§9.5 近代物理部分

一、迈克尔逊-英雷实验

19 世纪，光的波动说取得了很大的成功，人们认为光是在绝对静止的以太中传播的一种波。1887 年，迈克尔逊(A.A.Michel-son 美 1852～ 1931)和莫雷(E.W.Morley 美 1838～1923)合作做实验来确定地球相对以太的绝对速度，从而进一步证实以太的存在。他们把迈克尔逊发明的干涉仪装在大理石板上，并把石板悬浮在水银液面上。这样做能保持整个装置的稳定，从而减小振动的影响，同时又能使干涉仪自由旋转。为了增加光程，他们应用反射镜让两束相互垂直的相干光往返八次，使有效光程达到 11m。

地球公转速度达 30km/s，在它公转一周的过程中，总有一段时间内相对以太的绝对速度不小于 30km/s。根据经典理论计算，这时转动干涉仪，在他们的装置中至少能看到 0.4 个条纹的移动。尽管他们在白天和夜晚，在一年四季不同的时间进行观察，得到的结果都是条纹移动数为零。

迈克尔逊-莫雷实验的零结果是经典物理理论不能解释的。1900 年，开尔文称它是 19 世纪笼罩在热光动力理论上空两朵“乌云”中的一朵。

二、黑体辐射实验

1879 年，斯忒藩(J.Stefan 德 1835～1893)在研究黑体辐射时，通过多次实验后得出如下结论：“黑体辐射总能量的通量密度与它绝对温度的四次方成正比。”不久，玻耳兹曼(L.Baltzmaon 奥地利、1844～1906) 从理论上导出了它。这个规律被称为斯忒藩-玻耳兹曼定律，它被以后的多次实验证明是正确的。但是在研究黑体辐射能量按频率分布时，却出现了麻烦。

1893 年，维恩(W.Wien 德 1864～1928)从经典热力学理论中导出黑体辐射能量分布公式，这就是关于黑体辐射的维恩定律。但在实验中它仅与高频辐射相符，而不适用于低频辐射的情况。

1900 年，瑞利(L.Rayleigh 英 1842～1919)和金斯(J.H.Jeans 英

1877～1946)根据经典统计物理导出黑体辐射能量分布的瑞利-金斯公式。但在实验中，它仅适用于低频辐射，而在高频部分，公式的结果发散。这被称为“紫外灾难”。

1900 年，普朗克(M.Planck 德 1858～1947)研究上述结果后，提出一个经验公式。这个公式与实验结果相一致。为了从理论上对这个公式作出解释，普朗克提出能量子假说，即能量是不连续的。这个假设是经典物理理论不能接受的，它与光电效应一起，被开尔文称为热光动力理论上空的另一朵“乌云”。

三、阴极射线和电子的发现

世纪中期，随着电学知识的积累和真空技术的提高，真空放电的

研究引起人们的兴趣。1854 年，盖斯勒(H.Geissler 德 1814～1879)在玻璃管内装上电极后，将玻璃管抽成真空，制成了一支真空放电管。当他把电极接通高压电源时，对着负极的管壁上出现绿色的辉光。

1876 年，戈尔德茨坦(E.Goldstein 德 1850～1930)研究这种现象后指出：绿色辉光是由于负极产生某种射线射到管壁上引起的。并称这种射线为阴极射线。他判断，这种射线是类似于紫外线的电磁辐射。

曾在 1871 年，瓦尔莱(C.F.Varley 英 1828～1883)根据这种射线在磁场中偏转特性指出：这种射线可能是由一些带有负电的物质微粒所组成。

1890 年，汤姆逊(J.J.Thomson 英 1856～1940)在一根长 15m 的真空管内，用旋转镜测时间差的方法，测得阴极射线的传播速度为 1.9× 10⁵m/s。这远小于光速，从而否定了阴极射线是电磁辐射。

