1、物理学史作业2012 届实验在物理学发展中的作用学生姓名 赵孟冬 学 号 08103137 院 系 数理信息学院 专 业 物理学 指导教师 余国祥 完成日期 2012 年 12 月 19 日 第 2 页 共 13 页实验在物理学发展中的作用摘 要物理学是一门以实验为本科学。物理实验不仅是物理学理论的基础，更是物理学发展的基本动力。伽利略的实验研究特别是他把实验和数学方法结合来研究物理规律使物理学开始走上了真正的科学道路。实验在物理学的发展中有巨大的推动作用，在物理学中，每个概念的建立，每个规律的发现，无不有坚实的实验基础，而且在物理学史上，许多关键的问题的解决，最终都要诉诸实验。本文介绍了近代
2、物理学的发展中四个著名的实验以及其在物理学发展中的作用。关键词 物理学；物理实验；发展；作用 第 3 页 共 13 页目 录摘 要 .2引 言 .41. 发现新事物探索新规律 .41.1. X 射线的发现 41.1.1. X 射线的发现的过程 41.1.2. 产生的影响 .52. 验证物理理论 .52.2. 光电效应的研究 .52.2.1. 光电效应的发现 .62.2.2. 勒纳德的新发现 .62.2.3. 密立根的光电效应实验 .62.2.4. 研究光电效应的意义 .73. 测定物理常量 .73.3. 基本电荷的测定 .73.3.1. 汤森德电解法 .73.3.2. 汤姆逊的膨胀云室法 .8
3、3.3.3. 威尔逊的平板电极法 .83.3.4. 密立根的水珠平衡法 .83.3.5. 密立根油滴平衡法 .83.3.6. e 的精确值 .94. 推广应用新技术 .94.4. 核磁共振 .94.4.1. 从核磁矩的研究谈起 .94.4.2. 珀塞尔小组的共振吸收实验 .94.4.3. 布洛赫的核感应实验 .104.4.4. 实际中的应用 .12参考文献 .12第 4 页 共 13 页引 言物理学是以实验为本的科学，在物理学的发展中起来重要作用。在物理学的工作者中有 90%从事实验工作。而从伦琴获得诺贝尔奖以来的一百年，176 位获奖的物理学家中有 67%的人因实验而获奖。张文裕说“科学实验
4、是科学理论的源泉，是自然科学的根本，也是工程技术的基础。 ”他还说“基础哑巴你就、应用研究、开发研究和生产这四个方面紧密贯穿在一起，必然有一条红线，这局势科学实验”总之物理实验的作用基本上就是发现事实，验证理论，测定常数，推广应用四个方面。下面本文就从这四个方面进行浅谈。1. 发现新事物探索新规律在经典物理学的发展中，许多伟大物理学家们的实验为经典力学理论的提出与规律的发现提供了大量的实验事实。例如，在力学方面的伽俐略的斜面实验、胡克的弹性实验、玻意耳的空气压缩实验等都是如此。电学方面的库仑定律、欧姆定律、法拉第电磁感应定律等的建立，光学方面的有关光的干涉、衍射、偏振等现象的定律也都是先在实验
5、中发现，再通过总结而得出的。在 19 世纪末和 20 世纪初，当人们普遍认为物理学已发展到了顶峰，只是进一步把常数测得在准些的时候，人们发现了 X 射线、电子、光电效应，核磁共振等，这些用经典物理学无法解释的实验现象，经典物理遇到了空前的困惑，在伟大的物理学家们的努力下，近代物理学和现代物理学因此而诞生了，物理学得到了重大发展。这一事实充分说明了物理实验，只有物理实验才是物理学的基础。1.1. X 射线的发现1901 年，首届诺贝尔物理理学奖授予德国物理学家伦琴(Wilhelm Konrad RiSntgen，18451923)， （图 1-1）以表彰他在1895 年发现了 X 射线。1.1.
