物理学史第五章.ppt
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第五章1920世纪之交物理学的新发现和物理学革命,5.1历史概述,从伦琴发现X射线的1895年开始,到1905年爱因斯坦发表三篇著名论文为止,在这10年左右世纪之交的年代里,具有重大意义的实验发现如下页表。
图51一幅描述1896年英国电力工业的图片,5.1历史概述,5.2X射线和电子的发现,5.2.1电子的发现5.2.2X射线的发现5.2.3“电磁质量”的发现,5.2X射线和电子的发现,5.2.1电子的发现德国科学家1858年就由德国物理学家普吕克尔在观察放电管中的放电现象时发现。
当时他看到正对阴极的管壁发出绿色的荧光。
1876年,另一位德国物理学家哥尔茨坦认为这是从阴极发出的某种射线,并命名为阴极射线。
他根据这一射线会引起化学作用的性质,判断它是类似于紫外线的以太波。
这一观点后来得到了赫兹等人的支持。
赫兹在1887年曾发现电磁波,就把阴极射线看成是电磁辐射,实际上和哥尔茨坦的主张是一样的。
这样就形成了以太说。
赞成以太说的大多是德国人。
图54阴极射线遇到障碍产生阴影,5.2X射线和电子的发现,英国科学家1871年,英国物理学家瓦尔利(C.F.Varley,18281883)从阴极射线在磁场中受到偏转的事实,提出这一射线是由带负电的物质微粒组成的设想。
他的主张得到本国人克鲁克斯(WilliamCrookes,18321919)和舒斯特的赞同。
图55克鲁克斯演示阴极射线聚焦,5.2X射线和电子的发现,19世纪的后30年,形成了两种对立的观点:
德国学派主张以太说,英国学派主张带电微粒说。
带电微粒说-克鲁克斯证实阴极射线不但能传递能量,还能传递动量。
他认为阴极射线是由于残余气体分子撞到阴极,因而带上了负电,又在电场中运动形成“分子流”。
5.2X射线和电子的发现,以太论者不同意这一说法,用实验加以驳斥。
哥尔茨坦做了一个很精确的光谱实验。
他用一根特制的L形放电管,电极A、B可以互换,轮流充当阴极,用光谱仪观测谱线。
如果阴极射线是分子流,它发出的光应产生多普勒效应,即光的频率应与分子流速度方向有关。
可是,不管是那一端发出阴极射线,谱线的波长都没有改变。
这就证明了分子流之说站不住脚。
以太论者认为这是对以太说的一个支持。
5.2X射线和电子的发现,带电微粒说-舒斯特则将带电微粒解释成气体分子自然分解出来的碎片,带正电的部分被阴极俘获,电极间只留下带负电的部分,因而形成阴极射线。
1890年,他根据磁偏转的半径和电极间的电位差估算带电微粒的荷质比,得到的结果在5106库仑/千克至11010库仑/千克之间,与电解所得的氢离子的荷质比108库仑/千克相比,数量级相近。
5.2X射线和电子的发现,以太论学说-赫兹和他的学生勒纳德(PhilippLenard,18621947)也做了许多实验来证明自己的以太理论。
赫兹做的真空管中电流分布的实验,“证明”阴极射线的走向与真空管中电流的分布无关。
他还在阴极射线管中加垂直于阴极射线的电场,却没有看到阴极射线受到任何偏转。
这两个实验不成功的原因是因为当时不了解低压状态下气体导电机制的复杂性。
遗憾的是,赫兹以此作为阴极射线不带电的证据,更加坚持以太说。
5.2X射线和电子的发现,赫兹做的另一实验则是成功的。
1891年,他注意到阴极射线可以象光透过透明物质那样地透过某些金属薄片。
1894年,勒纳德发表了更精细的结果。
他在阴极射线管的末端嵌上厚仅0.000265厘米的薄铝箔作为窗口,发现从铝窗口会逸出射线。
在空气中穿越约1厘米的行程。
他们认为这又是以太说的有力证据,因为只有波才能穿越实物。
图58勒纳的铝窗实验,5.2X射线和电子的发现,微粒说者-1895年法国物理学家佩兰(JeanBaptistePerrin,18701942)将圆桶电极安装在阴极射线管中,用静电计测圆桶接收到的电荷。