从 1890 年到 1897 年，汤姆逊在实验中证实：阴极射线不仅能被磁场偏转，而且可以被电场偏转。并采用不同的方法，得到阴极射线粒子的荷质比。至此，证明了阴极射线是带负电的粒子流。

1898 年，汤姆逊利用带电粒子在饱和蒸气里形成雾滴的现象，计算雾滴数和电量。从而求出一个阴极射线粒子所带的电荷与氢离子相等，并求得它的质量约为氢原子的 1840 分之一。

以后，人们称汤姆逊发现的阴极射线粒为电子。电子的名称，原来是斯托尼(G.T.Stoney 爱尔兰 1826～1911)提出来，用来表示电荷的最小单位。

四、光电效应的发现

光电效应是电子在光的作用下，从金属表面发射出来的现象。最早是 1887 年赫兹在研究电磁波的发射和接收的实验中偶然发现的。为了便于观察接收回路的电火花，赫兹有一次把接收回路放进暗箱里时，发现电火花明显减弱了。当他清楚了这是由于暗箱挡住光的缘故后，他研究了各种光对放电的影响。最后，他得出结论：用紫光照射电极更易于放电。

在对光电效应的研究中，人们发现：电路中的饱和电流与入射光的强度成正比。但在采用加反向电压的方法来测量电子的最大速度时，得到电子的最大速度与入射光的强度无关的结果。这个结论与经典理论相矛盾。按经典理论，当光束强度增大时，电子得到的能量也增大，它的动能也应增大。而且按照经典理论，即便光不强，只要照射足够长的时间，电子也可以累积到逸出金属表面所需的能量。但实验事实却不然，要么一经照射，就立刻有电子从金属表面逸出，根本不需要延迟时间；要么不管照射多久，都没有电子逸出金属表面。

光电效应使经典电磁理论陷入困境，它与黑体辐射一起被称为热光动力理论上空的另一朵乌云。

五、x 射线的发现

1895 年，伦琴(W.K.Rontgen 德 1845～1923)在研究阴极射线时，为

了排除外界的影响，他用锡箔和黑纸把放电管包起来，房间里一片漆黑。突然，他注意到离放电管一米远的地方的荧光屏上发出荧光。这个现象使他非常惊奇，于是又全神贯注地重复刚才的实验，并进一步把荧光屏一步步移远。他发现即使把荧光屏移到两米远以外，仍可在荧光屏上产生荧光。这种新奇现象是无法用阴极射线来解释的，因为阴极射线在空气中只能行进几厘米。这是从放电管中发出的一种尚未为人所知的射线引起的。伦琴把这种射线称为 x 射线。

于是伦琴抓住这个机遇不放，接连七个星期独自在实验室里紧张地工作。他发现 x 射线的穿透本领非常强，能穿透几厘米厚的木板和 1.5 厘米厚的铝板，但铅板吸收 x 射线能力很强。在实验中，他发现这种射线能够显示人体骨骼和薄金属片中的缺陷，并用 x 射线照出了他夫人的手骨像。在进一步的研究中，实验表明 x 射线是一种波长很短的电磁辐射。

1895 年 12 月 28 日，伦琴公布了他的研究成果。现在人们也把 x 射线称为伦琴射线。

六、放射性的发现

1896 年，贝克勒尔(H.A.Becguerel 法 1852～1908)在进行 x 射线与荧光关系的研究。一次，他把一种铀盐放在用黑纸包严的照相底片上面，在日光下曝晒几小时后，使铀盐发出荧光。然后，他在冲洗底片时，发现底片已经感光。于是他认为这是日晒激发荧光，荧光发射 x 射线的结果。

然而有一次接连几天下雨，贝克勒尔把铀盐包与黑纸包严的底片一起放进抽屉里。几天后，他冲洗其中的底片，结果发现也已感光。他马上想到，底片的感光与日晒和荧光都无关系，这一定是铀盐发出一种神秘射线所致。在进一步的研究中，他发现铀盐发出的射线不仅能使底片感光，还能使气体电离。荧光、温度的变化、放电等对它都无影响。而且这种铀盐不论是结晶状、熔融状还是溶解在溶液里，都能发射射线。由此他得出结论：这种射线来自铀本身。人们把钠盐自发发射射线的性质称为放射性。

