第四章量子优秀PPT.ppt
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1、第四章量子第一页,本课件共有72页2022/12/51物理学作为一门科学,它的形成和发展经物理学作为一门科学,它的形成和发展经历了近四、五百年的历史,到历了近四、五百年的历史,到19世纪末,经典世纪末,经典物理学理论体系的大厦巍然耸立,使人们普遍产物理学理论体系的大厦巍然耸立,使人们普遍产生了一种生了一种错觉错觉,认为,认为物理学的发展已经完成物理学的发展已经完成,人们对物理世界的解释已经达到了终点,宇人们对物理世界的解释已经达到了终点,宇宙万物必然按照由精美的数学方程所表达的宙万物必然按照由精美的数学方程所表达的物理学定律永远运动下去。物理学定律永远运动下去。著著名名德德国国物物理理学学家家
2、基基尔尔霍霍夫夫曾曾表表示示:“物物理理学学将将无无所所作作为为了了,至至多多只只能能在在已已知知规规律律的的公式的小数点后面加几个数字罢了公式的小数点后面加几个数字罢了。”第二页,本课件共有72页2022/12/52在在刚刚刚刚跨跨入入20世世纪纪的的第第一一天天,英英国国著著名名的的物理学家开尔文在物理学家开尔文在元旦献词元旦献词中曾经说过:中曾经说过:“在在已已经经建建成成的的大大厦厦中中,后后辈辈物物理理学学家家只只能能做做一一些些零零碎碎的的修修补补工工作作。”与与众众不不同同的的是是他他又又敏敏锐锐地地发发现现,在在物物理理学学晴晴朗朗的的天天空空里里,还还有有两两朵朵小小小小的的
3、令令人人不不安安的的乌乌云云,这这两两朵朵乌乌云云指指的的是是当当时时物物理理学学无无法法解解释释的的两两个个实实验验,一一个个是是热热辐辐射射实实验验另另一一个个是是迈迈克尔逊克尔逊莫雷实验。莫雷实验。X射射线线、放放射射性性和和电电子子的的三三个个发发现现,揭揭开开了了近近代代物物理理的的序序幕幕。当当物物理理学学进进入入20世世纪纪,就就诞诞生生了了量量子论和相对论,开创了近代物理学。子论和相对论,开创了近代物理学。第三页,本课件共有72页2022/12/53自古到今,人们就在不断地思索,世自古到今,人们就在不断地思索,世界万物由什么构成的?它有最小结构吗界万物由什么构成的?它有最小结构
4、吗w哲哲学学家家亚亚里里士士多多德德等等人人则则认认为为物物质质是是连连续续的的,世世界界万万物物由由土土、空空气气、水水、火火这这四四种种元元素素组组成成的的,而而天天则则是是第第五五种种元元素素“以以太太”所组成的所组成的w古古希希腊腊哲哲学学家家德德谟谟克克利利特特等等人人认认为为,物物质质是是不不连连续续的的,分分到到最最后后将将由由一一些些不不可可再再分分的的东东西西所所组组成成,他他把把这这种种物物质质的的基基元元命命名名为为“atoms(“原原子子”)”,古古希希腊腊文文的的意意思思是是“不不可可再分的东西再分的东西”。第四页,本课件共有72页2022/12/54英英国国科科学学
5、家家道道尔尔顿顿是是科科学学原原子子论论的的创创始始人人,1807年年他他依依据据一一系系列列实实验验,提提出出“气气体体、液液体体和和固固体体都都是是由由该该物物质质的的不不可可分分割割的的原原子子组组成成的的”,“同同种种元元素素的的原原子子,其其大大小小、质质量量及及各各种种性性质质都都相相同同”,此此后后,大大量量实实验验事事实实证证明明了了原原子子论论的的正确性正确性。1895年年德国物理学家伦琴发现德国物理学家伦琴发现X射线射线,1896年年,法国物理学家贝克勒尔发现,法国物理学家贝克勒尔发现放射性放射性,1897年年英国物理学家汤姆逊,发现了英国物理学家汤姆逊,发现了电子电子,这