结果确是负电。
他支持带电微粒说,发表论文表示了自己的观点。
图59佩兰测阴极射线的电荷(其中B是阳极,C是阴极,F是法拉第圆桶),5.2X射线和电子的发现,对阴极射线的本性作出正确答案的是英国剑桥大学卡文迪什实验室教授J.J.汤姆生(JosephJohnThomson,18561940)。
他从1890年起,就带领自己的学生研究阴极射线。
克鲁克斯和舒斯特的思想对他很有影响。
他认为带电微粒说更符合实际,决心用实验进行周密考察,找出确凿证据。
为此,他进行了以下几方面的实验:
5.2X射线和电子的发现,1.直接测阴极射线携带的电荷。
图518J.J.汤姆生测阴极射线所带电荷的实验装置,5.2X射线和电子的发现,1.直接测阴极射线携带的电荷。
2.使阴极射线受静电偏转。
3.用不同方法测阴极射线的荷质比。
图519J.J.汤姆生静电偏转管,5.2X射线和电子的发现,1.直接测阴极射线携带的电荷。
2.使阴极射线受静电偏转。
3.用不同方法测阴极射线的荷质比。
4.证明电子存在的普遍性。
图520J.J.汤姆生在做实验,图521J.J.汤姆生的实验装置,5.2X射线和电子的发现,1897年4月30日,J.J.汤姆生向英国皇家研究所报告了自己的工作,随即又以论阴极射线为题发表论文,写道:
“阴极射线的载荷子比起电解的氢离子,m/e值小得多。
m/e小的原因可能是m小,也可能是e大,或两者兼而有之。
我想,阴极射线的载荷子要比普通分子小。
这可从勒纳德的结果看出。
”,5.2X射线和电子的发现,接着,J.J.汤姆生和他的学生们用几种方法直接测到了阴极射线载荷子所带的电量,证明的确跟氢离子的带电量相同。
1899年,J.J.汤姆生采用斯坦尼(G.T.Stoney,18261911)的“电子”一词来表示他的“载荷子”。
“电子”原是斯坦尼在1891年用于表示电的自然单位的。
5.2X射线和电子的发现,J.J.汤姆生进一步又研究了许多新发现的现象,以证明电子存在的普遍性。
光电效应、热电发射效应、射线J.J.汤姆生掌握了大量的实验事实,果断地作出判断:
不论是阴极射线、射线还是光电流,都是电子组成的;不论是由于强电场的电离、正离子的轰击、紫外光的照射、金属受灼热还是放射性物质的自发辐射,都发射出同样的带电粒子电子。
这种带电粒子比原子小千倍,可见,电子是原子的组成部分,是物质的更基本的单元。
5.2X射线和电子的发现,5.2.2X射线的发现1895年11月8日,他又到实验室工作,一个偶然事件吸引了他的注意,伦琴用了6个星期深入地研究这一现象。
1895年底,他以通信方式将这一发现公之于众。
由于这一射线有强大的穿透力,能够透过人体显示骨骼和薄金属中的缺陷,在医疗上和金属检测上有重大的应用价值,因此引起了人们的极大兴趣。
图510伦琴在做实验,图511伦琴用过的阴极射线管,图512第一张人手X照片,图5131896年英国的广告,5.2X射线和电子的发现,5.2.2X射线的发现伦琴在他的论文中把这一新射线称为X射线,因为他当时确实无法确定这一新射线的本质。
直到1912年,他的同胞劳厄(MaxvonLaue,18791960)才从晶体衍射的新发现判定X射线是频率极高的电磁波。
随后,莫塞莱(H.G.J.Moseley)证实它是由于原子中内层电子跃迁所发出的辐射。
5.2X射线和电子的发现,5.2.2X射线的发现伦琴过人之处1880年,那位主张以太说的哥尔茨坦在研究阴极射线时就注意到阴极射线管壁上会发出一种特殊的辐射,使管内的荧光屏发光。
当时他正在为阴极射线是以太的波动这个错误论点辩护。
5.2X射线和电子的发现,5.2.2X射线的发现伦琴过人之处1895年以前许多人都知道照相底片不要存放在阴极射线装置旁边,否则有可能变黑。
例如,英国牛津有一位物理学家叫斯密士(F.Smith),他发现保存在盒中的底片变黑了,这个盒子就搁在克鲁克斯型放电管附近,他只叫助手以后把底片放到别处保存,没有认真追究原因。
