4第四讲

2007－2008第一学期
X射线的发现－ 威尔姆· 康拉德· 伦琴
19世纪末，阴极射线是物理学研究课题， 许多物理实验室都开展了这方面的研究。 1894年11月8日，德国物理学家伦琴将阴极 射线管放在一个黑纸袋中，关闭了实验室灯源，他发现当 开启放电线圈电源时，一块涂有氰亚铂酸钡的荧光屏发 出荧光。用一本厚书，2－3厘米厚的木板或几厘米厚的 硬橡胶插在放电管和荧光屏之间，仍能看到荧光。他又 用盛有水、二硫化碳或其他液体进行实验，实验结果表 明它们也是“透明的”，铜、银、金、铂、铝等金属也 能让这种射线透过，只要它们不太厚。伦琴意识到这可 能是某种特殊的从来没有观察到的射线，它具有特别强 的穿透力。他一连许多天将自己关在实验室里，集中全 部精力进行彻底研究。6个星期后，伦琴确认这的确是一 种新的射线。
2007－2008第一学期
经过仔细的研究，居里夫人不得不承认，用这些沥青铀矿 中铀和钍的含量，绝不能解释她观察到的放射性的强度。 这种反常的而且过强的放射性是哪里来的？只能有一种 解释：这些沥青矿物中含有一种少量的比铀和钍的放射 性作用强得多的新元素。居里夫人在以前所做的试验中， 已经检查过当时所有已知的元素了。居里夫人断定，这 是一种人类还不知道的新元素，她要找到它！ 居里夫人的发现吸引了皮埃尔的注意，居里夫妇一起向 未知元素进军。在潮湿的工作室里，经过居里夫妇的合 力攻关，1898年7月，他们宣布发现了这种新元素，它 比纯铀放射性要强400倍。为了纪念居里夫人的祖国—— 波兰，新元素被命名为钋（波兰的意思）。
卢瑟福是本世纪最伟大的实验物理学家之一，在放射性和原子结构等方面，都 做出了重大的贡献。 1、他关于放射性的研究确立了放射性是发自原子内部的变化。放射性能使 一种原子改变成另一种原子，而这是一般物理和化学变化所达不到的；这一 发现打破了元素不会变化的传统观念，使人们对物质结构的研究进入到原子 内部这一新的层次，为开辟一个新的科学领域——原子物理学，做了开创性 的工作。
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1895年12月22日，伦琴和他夫人拍下了第一张X射线照片。 1895年12月28日，伦琴向德国维尔兹堡物理和医学学会 递交了第一篇研究通讯《一种新射线———初步研究》。 伦琴在他的通讯中把这一新射线称为X射线，因为他当时 无法确定这一新射线的本质。自伦琴发现X射线后，许多 物理学家都在积极地研究和探索，1905年和1909年，巴 克拉曾先后发现X射线的偏振现象，但对X射线究竟是一 种电磁波还是微粒辐射，仍不清楚。1912年德国物理学 家劳厄发现了X射线通过晶体时产生衍射现象，证明了X 射线的波动性和晶体内部结构的周期性，发表了《X射线 的干涉现象》一文。
200· 亨利· 贝克勒尔 贝克勒尔自1895年起一直研究由硫化物和铀的 化合物产生的磷光现象。那年年底，伦琴发现 了X射线。由于X射线来自阴极射线管的玻璃管壁的发荧光 部分，因此，一些科学家产生了这样一种想法：荧光和 磷光可能是X射线的来源。贝克勒尔想知道由硫酸氢铀等 组成的一种磷光物质发射的磷光是否含有X射线。他把这 种磷光物质放在一张由黑纸包好的照相底板上，再让它 们受太阳光照射。他设想，由于太阳光不能穿透黑纸， 因此，太阳光本身不会使照相底片感光。但是，太阳光 中的紫外线会激发磷光物质产生磷光辐射，如果磷光产 生X射线的话，那么，这种X射线就能使黑纸包里的照相 底片感光。结果，照相底板确实感光了。这似乎证明他 的设想是对的，因为当时人们知道，只有X射线具有穿透 黑纸能使照相底板感光的能力。
