《人文物理》课程教学资源（讲义）第五讲 打开微观世界研究大门的三大发现

第六讲打开微观世界研究大门的三大发现6.1X射线的发现及应用6.4电子的发现6.2放射性的发现及应用6.3核能利用以及核污染自古至今，人们一直在思索一个问题：世界物是如何构成的？公元前400年的古希腊，哲学家德谟克里特指出：物质是由最小的不可再分割的粒子构成但也有一些不同的学术观点"例如古希腊的亚里士多德及我国战国时期的公孙龙等人，就认为物质是可以无限可分的，不存在最小的单元，（战国公孙龙：一尺之椎，日取其半，万世不竭）直到2000年以后的19世纪，“原子"的存在才被科学家用实验所证实：英国科学家道尔顿是科学原子论之父，1807年，他提出："气体、液体和固体都是由该物质的不可分割的原子组成的"，同时还进一步指出"同种元素的原子的大小、质量和各种性质都相同．这个结论得到大多数科学家实验事实的证明但是，原子是否还可以再分？若还可分，该如何分？什么才是物质结构的最小层次？物理学家需要从根本的实验和探测手段上深入物质内部，所以一直到19世纪末，物理学家的研究才有了突破性的进展，即上个世纪之交的三大发现（三年三个大发现）：X射线：1895年德国物理学家伦琴；放射性：1896年法国物理学家贝克勒尔；电子的发现：1897年英国物理学家J.J汤姆逊。6.1X射线的发现（1)阴极射线的发现随着人们对电磁现象认识的深入发展和真空技术水平的提高，科学家对大气放电现象的研究，逐步发展到在实验室中对真空放电现象的试验.1858年德国物理学家普目克尔发现讲管内气体的气压降到标准大气压的百万分之一时，放电管将不发生通常的辉光放电现象，而是出现一种奇特的现象：在正对阴极的管壁上发现了绿色的荧光他反复实验意识到阴极有一种射线射向对面的管壁，使产生荧光阴极射线是什么？"以太波”-－阴极射线是沿直线路径传播的，当阴极与阳极之间放上小障碍物时，在管壁上出现障碍物时，玻璃壁上就会出现障碍物的阴影且边缘较模糊.阴极射线的性质与所用的材料无关勒纳德（赫兹)从勒纳德窗射出的阴极射线认识到：阴极射线能使荧光物质发光，能在磁场中偏转，能使照相底片感光.能使空气电离等并未发现阴极射线在电场中偏转的性质（外加电场未加上去，真空度不够）"粒子流”-阴极射线在磁场中受到偏转与带电粒子很相近，由此提出它是由带负电的粒子所组成的.(2)一种新射线的发现--X射线阴极射线实际是电子流构成的，而电子流是通过放在一个几乎是真空的玻璃管两端的电极加高电压产生的。阴极射线本身没有特殊的穿透性，而且几厘米厚的空气就能阻挡它。1895年11月8日，伦琴正在做阴极射线实验。这次，他用很厚的黑纸把阴极管完全包起来，以便通电时，没有光泄露。然而，当伦琴给阴极通电时，他惊奇地看见，不远处凳子上的一块荧光屏在发光，好像是一束光造成的，他关掉试管，这块涂有氰亚铂酸钡的屏幕就停止发光了。由于阴极射线管是被紧紧包裹着的，伦琴认识到，当电流通过试管时，一种看不见的射线从管子里发射出来，他确信这个现象不是阴极射线造成的．因为阴极射线只能穿透几厘米厚的空气，不可能穿透玻璃，黑纸以及大于1m距离的空气．因此，他断定存在着一种新的射线

第六讲 打开微观世界研究大门的三大发现 6.1 X射线的发现及应用 6.4 电子的发现 6.2 放射性的发现及应用 6.3 核能利用以及核污染 自古至今,人们一直在思索一个问题:世界万物是如何构成的? 公元前400年的古希腊,哲学家德谟克里特指出:物质是由最小的不可再分割的粒子构成. 但也有一些不同的"学术观点",例如古希腊的亚里士多德及我国战国时期的公孙龙等人,就认为物质是 可以无限可分的,不存在最小的单元,(战国公孙龙：一尺之椎，日取其半，万世不竭) 直到2000年以后的19世纪，"原子"的存在才被科学家用实验所证实．英国科学家道尔顿是科学原子 论之父，1807年，他提出："气体、液体和固体都是由该物质的不可分割的原子组成的"，同时还进一 步指出"同种元素的原子的大小、质量和各种性质都相同"．这个结论得到大多数科学家实验事实的证 明. 但是，原子是否还可以再分？