6、三大发现揭开了原子存在内部结构,这三大发现揭开了原子存在内部结构,三三大发现揭开了研究微观世界的序幕。大发现揭开了研究微观世界的序幕。第五页,本课件共有72页2022/12/55第一节第一节 打开微观世界研究大门的三大发现打开微观世界研究大门的三大发现 一、一、X X 射线的发现射线的发现1 1、阴极射线的发现及其本性的争论、阴极射线的发现及其本性的争论 18581858年年,德国的盖斯勒制成了,德国的盖斯勒制成了低压气体放电管低压气体放电管。18591859年,年,德国的普德国的普吕克克尔利用盖斯勒管利用盖斯勒管进行放行放电实验,他注意到,从他注意到,从铂阴极发出的粒子飞向玻璃管,粒子流打在
7、管壁上发出萤光,萤光斑铂阴极发出的粒子飞向玻璃管,粒子流打在管壁上发出萤光,萤光斑能够能够被磁力偏转被磁力偏转。18761876年,年,德国的戈德国的戈尔兹坦提出,玻璃壁上的坦提出,玻璃壁上的辉光是由阴极光是由阴极产生的某种射生的某种射线所引起的,他把所引起的,他把这种射种射线命名命名为阴极射阴极射线。并且并且认为阴极射阴极射线应该是一种是一种类似于紫外似于紫外线的以太的以太波波。该思想得到了以赫兹为首的本国科学该思想得到了以赫兹为首的本国科学家的赞成,形成了家的赞成,形成了德国学派德国学派。18711871年英国科学家瓦年英国科学家瓦尔利从阴极射利从阴极射线在磁在磁场中受到偏中受到偏转与与带
8、电粒子很相粒子很相近的事近的事实,提出,提出这一射一射线是由是由带负电粒子粒子所所组成成。该思想得到本国。该思想得到本国克克鲁克斯、克斯、J.J.J.J.汤姆生等人的姆生等人的赞同,形成了同,形成了英国学派英国学派。第六页,本课件共有72页2022/12/562 2、X X射线的发现射线的发现 德德国国维维尔尔茨茨堡堡大大学学校校长长、物物理理学学家家伦伦琴琴于于1895年年11月月8日日,在在做做放放电电管管实实验验时时,为为了了避避免免可可见见光光的的影影响响,他他用用黑黑纸纸将将放放电电管管包包起起来来,而而且且在在暗暗室室中中进进行行实实验验,他他意意外外地地 发发现现在在离离管管一一
9、米米以以外外的的涂涂有有荧荧光光物物质质的的屏屏上上闪闪耀耀着着微微弱弱的的青绿色的荧光。青绿色的荧光。第七页,本课件共有72页2022/12/5712月月22日日,伦琴,伦琴的夫人来到实验室,的夫人来到实验室,伦琴让夫人把左手放伦琴让夫人把左手放在用黑纸包着的照相在用黑纸包着的照相底片上,然后用底片上,然后用X射射线照射,为她拍摄了线照射,为她拍摄了一张带着戒子的左手一张带着戒子的左手手指骨骼照片,这是手指骨骼照片,这是历史上第一张历史上第一张X光照片光照片。伦琴夫人手的伦琴夫人手的伦琴夫人手的伦琴夫人手的X X片片片片第八页,本课件共有72页2022/12/581895年年12月月28日日
10、伦伦琴琴写写出出了了一一篇篇论论文文论论一一种种新新的的射射线线,文文章章详详细细总总结结了了新新射射线线的性质:的性质:w新新射射线线来来自自于于被被阴阴极极射射线线击击中中的的固固体体,固固体体元素越重,产生出来的新射线越强;元素越重,产生出来的新射线越强;w新新射射线线是是直直线线传传播播的的,不不被被棱棱镜镜反反射射和和折折射射,也也不被磁场偏转;不被磁场偏转;w新射线对所有物体几乎都是透明的;新射线对所有物体几乎都是透明的;新新射射线线可可使使荧荧光光物物质质发发光光,使使照照相相底底片片感感光光,当当把把手手放放在在放放电电管管和和荧荧光光屏屏之之间间时时,由由于于肌肌肉肉对对新新