2007－2008第一学期
汤姆生发现电子，是物理学史上的重要事件．由于 电子的发现，人们认识到原子不是组成物质的最 小微粒，原子本身也具有结构．此后，围绕着原 子结构的问题，原子物理以飞跃的速度发展，人 们对物质结构的认识进入了一个新时代． 1906年，汤姆生由于在气体导电方面的理论和实 验研究而荣获诺贝尔物理学奖．
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三种射线：α、β和γ。 用它们 在垂直于运动方向的磁场 中的轨迹可区分之。α射线 (氦核) 带正电；β射线(电 子)，轻很多， 带负电；γ 射线类似于X射线，是 电磁 辐射量子(光子)，由于γ是 电中性的，它们在磁场中不 会偏 转。卢瑟福是这些辐 射术语的命 名者
2007－2008第一学期
2007－2008第一学期
伦琴射线是人类发现的第一种所谓“穿透性射线”， 它能穿透普通光线所不能穿透的某些材料。在初 次发现时，伦琴就用这种射线拍摄了他夫人的手 的照片，显示出手骨的结构。这种发现实现了某 些神话中的幻想（中国也有“秦王照胆镜”的传 说），因而在社会上立即引起很大的轰动，为伦 琴带来了十分巨大的荣誉。 1901年诺贝尔奖第一次颁发，伦琴就由于这一发 现而获得了这一年的诺贝尔奖物理学奖。
2、他通过α粒子为物质所散射的研究，无可辩驳的论证了原子的核模型，因 而一举把原子结构的研究引上了正确的轨道，于是他被誉为原子物理学之父。 由于电子轨道也就是原子结构的稳定性和经典电动力学的矛盾，才导致玻尔 提出背离经典物理学的革命性的量子假设，成为量子力学的先驱。 3、人工核反应的实现是卢瑟福的另一项重大贡献。自从元素的放射性衰变 被确证以后，人们一直试图用各种手段，如用电弧放电，来实现元素的人工 衰变，而只有卢瑟福找到了实现这种衰变的正确途径。这种用粒子或γ射线 轰击原子核来引起核反应的方法，很快就成为人们研究原子核和应用核技术 的重要手段。在卢瑟福的晚年，他已能在实验室中用人工加速的粒子来引起 核反应。
第四讲 现代自然科学史
2007－2008学年第一学期
十九世纪末以来，出现了以原于能、电子信息、航天技术 为代表的一系列高新技术，形成了第三次科技革命。就 其规模、深度和影响来说，这次科技革命远远超过前两 次工业革命，它极人地推动了社会生产力的发展，改变 了整个世界的面貌，对人类的生活习惯和思维方式产生 了重大影响。
2007－2008第一学期
居里夫人受过严格的高等化学教育，她在研究铀盐矿石时 想到，没有什么理由可以证明铀是惟一能发射射线的化 学元素。她根据门捷列夫的元素周期律排列的元素，逐 一进行测定，结果很快发现另外一种钍元素的化合物， 也能自动发出射线，与铀射线相似，强度也相像。居里 夫人认识到，这种现象绝不只是铀的特性，必须给它起 一个新名称。居里夫人提议叫它“放射性”，铀、钍等 有这种特殊“放射”功能的物质，叫作“放射性元素”。 一天，居里夫人想到，矿物是否有放射性？在皮埃尔的 帮助下，她连续几天测定能够收集到的所有矿物。她发 现一种沥青铀矿的放射性强度比预计的强度大得多。
2007－2008第一学期
物理学的三大发现 相对论的建立和发展
原子核物理学与粒子物理学的发展