若还可分，该如何分？什么才是物质结构的最小层次？ 物理学家需要从根本的实验和探测手段上深入物质内部,所以一直到19世纪末，物理学家的研究才有 了突破性的进展，即上个世纪之交的三大发现（三年三个大发现）： X射线：1895年德国物理学家伦琴； 放射性：1896年法国物理学家贝克勒尔； 电子的发现：1897年英国物理学家J.J汤姆逊。 6.1 Ｘ射线的发现 (1)阴极射线的发现 随着人们对电磁现象认识的深入发展和真空技术水平的提高，科学家对大气 放电现象的研究，逐步发展到在实验室中对真空放电现象的试验．1858年德国物理学家普吕克尔发 现讲管内气体的气压降到标准大气压的百万分之一时，放电管将不发生通常的辉光放电现象，而是 出现一种奇特的现象：在正对阴极的管壁上发现了绿色的荧光． 他反复实验意识到阴极有一种射线射向对面的管壁，使产生荧光． 阴极射线是什么？ "以太波"－－阴极射线是沿直线路径传播的，当阴极与阳极之间放上小障碍物时，在管壁上出现障碍 物时，玻璃壁上就会出现障碍物的阴影且边缘较模糊.阴极射线的性质与所用的材料无关. 勒纳德(赫兹)从勒纳德窗射出的阴极射线认识到:阴极射线能使荧光物质发光，能在磁场中偏转,能使 照相底片感光,能使空气电离等. 并未发现阴极射线在电场中偏转的性质(外加电场未加上去,真空度不够) "粒子流"－－阴极射线在磁场中受到偏转与带电粒子很相近，由此提出它是由带负电的粒子所组成 的． (2)一种新射线的发现－－Ｘ射线 阴极射线实际是电子流构成的，而电子流是通过放在一个几乎是真空的玻璃管两端的电极加高 电压产生的。阴极射线本身没有特殊的穿透性，而且几厘米厚的空气就能阻挡它。 1895年11月8日，伦琴正在做阴极射线实验。 这次，他用很厚的黑纸把阴极管完全包起来，以便通电时，没有光泄露。然而，当伦琴给阴极通电 时，他惊奇地看见，不远处凳子上的一块荧光屏在发光，好像是一束光造成的，他关掉试管，这块 涂有氰亚铂酸钡的屏幕就停止发光了。由于阴极射线管是被紧紧包裹着的，伦琴认识到，当电流通 过试管时，一种看不见的射线从管子里发射出来，他确信这个现象不是阴极射线造成的．因为阴极 射线只能穿透几厘米厚的空气，不可能穿透玻璃，黑纸以及大于１m距离的空气．因此，他断定存在 着一种新的射线

1895年12月28日伦琴写了一篇具有历史意义的文章>，同时还公布了历史上第一张X射线照片---伦琴妻子的手指骨的X光片在×射线发现后3个月，维也纳医院首次使用X射线对人体进行拍片，物理学史中重大的发现在发现后如此迅速地运用到实际中是非常少见的！后来，人们为了纪念伦琴，也将×射线称为"伦琴射线”，1902年12月，瑞典皇家科学院将历史上的第一个诺贝尔物理学奖授予了伦琴(3)X射线的本性和应用X射线发现以后，世界上很多科学家都很快投入了对X射线本性或X射线应用的研究，这些研究中有不少科学家获得了诺贝尔奖，除伦琴外，另有15项诺贝尔奖的课题与射线有关，例如，劳厄用天然晶体的晶格作为衍射光栅，观察到了×射线的衍射现象，这表明×射线与可见光一样也是一种电磁波它是原子内层的电子受到激发而产生的射线2、放射性的发现(1)贝克勒尔的一个惊人的意外发现贝克勒尔最开始的想法是想找出究竟×射线是怎样产生的？是阴极对面发荧光的那部分管壁产生的吗？或者说荧光物质是不是在发射荧光的同时，还会放出×射线？最终导致发现了一种荧光物质-铀盐有产生射线的本领：他将盐放在用不透光的两张黑纸包好的照相底片上，并放在阳光下暴晒，结果是照相底片感光了：当他公布了这一发现后，事隔一周又发现了一个更震惊的重大发现--这种反映在黑暗中也能进行这说明，铀盐本身就会防出一种肉眼看不见的射线，这与荧光物质是完全无关的，而且这种射线显然不是×射线，而是另外一种穿透能力更强的神秘射线，这种射线可以使空气电电离（带电）：(2)居里夫人的新的突破1897年，居里夫人在丈夫皮埃尔.居里的建议下，选择了放射性这个一年前刚被发现的非常新的课题做为她的博士论文，她要研究的是：这个神秘的射线从哪里来？有些什么性质？是否除了铀以外还有别的元素也能发射这种射线？