6、1. X 射线的发现的过程1895 年 11 月 8 日，正当伦琴继续在实验室里从事阴极射线的实验工作，一个偶然事件吸引了他的注意。当时，房间一片漆黑，放电管用黑纸包严，并充分抽成真空。他突然发现在不超过 lm 远的小桌上有一块亚铂氰化钡做成的荧光屏发出闪光。并且他发现，产生的荧光与涂面是否朝着放电管完全无关，甚至当制品放在仪器装置两米外时，还可以看到这种荧光 1。这个现象还有一个令人惊异的特点，就是这种能穿透黑纸版德尔成分，很多种物体对他来说都是透明的。比如伦琴发现一千多页的一本厚书对它几乎没有阻碍，二三厘米厚德松木板只有轻微的吸收。水，二氧化碳和各种别的液体也是透明的，只有在铜金银铅和铂板
7、在一定厚度时才有较强的吸收。伦琴意识到这可能是某种特殊的射线，它具有特别强的穿透力，从来没有观察到图 1-1第 5 页 共 13 页过。为了证实这一事实，伦琴用了六个星期，做了很多的实验，对此进行了深入的研究。他把密封在木盒中的砝码放在这一射线的照射下拍照，得到了模糊的砝码照片；他把指南针拿来拍照，得到金属边框的深迹；他把金属片拿来拍照，拍出了金属片内部不均匀的情况 2。1895 年 12 月 22 日，他邀请夫人来到实验室，用他夫人的手拍下了第一张人手 X 射线照片（图 12） 。1895 年年底，他以通信方式将这一发现公之于众。题为一种新射线( 初步通信) 。伦琴在通信中把这一新射线成为
8、X 射线 31.1.2. 产生的影响由于 X 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，在伦琴宣布这一发现的极短时间内，全世界的医院都把 X 射线诊断作为常规手段，成为透视人体、检查伤病的有力工具。后来又发展到用于金属探伤，对工业技术也有一定的促进作用。X 射线的发现对自然科学的发展更有极为重要的意义，它像一根导火线，引起了一连串的反应。由于科学家探索 X 射线的本质，发现了 X 射线的衍射现象，并由此打开了研究晶体结构的大门；根据晶体衍射的数据，可以精确地求出阿伏加德罗常量。在研究 X射线的性质时，还发现 X 射线具有标识谱线，其波长有特
9、定值，和 X 射线管阳极元素的原子内层电子的状态有关，由此可以确定原子序数，并了解原子内层电子的分布情况。此外，X 射线的性质也为波粒二象性提供了重要证据。 42. 验证物理理论物理学的主体是理论。而理论是否正确，必须经过物理实践的检验。即使最权威的理论也必须通过实验的检验才能得到公认，实践是检验真理的唯一标准。例如，麦克斯韦的电磁场理论，只是当电磁波被赫兹的实验证实后才成为举世公认的电磁理论的基础；又如，直到密立根在 1916 年用严密的光电效应实验证实后，爱因斯坦的光量子论，才被人们接受；同样，赫兹的电磁波证实了麦克斯韦的电磁场理论。就是理论的适用范围，也是由实验在检验理论的过程中来确定。
10、理论和实验是物理学的两大部分。没有物理实验，物理理论就没有了基础的；没有了物理理论，物理实验也就失去了方向。两者相辅相成，缺一不可。2.2. 光电效应的研究1905 年爱因斯坦(图 2-1)在题为关于光的产生和转化的一个试探性观点的论文里，认为，指出只要把光的能量看成是不连续分布的，就可以解释黑体辐射的规律，以及光电效应，电离现象等一些些事实。并且提出了爱因斯坦光电效应方程：图 2-1图 1-2第 6 页 共 13 页phveV在光电方程里，遏止电压 U 应与频率 v 成正比，在爱因斯坦发表这篇论文时，当时并没有充分的实验依据。在 20 世纪初，要精确测量在不同频率的光（包括紫外光）照射下产生
11、的光电流，并不是一件容易的事。而且由于经典理论的传统观念的束缚，因此爱因斯坦的理论并没有得到人们的普遍承认，甚至一些著名的物理学家也持否定态度。知道 1914 年密立根作出了关键性的实验，才改变了这一情况的。2.2.1. 光电效应的发现1887 年，赫兹(Heinrich Hertz，18571894)（图 2-2）在进行电磁波实验时，注意到电极之间的放电，会受光辐射的影响。赫兹的发现以论文紫外线对放电的影响发表于 1887 年随即引起了广泛的反响2.2.2. 勒纳德的新发现勒纳德用不同材料做阴极，用不同的光源照射，发现都对遏制电压有影响，唯独改变光的强度对遏制电压没有影响，电子逸出金属表面的