11、射射线线的的吸吸收收比比骨骨质质弱弱得得多多,屏屏上上便便可可看到手指的骨骼。看到手指的骨骼。第九页,本课件共有72页2022/12/59X 射射线线这这个个名名称称也也是是伦伦琴琴最最先先采采用用的的,他他在在给给孔孔特特的的信信中中说说:“我我终终于于发发现现了了一一种种光光,我我不不知知道道是是什什么么光光,无无以以名名之之,就就把把它它叫叫做做 X 光光吧吧”,后后人人为为了了纪纪念念他他,又又把把它它称称为为“伦琴射线伦琴射线”。伦琴的发现震惊了整个科学界,许多伦琴的发现震惊了整个科学界,许多物理学家转向研究物理学家转向研究 X 射线,反应之迅速和强射线,反应之迅速和强烈是物理学史上
12、罕见的,仅烈是物理学史上罕见的,仅1896年一年内,关年一年内,关于于X射线研究的论文达射线研究的论文达1000多篇。多篇。第十页,本课件共有72页2022/12/510在在X射线发现射线发现3个月后个月后,维也纳医院中首次利用,维也纳医院中首次利用X射线对人体进行拍片射线对人体进行拍片;半年后半年后,英国出版了第一本研究,英国出版了第一本研究X射线的专业射线的专业杂志杂志射线临床摄影资料射线临床摄影资料;此后此后,J.J.汤姆逊和卢瑟福证实汤姆逊和卢瑟福证实X射线能使气射线能使气体电离;体电离;1912年年德国物理学家德国物理学家劳厄劳厄用晶体作光栅,得到用晶体作光栅,得到 X 射线衍射图,
13、证明射线衍射图,证明 X 射线是一种波长很短(约射线是一种波长很短(约在在10102 之间)的电磁波,同时证明了之间)的电磁波,同时证明了晶体具有空间点阵,劳厄因此获得了晶体具有空间点阵,劳厄因此获得了1914 年年度诺贝尔物理奖。度诺贝尔物理奖。第十一页,本课件共有72页2022/12/511X射线的发现使人们认识的射线的发现使人们认识的“电磁波谱电磁波谱”朝着短波方向拓广了一大段;朝着短波方向拓广了一大段;w1906年年,英国物理学家,英国物理学家巴克拉巴克拉发现每种金属发现每种金属都有自己的都有自己的“特征特征X射线射线”,用它可以,用它可以确定元确定元素在周期表上的排位素在周期表上的排
14、位,巴拉克因此而获得了,巴拉克因此而获得了1917年的诺贝尔物理学奖;年的诺贝尔物理学奖;w1915年年诺贝尔物理学奖授予英国物理学家诺贝尔物理学奖授予英国物理学家布拉布拉格格父子,表彰他们在劳厄工作的基础上,提出父子,表彰他们在劳厄工作的基础上,提出了了布拉格公式布拉格公式,可以用它,可以用它精确测定晶体的原子精确测定晶体的原子结构结构;第十二页,本课件共有72页2022/12/5121913年年,英国年轻的物理学家,英国年轻的物理学家莫斯莱莫斯莱发现一个发现一个重要的规律:重要的规律:各种元素的波长非常有规律地随各种元素的波长非常有规律地随着它们在周期表中的排列顺序而递减,利用此着它们在周
15、期表中的排列顺序而递减,利用此规律可以准确地确定各元素的原子序数规律可以准确地确定各元素的原子序数,并且,并且发现它们恰好与核电荷数相等,他的发现对认识发现它们恰好与核电荷数相等,他的发现对认识原子内部结构有很大的意义;原子内部结构有很大的意义;瑞典物理学家瑞典物理学家西格本西格本进一步发现了一系列新的进一步发现了一系列新的X射线,并精确测定了各种元素的射线谱,射线,并精确测定了各种元素的射线谱,建立了建立了射线光谱学射线光谱学,西格本的工作对于揭开原,西格本的工作对于揭开原子内电子壳层结构状况有重要的作用,他因此而子内电子壳层结构状况有重要的作用,他因此而荣获了荣获了1924年度的诺贝尔物理