二十世纪的化学 二十世纪的生物学 二十世纪的天文学与地质学 电子计算机的发展
系统论、控制论和信息论的兴起
2007－2008第一学期
物理学的三大发现
1.电子的发现. (1)斯托内及其"电的原子说". (2)阴极射线的发现,电子的发现. 2.X射线的发现
2007－2008第一学期
汤姆生测得的阴极射线粒子的荷质比，大约是当时已知的 氢离子的荷质比的二千倍．汤姆生认为，这可能是由于 阴极射线粒子的电荷e很大，或者是它的质量m很小．后 来汤姆生测量了氢离子和阴极射线粒子的电荷，虽然测 量不很准确，但是足以证明阴极射线粒子的电荷与氢离 子的电荷大小基本上是相同的．由此得出结论，阴极射 线粒子的质量比氢离子的质量小得多．后来人们逐渐把 这种粒子叫做电子．汤姆生对证实电子的存在有很大的 功劳，因而公认他是电子的发现者．以后，美国科学家 密立根又精确地测定了电子的电量，这样由电子的荷质 比和电量就可以算出电子的质量． 氢原子是当时已知的质量最小的原子，由电子的质量比氢 离子的质量小得多，汤姆生认为，电子可能是组成原子 的基本部分．
2007－2008第一学期
居里夫人注意到法国物理学家贝克勒尔的研究工作。自从 伦琴发现X射线之后，贝克勒尔在检查一种稀有矿物质 “铀盐”时，又发现了一种“铀射线”，朋友们都叫它 贝克勒尔射线。 贝克勒尔发现的射线，引起了居里夫人极大兴趣，射线 放射出来的力量是从哪里来的？居里夫人看到当时欧洲 所有的实验室还没有人对铀射线进行过深刻研究，于是 决心闯进这个领域。 理化学校校长经过皮埃尔多次请求，才允许居里夫人使 用一间潮湿的小屋作理化实验。在摄氏6度的室温里，她 完全投入到铀盐的研究中去了。
2007－2008第一学期
居里夫妇的实验室条件极差，夏天，里面被太阳晒得像一 个烤箱；冬天人都快冻僵了。居里夫妇克服了人们难以 想像的困难，为了提炼镭，他们辛勤地奋斗着。居里夫 人立即投入提取实验，她每次把20多公斤的废矿渣放入 冶炼锅熔化，连续几小时不停地用一根粗大的铁棍搅动 沸腾的材料，而后从中提取仅含百万分之一的微量物质。 他们从1898年一直工作到1902年，经过几万次的提炼，处 理了几十吨矿石残渣，终于得到0.l克的镭盐，测定出了 它的原子量是225。镭宣告诞生了！ 居里夫妇证实了镭元素的存在，使全世界都开始关注放 射性现象。镭的发现在科学界爆发了一次真正的革命。 1903年，居里夫妇和贝克勒尔共同荣获诺贝尔物理学奖。
2007－2008第一学期
1898年12月，居里夫妇又根据实验事实宣布，他们又发现了第二种放 射性元素，这种新元素的放射性比钋还强。他们把这种新元素命名 为“镭”。可是，当时谁也不能确认他们的发现，因为按化学界的 传统，一个科学家在宣布他发现新元素的时候，必须拿到实物，并 精确地测定出它的原子量。而居里夫人的报告中却没有针和镭的原 子量，手头也没有镭的样品。 居里夫妇决定拿出实物来证明。当时，藏有钋和镭的沥青铀矿，是 一种很昂贵的矿物，主要产在波希米亚的圣约阿希母斯塔尔矿，人 们炼制这种矿物，从中提取制造彩色玻璃用的铀盐。对于生活十分 清贫的居里夫妇来说，哪有钱来支付这件工作所必需的费用呢？他 们的智慧补足了财力，他们预料，提出铀之后，矿物里所含的新放 射性元素一定还存在，那么一定能从提炼铀盐后的矿物残渣中找到 它们。经过无数次的周折，奥地利政府决定馈赠一吨废矿渣给居里 夫妇，并答应若他们将来还需要大量的矿渣，可以在最优惠的条件 下供应。