12、最大速度与光强无关，这就是勒纳德根据实验结果做出的重要结论。 52.2.3. 密立根的光电效应实验密立根从 1910 年开始光电效应实验，他设计和制作了一套极其精致的实验装置(图 2-3)。在一个真空管内，安装了精密的实验装置。因为是在真空中工作，密立根称之为“真空机械车间” 。 使用这种装置可以使密立根在排除了氧化物薄膜的电极表面上同时测量真空中的光电效应和接触电势差。实验样品是三种碱金属 Li、Na、K，都做成圆柱形，分别固定在小轮 W 上，用电磁铁从 k 控制小轮的转动。剃刀 K 可沿管轴方向前后移动也由真空管外的电磁铁带动旋转，使剃刀在圆柱电极表面不断切削，刮掉电极表面上极薄的一层氧化
13、了的表皮。然后将光电极对准电极的位置测量接触电势差；再转一个角度，对准窗口以接受单色紫外光的照射，同时测量其光电流。密立根总共选择了六种不同频率的单色光进行了实验。1916 年密立根发表了两张实验曲线图。图 2-2图 3-2第 7 页 共 13 页2.2.4. 研究光电效应的意义密立根的实验结果，为爱因斯坦的光量子理论提供了第一个直接而求安眠的实验证据，后来又有许多的物理学家为光量子理论进行了实验验证。光量子理论成功了解释了光电效应，而光电效应的事实也有力的支持了光量子理论。而光量子理论以及光电效应实验不仅证明了量子现象在一般物理过程中都有表现以及解释了“光的波粒二象性”而且光电效应在科学技术
14、中也得到了广泛的应用，譬如制造了光电管等光电器件。3. 测定物理常量在物理学中，大量的实验是围绕常量的测量和研究进行的，特别是基本常数的测量和研究，在物理学发展史上占有更重要的地位。例如，万有引力常数 G，从牛顿发现万有引力定律以来一直是人们试图准确测量的对象。基本物理常数之间的协凋是检验物理理论的重要途径，而每次协调都是在大量实验、在取得了众多新的研究成果的基础上做出的。3.3. 基本电荷的测定JJ汤姆生通过阴极射线的荷质比实验肯定了电子的存在，为近代物理学的发展奠定了实验基础。然而，仅仅从比荷质比的数据还不足以确定电子的性质，因为由此无法直接获得出电子电荷比的数据还不足以确定电子的性质。3
15、.3.1. 汤森德电解法JJ汤姆生有一位研究生，名叫汤森德(JSETownsend)，他创造了电解法。他让氧气从水中发泡产生云雾，雾滴带有电荷，测量云雾下降的速度，借速度与雾滴半径的关系求出雾滴的平均重量，再根据水分的总重量求出雾滴的个数。另一方面，他收集这些氧气所带电量，用静电计进行测量，所得电量被雾滴个数除，即得每颗雾滴的电荷。由此求得电子的电荷 e。1897 年当森德宣布了他的结果是 e+=2.810-19esu，从带负电的氧得 e-=3.110-10esu 这个结果虽然粗略，单却是第一次直接测定带电粒子的电量。 第 8 页 共 13 页3.3.2. 汤姆逊的膨胀云室法 大约与此同时，J
16、J汤姆逊的另一名研究而生 C.T.R.威尔逊正在进行云雾形成的研究。这项工作后来导致彭云室的发明。大致步骤如下：在一密闭容器 A 中混有水蒸气和空气，其温度气压可以直接测出，从而求出其饱和度。用 X 射线作为电离剂，使里面的空气电离。一辅助圆筒 C 中的活塞 P 可是密室的气压和温度在突然膨胀的过程中迅速下降，得到过饱和蒸汽，并立即以粒子为核心形成云雾。雾滴总数沿用汤森德方法，电量用静电计得出，然后算出单个离子的电量。这个方法比汤森德略有改善，得到的结果大约是 6.510-19esu。 3.3.3. 威尔逊的平板电极法1903 年，JJ汤姆生的另一名研究生 HA威尔逊又将 JJ汤姆生的方法做了
17、改进。改进的主要地方是在密闭容器中加了两块水平极板，通上电压，使极板中产生电场，观察云层顶端在重力作用下得下降速度 V1 以及在重力和电力共同作用下得下降速度v22121234Egqneq其中， 为空气的粘滞系数，E 为电场强度， 水蒸气的密度威尔逊测得的电子电荷 e 值在 2.010-10esu 至 4.410-10esu 之间，平均为 3.110-10esu。 63.3.4. 密立根的水珠平衡法密立根是芝加哥大学教授（图 3-1） ，1906 年开始，和他得学生济曼一起使用镭作为电离剂重复 H.A 威尔逊的实验，并在 1908年 2 月宣读于美国物理学会了。这一结果得到卢瑟福的肯定，并指出
