）宇宙中普遍存在著30%的氦豐度絕對(duì)溫度3度的微波背景輻射31二、星系的起源和演化 在“康德拉普拉斯星云說(shuō)”基礎(chǔ)上的進(jìn)一步發(fā)展32三、恒星的起源和演化 星際彌漫物質(zhì) 星云 原恒星 引力收縮（紅外星） 主序星 紅巨星 白矮星 超新星爆發(fā) 黑矮星 星際物質(zhì) 中子星 黑洞33第四節(jié) 現(xiàn)代地質(zhì)學(xué)進(jìn)展現(xiàn)代地殼運(yùn)動(dòng)理論三部曲大陸漂移說(shuō)：1910年，魏格納 ；海底擴(kuò)張說(shuō)：1961年，美國(guó)的赫斯和迪茲創(chuàng)立；板塊構(gòu)造說(shuō)：1968年，法國(guó)地質(zhì)學(xué)家勒皮順等人提出。 34第五節(jié) 現(xiàn)代化學(xué)進(jìn)展量子化學(xué)的建立和現(xiàn)代化學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)結(jié)構(gòu)化學(xué)與高分子化學(xué) 35第六節(jié) 現(xiàn)代生物學(xué)的進(jìn)步一、遺傳學(xué)的創(chuàng)立關(guān)于生物性狀遺傳的研究孟德?tīng)枺?866年，植