5.2X射线和电子的发现,5.2.2X射线的发现伦琴过人之处1887年,早于伦琴发现X射线8年,克鲁克斯也曾发现过类似现象。
他把变黑的底片退还厂家,认为是底片质量有问题。
1890年2月22日,美国宾夕法尼亚大学的古茨彼德(A.W.Goodspeed)也有过同样的遭遇,甚至还拍摄到了物体的X光照片,但他没有介意,随手把底片扔到废片堆里,被他遗忘了。
6年后,得知伦琴宣布发现X射线,古茨彼德才想起这件事,重新加以研究。
5.2X射线和电子的发现,5.2.2X射线的发现伦琴过人之处1894年,J.J.汤姆生在测阴极射线的速度时,也作了观察到X射线的记录。
他当时没有功夫专门研究这一现象,只在论文中提了一笔,说看到了放电管几英尺远处的玻璃管上也发出荧光。
勒纳德是研究阴极射线的权威学者之一。
他在研究不同物质对阴极射线的吸收时,肯定也遇到了X射线。
他后来在1906年获诺贝尔物理奖的演说词中说1:
“我曾做过好几次观测。
当时解释不了,准备留待以后研究。
不幸没有及时开始。
”,5.2X射线和电子的发现,5.2.2X射线的发现伦琴过人之处1894年,J.J.汤姆生在测阴极射线的速度时,也作了观察到X射线的记录。
他当时没有功夫专门研究这一现象,只在论文中提了一笔,说看到了放电管几英尺远处的玻璃管上也发出荧光。
勒纳德是研究阴极射线的权威学者之一。
他在研究不同物质对阴极射线的吸收时,肯定也遇到了X射线。
他后来在1906年获诺贝尔物理奖的演说词中说1:
“我曾做过好几次观测。
当时解释不了,准备留待以后研究。
不幸没有及时开始。
”,5.2X射线和电子的发现,5.2.3“电磁质量”的发现1878年罗兰用实验演示了运动电荷产生磁场的事实,促使人们开始研究运动带电体的问题。
1881年,J.J.汤姆生首先提出,带电体应具有更大的质量。
后来,人们用“电磁质量”来代表这一部分增加的质量。
1889年,亥维赛(OliverHeaviside)推导出当运动带电体的速度接近光速c时,物体能量可达无穷大。
5.2X射线和电子的发现,1901年考夫曼(WaltherKaufmann,18711947)用射线做实验,证实电子的质荷比确随速度的增大而增大。
第一次观测到了电磁质量。
1903年,阿伯拉罕(M.Abraham)用经典电磁理论系统地研究了电磁质量问题,导出了电磁质量随速度变化的关系:
1904年,洛仑兹把收缩假设(见下节)用于电子,推出如下关系:
5.3“以太漂移”的探索,5.3.1光行差的观测“以太漂移”问题是从光行差的观测开始提出的。
17251728年,英国天文学家布拉德雷(JamesBradley,16931762)对恒星的方位作了一系列的精确测量。
5.3“以太漂移”的探索,5.3.2阿拉果的望远镜实验阿拉果(D.F.J.Arago,17861853)是法国著名物理学家。
由于他曾从事过大气折射的光学研究,引起了对光速的兴趣。
他从牛顿力学速度叠加原理出发,认为如果发光体和观测者的运动速度不同,光速应有差别,布拉德雷的观测精度有限,没有显出有这种差别。
5.3“以太漂移”的探索,5.3.3以太观念的兴起以太观念的提出可以追溯到古希腊时代。
亚里士多德认为天体间一定充满有某种媒质。
笛卡儿1644年发表的哲学原理中就引用了以太的观念。
他认为“虚空”是不可能存在的,整个宇宙充满着一种特殊的易动物体以太。
由于太阳周围以太出现旋涡,才造成行星围绕太阳的运动。
5.3“以太漂移”的探索,1678年惠更斯把光振动类比于声振动,看成是以太中的弹性脉冲。
但是后来由于光的微粒说占了上风,以太理论受到压抑。
牛顿就认为不需要以太。
他主张超距作用,倾向于微粒说。
5.3“以太漂移”的探索,1800年以后,由于波动说成功
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- 物理学 第五