等等一系列问题都引起了居里夫人的极大兴趣居里夫人从两个方面开展了创造性的工作：1：测量实验对象从轴盐到所有能找到的各类矿石；2.着眼于高精度定量化的测量，1898年初就很快发现了"，且第一次提出了"放射性这个词；1898年7月从沥青矿中分离出放射性比轴和"针"强几百倍的"针"；1898年12月又从沥青铀矿中分离出的放射性要强约100万倍的新元素"镭"，并测出镭的相对原子量为225.35(3)α、β、Y三种射线在科学家们的共同努力下，科学家们发现了各种放射性元素衰变所放出的射线中包括有α、β、三种射线其中一种非常容易被吸收（一张纸也通不过）的被称为α射线）另外一种有较强贯穿本领的叫β射线而贯穿能力最强的是射线α射线(即氮核的离子流，带两个单位正电）β射线(即高速的负电离子流，带负电）y射线(一种波长极短的电磁波，比X射线的波长还要短，呈电中性）图示是它们在放射出后在磁场中的不同的偏转轨迹6.3核能利用及其核污染

1895年12月28日伦琴写了一篇具有历史意义的文章>，同时还公布了历 史上第一张Ｘ射线照片－－－伦琴妻子的手指骨的Ｘ光片． 在Ｘ射线发现后３个月，维也纳医院首次使用Ｘ射线对人体进行拍片，物理学史中重大的发现在发 现后如此迅速地运用到实际中是非常少见的！ 后来，人们为了纪念伦琴，也将Ｘ射线称为"伦琴射线"． 1902年12月，瑞典皇家科学院将历史上的第一个诺贝尔物理学奖授予了伦琴． (3)Ｘ射线的本性和应用 Ｘ射线发现以后，世界上很多科学家都很快投入了对Ｘ射线本性或Ｘ射线应用的研究，这些研究中 有不少科学家获得了诺贝尔奖．除伦琴外，另有15项诺贝尔奖的课题与Ｘ射线有关． 例如，劳厄用天然晶体的晶格作为衍射光栅，观察到了Ｘ射线的衍射现象，这表明Ｘ射线与可见光 一样也是一种电磁波．它是原子内层的电子受到激发而产生的射线． 2、放射性的发现 (1)贝克勒尔的一个惊人的意外发现 贝克勒尔最开始的想法是想找出究竟Ｘ射线是怎样产生的？是阴极对面发荧光的那部分管壁产 生的吗？或者说荧光物质是不是在发射荧光的同时，还会放出Ｘ射线？ 最终导致发现了一种荧光物质－－铀盐有产生射线的本领．他将铀盐放在用不透光的两张黑纸 包好的照相底片上，并放在阳光下暴晒，结果是照相底片感光了．当他公布了这一发现后，事隔一 周又发现了一个更震惊的重大发现－－－这种反映在黑暗中也能进行． 这说明，铀盐本身就会防出一种肉眼看不见的射线，这与荧光物质是完全无关的．而且这种射 线显然不是Ｘ射线，而是另外一种穿透能力更强的神秘射线．这种射线可以使空气电电离（带 电）． (2)居里夫人的新的突破 1897年 ,居里夫人在丈夫皮埃尔．居里的建议下，选择了放射性这个一年前刚被发现的非常新的课题 做为她的博士论文．她要研究的是：这个神秘的射线从哪里来？有些什么性质？是否除了铀以外还 有别的元素也能发射这种射线？等等一系列问题都引起了居里夫人的极大兴趣． 居里夫人从两个方面开展了创造性的工作：１．测量实验对象从铀盐到所有能找到的各类矿石； ２．着眼于高精度定量化的测量． 1898年初就很快发现了"钍"，且第一次提出了"放射性"这个词； 1898年7月从沥青铀矿中分离出放射性比"铀"和"钍"强几百倍的"钋"； 1898年12月又从沥青铀矿中分离出铀的放射性要强约100万倍的新元素"镭"，并测出镭的相对原子量 为225.35； (3)α、β、γ三种射线 在科学家们的共同努力下，科学家们发现了各种放射性元素衰变所放出的射线中包括有α、β、γ三种 射线. 其中一种非常容易被吸收(一张纸也通不过)的被称为α射线; 另外一种有较强贯穿本领的叫β射线; 而贯穿能力最强的是γ射线. α射线(即氦核的离子流,带两个单位正电) β射线(即高速的负电离子流,带负电) γ射线(一种波长极短的电磁波，比X射线的波长还要短,呈电中性) 图示是它们在放射出后在磁场中的不同的偏转轨迹. 6.3 核能利用及其核污染