其它元素有放射性吗？居里夫妇考查了所有已知元素，没有发现什么元素的放射线比铀还强。1896 年的一天，居里夫人发现一块沥青铀矿的放射性比纯净的铀盐强得多，这意味着这块沥青铀矿中含有人们尚未发现的新物质。

为了寻找这种未知元素，居里夫妇以坚韧不拔的毅力和为科学献身的精神，在一间工棚里，用一口铁锅从成吨的废矿渣中进行艰苦的提炼工作。1898 年，他们终于提炼出放射性非常强的新元素钋和镭。

七、α粒子散射实验

世纪初，由于电子和物质放射性的发现，说明原子不是不可分的。物理学家们根据自己的实践和见解，提出各种不同的原子模型。其中以J.J.汤姆逊在
1904 年提出的“葡萄干布丁型”影响最大。他认为原子好

像一个带正电的流体球，集中了原子的绝大部分质量，带负电的电子作为点电荷镶嵌在球体中间。

卢瑟福(E.Rutherford 英 1871～1937)开始也相信这种无核模型，并想通过α粒子散射实验来证实它。1909 年，卢瑟福和他的助手盖革(H.Geiger 德 1882～1945)、马斯登(E.Marsden 英 1889～1970)一起设计了一个实验：在抽空的容器内放有放射源，从放射源发出的α粒子通过中央有小孔的铅板打在很薄的金箔上。如果原子果真像无核模型那样，由于整个原子呈中性，α粒子在原子外不受力。而进入原子后，由于α 粒子质量大，电子的作用微不足道，而正电荷又均匀分布，也不能显著地改变α粒子的运动方向。于是，α粒子会穿过几千层金原子后，平均偏角不会超过 1°。

然而实验结果表明，虽然散射角小的α粒子占优势，但也有万分之一左右的α粒子，其散射角大于 90°，有的甚至达到 180°。这是 J.J. 汤姆逊原子模型不能解释的。用卢瑟福当时的话说：“这好比你对一张纸发射一发 38.1cm 的炮弹，结果被弹回来打在自己身上。”

卢瑟福对α粒子散射实验结果进行了分析研究后，提出了原子的有核模型。即原子的全部正电荷和绝大部分质量集中在原子内一个比整个原子小得多的核内，并把这个核称为原子核。

八、中子的发现

1914 年，发现了正电荷数和质量数均为的质子。当时人们就推测原子核是由质子组成的。可是这里出现了新的问题，因为除氢以外，所有原子核的电荷数都不等于它的质量数。为了解决这个矛盾，卢瑟福在 1920 年就曾预言中子的存在。

1921 年，查德威克(J.Chacl.Wick 英 1891～1974)试图在氢放电管强烈放电时，寻找这种穿透能力极强的中性粒子，但没有成功。

1923 年，查德威克用盖革发明的点计算器进行实验，也未取得进展。

1924 年，查德威克计划用高速质子轰击原子的方法来产生中子，但由于无力建造大规模的设备而告落空。

1930 年，博特(W.Bothe 德)和贝克尔(H.Becker 德)用钋产生α粒子去轰击铍，在实验中产生一种中性的穿透力极强的射线，但他们误认为这是一种能量极高的γ射线。

1932 年，居里夫妇也进行了用α粒子轰击铍的实验，并测得实验中

产生射线的能量为 15 兆电子伏特。但他们也把它误认为是一种γ射线。当查德威克看到了居里夫妇的论文时，他当即想到这种射线正是中

子。他首先重复了上述实验，测得这种射线的速度不到光速的 1/10，从而否定了它是γ射线的可能。接着，他用碰撞方法和云室的方法测得中子的质量与质子的质量相等。

1932 年，查德威克终于发现了被他寻找了 12 年的中子。