16、学奖。年度的诺贝尔物理学奖。第十三页,本课件共有72页2022/12/5133、X射线分析法的应用:射线分析法的应用:w19531959年年,小小布布拉拉格格的的两两位位助助手手佩佩鲁鲁茨茨和和肯肯德德罗罗,用用改改进进了了的的X射射线线分分析析法法测测定定了了肌肌红红蛋蛋白白及及血血红红蛋蛋白白的的分分子子结结构构,为为此此获获得得1962年的诺贝尔化学奖。年的诺贝尔化学奖。w1962年年诺诺贝贝尔尔生生理理学学奖奖及及医医学学奖奖授授予予英英国国生生物物物物理理学学家家克克里里克克、威威尔尔金金森森、美美国国生生物物学学家家沃沃森森,表表彰彰他他们们发发现现DNA的的双双螺螺旋旋结结构构,
17、这这是是20世世纪纪生生物物学学的的最最伟伟大大成成就就,他他们们依依靠靠的的也也是是X射线分析法。射线分析法。第十四页,本课件共有72页2022/12/514因因使使用用X射射线线分分析析法法研研究究蛋蛋白白质质、核核糖糖核核酸酸、青青霉霉素素、维维生生素素等等生生物物大大分分子子、有有机机高高分分子子结结构构而而获获诺诺贝贝尔尔化化学学、生生理理医医学学奖奖的的科科学学家家多多达达数数10位。位。X射射线线也也用用于于军军事事。“星星球球大大战战”中中核核心心武武器器是是高高能能X射射线线激激光光器器,将将它它装装在在军军事事卫卫星星上上能能远远距离摧毁对方的洲际导弹。距离摧毁对方的洲际导
18、弹。20世世纪纪60年年代代,美美国国物物理理学学家家科科马马克克和和英英国国电电气气工工程程师师洪洪斯斯菲菲尔尔德德提提出出用用计计算算机机控控制制X射射线线断断层层扫扫描描原原理理,并并发发明明X射射线线断断层层扫扫描描仪仪,使使医医生生能能看看到到人人体体内内脏脏器器官官横横断断面面图图象象,从从而而准准确确诊诊断断病病症症,他他们们两两人人共共享享了了1979年年诺诺贝贝尔尔生物学及医学奖。生物学及医学奖。第十五页,本课件共有72页2022/12/515值值得得一一提提的的是是在在伦伦琴琴发发现现X射射线线之之前前,人人们们已已在在实实验验室室操操作作阴阴极极射射线线管管达达30多多年
19、年之之久久,也也有有一一些些人人如如克克鲁鲁克克斯斯、勒勒纳纳德德都都曾曾碰碰到到过过阴阴极极射射线线管管附附近近的的照照片片底底片片感感光光或或物物体体发发出出荧荧光光的的现现象象,但但是是,他他们们都都没没有有仔仔细细审审查查这这个个奇奇怪怪的的现现象象而而失失去去了了“机机遇遇”,正正如如恩恩格格斯斯所所描描述述的的:“当当真真理理碰碰到到鼻鼻子子尖尖上上的的时时候候还还是是没没有有得得到到真真理理”,在在科科学学发发展展史史上上这这类类事事实实是是屡屡见见不不鲜鲜的的。但但是是伦伦琴琴1869年年苏苏黎黎世世大大学学获获博博士士学学位位,他他治治学学严严谨谨,一一贯贯重重视视基基本本实
20、实验验,从从不不放放过过任任何何一一个个可可疑疑现现象象,发发现现苗苗子子反反复复试试验验,终终于于发发现现了了X射射线线。伦伦琴琴荣荣获获1901年年诺诺贝贝尔尔物物理理奖奖,成成为为诺诺贝贝尔尔物物理理奖奖的的第第一一个个获获奖奖者者,他是当之无愧的。,他是当之无愧的。第十六页,本课件共有72页2022/12/516第一张诺贝尔物理奖第一张诺贝尔物理奖(1901年伦琴年伦琴)第十七页,本课件共有72页2022/12/517二、放射性的发现二、放射性的发现1、贝克勒尔的惊人发现贝克勒尔的惊人发现在在X射射线线发发现现不不久久,贝贝克克勒勒尔尔对对一一种种称称为为硫硫酸酸双双氧氧铀铀钾钾的的荧