核电站是一种清洁能源，对环境造成的污染最少，因而受到世界各国的重视。现在世界上已有26个国家建有核电站。在运行的核反应堆达429座，总发电能力为3266111兆瓦。核电站已占世界总发电量的16%，少数国家核电站已占本国总发电量的50%至60%。还有不少国家正在投建核电站。据预测，到2000年，大多数国家新增发电量相当大部分仍是核电，核电站将发展到530多个。2.放射性污染指各种放射源，其放射性强度大大超过背景值，对动植物和人体造成的辐射损伤。这种污染有以下特殊性：（1)放射性污染通常是无嗅无色，且与化学状态无关（2）每一种放射性核素都有一定的半衰期，且不因气压、温度而改变。（3）通常放射性核素都能发射出一种或者几种具有一定能量的一种或者几种射线。（4)放射性核素被动物或人体吸收后，其电离辐射会引起生物组织内分子和原子电离，破坏组织中的大分子结构，威胁生命健康3.放射性污染的事件a、热辐射伤害b、核辐射伤害C、放射性存留（1）第二次世界大战期间，美国广岛和长崎投下的两颗原子弹，这是人类历史上第一次使用核武器。(2)原苏联切尔诺贝利核泄露事件4.核污染的去除方法（1)物理法：吸尘法、机械擦拭法、高压喷射法、超声法等；(2)化学法：(3)电化学法：(4)物理-化学法：(5)微生物清除法：(6)焚烧处理：6.4电子的发现(1)阴极射线本性之争宣告结束前面我们谈到，关于阴极射线到底是"以太波"还是粒子流"的争论长达20年，谁也不能说服谁.真正从实验上确认阴极射线是粒子流并且这种粒子就是带负电的电子的是英国科学家J.J汤姆孙(2)原子模型1、J.J汤姆孙的原子模型原子的正电荷是均匀分布在整个原子球体内，而电子一个个嵌在其中，保持整个原子的电中性.进一步假定原子中电子是分布在一个个同心圆环上，作着旋转，每个环中中包含有限电子灭难在于无法解释原子的稳定性和原子有一定的大小2.卢瑟福原子模型所有正电荷和原子核都集中在原子中心一个非常小的体积被，就是原子核.院子中的电子绕核运动，带正电的核和带负电的电子间的静电吸引把整个原子结合

核电站是一种清洁能源，对环境造成的污染最少，因而受 到世界各国的重视。现在世界上已有26个 国家建有核电站。 在运行的核反应堆达429座，总发电能力为3266111兆瓦。核 电站已占世界总发 电量的16％，少数国家核电站已占本国总 发电量的50％至60％。还有不少国家正在投建核电站。据 预 测，到2000年，大多数国家新增发电量相当大部分仍是核电，核电站将发展到530多个。 2.放射性污染 指各种放射源，其放射性强度大大超过背景值，对动植物和人体造成的辐射损伤。这种污染有以下 特殊性： (1)放射性污染通常是无嗅无色,且与化学状态无关. （2）每一种放射性核素都有一定的半衰期，且不因气压、温度而改变。 （3）通常放射性核素都能发射出一种或者几种具有一定能量的一种或者几种射线。 (4)放射性核素被动物或人体吸收后，其电离辐射会引起生物组织内分子和原子电离，破坏组织中的 大分子结构，威胁生命健康 3.放射性污染的事件 a、热辐射伤害 b、核辐射伤害 c、放射性存留 (1)第二次世界大战期间,美国广岛和长崎投下的两颗原子弹，这是人类历史上第一次使用核武器。 (2)原苏联切尔诺贝利核泄露事件 4.核污染的去除方法 (1)物理法：吸尘法、机械擦拭法、高压喷射法、超声法等； (2)化学法： (3)电化学法： (4)物理-化学法： (5)微生物清除法： (6)焚烧处理： 6.4 电子的发现 (1)阴极射线本性之争宣告结束 前面我们谈到,关于阴极射线到底是"以太波"还是"粒子流"的争论长达20年,谁也不能说服谁.真正从实 验上确认阴极射线是粒子流并且这种粒子就是带负电的电子的是英国科学家J.J汤姆孙. (2) 原子模型 1、J.J汤姆孙的原子模型 原子的正电荷是均匀分布在整个原子球体内，而电子一个个嵌在其中,保持 整个原子的电中性.进一步假定原子中电子是分布在一个个同心圆环上，作着旋转,每个环中中包含有 限电子 灾难在于无法解释原子的稳定性和原子有一定的大小. 2. 卢瑟福原子模型 所有正电荷和原子核都集中在原子中心一个非常小的体积被,就是原子核.院子中 的电子绕核运动,带正电的核和带负电的电子间的静电吸引把整个原子结合