21、荧光光物物质质进进行行了了研研究究,他他把把这这种种铀铀化化合合物物放放在在用用黑黑纸纸包包起起来来的的照照相相底底片片上上,然然后后放放在在太太阳阳光光下下曝曝晒晒几几小小时时,把把底底片片取取出出来来进进行行冲冲洗洗,他他发发现现了了“荧荧光光物物质质在在底底片片上上的的黑黑色色轮轮廓廓”,他又在荧,他又在荧光物质和纸之间放一块玻璃,继续光物质和纸之间放一块玻璃,继续进行试验,也得到了同样的结果。进行试验,也得到了同样的结果。这就是最早发现的放射性现象,这就是最早发现的放射性现象,铀是贝克勒尔发现的第一个放射性铀是贝克勒尔发现的第一个放射性元素元素。第十八页,本课件共有72页2022/12
22、/518法国科学泰斗法国科学泰斗彭加勒彭加勒在阅读伦琴发现在阅读伦琴发现X射线的射线的实验报告后,脑子里浮现出一种想法:实验报告后,脑子里浮现出一种想法:既然既然X射射线发生在荧光现象特别强烈的地方,那么,一线发生在荧光现象特别强烈的地方,那么,一切强烈的荧光物质都可能发射切强烈的荧光物质都可能发射X 射线射线。贝克勒尔贝克勒尔是在这种情况下去做实验的,但是在这种情况下去做实验的,但是,他是,他不迷信权威不迷信权威,通过实验他发现彭加勒关,通过实验他发现彭加勒关于荧光物质产生于荧光物质产生X射线的理论是错误的。射线的理论是错误的。自然现象纷纭复杂,假象和真象交织,现自然现象纷纭复杂,假象和真象
23、交织,现象合本质对立,原因合结果互变,要探索它的象合本质对立,原因合结果互变,要探索它的规律,怎能一点也不犯错误?贝克勒尔的初衷规律,怎能一点也不犯错误?贝克勒尔的初衷也是证实彭加勒的设想,后来却否定了它。因也是证实彭加勒的设想,后来却否定了它。因此,此,从错误的理论出发,通过实验,揭示错误,从错误的理论出发,通过实验,揭示错误,走向真理也是科学研究的一种正常模式走向真理也是科学研究的一种正常模式。第十九页,本课件共有72页2022/12/5192、贝克勒尔的贝克勒尔的“先验观念先验观念”和居里夫人的新的突破和居里夫人的新的突破 放射性发现公布后不久,放射性发现公布后不久,玛丽玛丽 居里居里很
24、快投入了这一新的研究很快投入了这一新的研究领域,她发现沥青铀矿中的放射性比已测得的铀的放射性强得多。领域,她发现沥青铀矿中的放射性比已测得的铀的放射性强得多。她大胆假定沥青铀矿中存在一种比铀放射性强得多的未知元素。她大胆假定沥青铀矿中存在一种比铀放射性强得多的未知元素。为了寻找这个未知元素,她的丈夫皮埃尔为了寻找这个未知元素,她的丈夫皮埃尔 居里通过繁重的劳动,居里通过繁重的劳动,从大量的沥青矿渣中去提取那个未知元素,最后从大量的沥青矿渣中去提取那个未知元素,最后发现了两种新发现了两种新的放射性元素,一种取名为的放射性元素,一种取名为“钋钋”(Polorium),),以纪念自己的以纪念自己的祖
25、国祖国波兰,另一种取名为波兰,另一种取名为“镭镭”。第二十页,本课件共有72页2022/12/520居里夫妇居里夫妇继续奋斗了近四年,在简陋的工继续奋斗了近四年,在简陋的工棚里,在原始的条件下,历尽千辛万苦,终棚里,在原始的条件下,历尽千辛万苦,终于于在在1902年年3月,月,从数以吨计的沥青铀矿残渣从数以吨计的沥青铀矿残渣中提炼出中提炼出0.12克氯化镭,克氯化镭,并测得了镭的原子量并测得了镭的原子量为为225(现公认为(现公认为226),其放射性比铀强),其放射性比铀强200万倍。万倍。1903年,居里夫妇和贝克勒尔共享了诺年,居里夫妇和贝克勒尔共享了诺贝尔物理奖贝尔物理奖。1910年完成
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