18、，这一实验还可以改进，减小水滴蒸发，因为水滴蒸发会使得离子数偏大，从而造成 e 偏小。于是密立根改进了自己的实验，设法让法让带电云雾的顶层稳定在某一高度，以便连续进行观察。这件事很容易办到，只要改变电场力的方向使其和重力方向相反，并适当加大电压就可以了。1909 年夏，密立根将电压加到 10000V，当他合上电闸时，奇迹出现了。云层哪里稳定得住，在电场的作用下，带电雾粒以不同速度散开，他得到这一启发，想到对单个液滴进行测量，于是他发明了水珠平衡法。1909 年，密立根利用水珠平衡法测得电子电荷结果为 e=4.6510-10esu3.3.5. 密立根油滴平衡法1909 年 12 月至 1910
19、年 5 月，密立根用油做了近两百颗液滴粒电子电荷实验。他宣称，在所有情况下液滴从空气中不活的电荷都是最小电荷的整数倍。图 3-1第 9 页 共 13 页1910 年以后密立根在平衡油滴法的基础上，进一步改进实验方法他让油滴在电场力和重力的共同作用下，上上下下的运动，从上下运动的速度求油滴所带电量（图 3-2） 。如果用 X 射线或镭照射油滴，使油滴所带电量发生改变，就会看到油滴的速度突然发生变化，从而求出电荷量的改变的差值。密立根进一步研究了斯托克斯定律的有效性对实验结果做了修正，于 1913 年宣布从油滴测得电子电荷为 7：e=（4.7740.0009）10 -10esu3.3.6. e 的
20、精确值1973 年开始采用的国际标准值e=1.602189210-19C=4.80324210-10esu4. 推广应用新技术无论是蒸汽机技术还是电工技术，都离不开实验。很多的发明创造，比如制冷机，电灯，电报等，无不是经过了大量的实验才逐步完善的。在计入 20 世纪后，物理实验对新技术的推广作用增加名下。从电子管都晶体管，从无线电到雷达都是大量实验的结果。事实证明，现代的许多新技术的推广与应用都是物理实验的贡献。 比如：核磁共振。4.4. 核磁共振所谓核磁共振，是指具有磁矩的原子核在恒定磁场中由电磁波引起的共振跃迁现象。4.4.1. 从核磁矩的研究谈起核磁共振的发现，跟核磁矩的研究紧密相关。1
21、911 年，卢瑟福根据 a 粒子散射实验提出核原子模型后，直到原子光谱的超精细结构发现以后，1924 年泡利才正式提出，原子光谱的超精细结构是核自旋与外电子轨道运动相互作用的结果；原子核应具有自旋角动量和磁矩。1926 年斯特恩提出了分子束方法测定核磁矩。1933 年他和弗利胥（O.Frisch） 、爱斯特曼（I.Estermann）等人用分子束实验装置测量氢分子中质子和氘核的磁矩。所得结果表明质子磁矩比理论预言的大 2.5 倍而氘核磁矩则在 0.5 到 1 个核磁子之间。氘核是由质子和中子组成的，由此即可推测中子也有磁矩。1938 年美国物理学家拉比把射频共振的方法应用于分子束技术，创立了分
22、子束磁共振方法。 图 3-2第 10 页 共 13 页分子束共振法能够精确的测定原子核的磁矩，并首次实现了磁共振的思想，核磁共振的起始从某种意义上来说是从分子束共振法开始的。 。4.4.2. 珀塞尔小组的共振吸收实验945年夏，珀塞尔、托雷（HCTorrey）和庞德（RV Pound ）等组成一个小组，亲自修复并改装了哈佛大学十年前研究宇宙射线的工作中证明 介子存在所留下的一台磁铁， ，用来做核磁共振的研究。从能量关系考虑在静磁场 0中核磁矩的能量处于量子化能级，即 00m核磁矩与角动量之比。在热平衡状态下，粒子按玻耳兹曼定律分布，低能级的粒子数目多于高能级的。若在共振条件的射频电磁场作用下，
23、处于低能级的粒子吸收射频场能量而跃迁到高能级；处于高能级的粒子又可把能量交给晶格而回到低能级来。如果样品的弛豫时间不太长，足以建立新的平衡，保持低能级粒子数多于高能级的，便可观察到持续的核磁共振信号。珀塞尔把这样的实验称为“核磁共振吸收” 。 8由于核磁共振信号是微弱的，在室温和几千高斯的磁场作用下，热平衡时两能级的粒子数之差与总粒子数之比，只达到 10 的量级。为了提高观测的灵敏度，珀塞尔等人采用了桥式电路（图 4-1） 。射频信号由发生器送到两个谐振回路的输入端，其中一个谐振回路的线圈 环绕着样0L品置于静磁场 中，另一谐振H回路则在磁场之外，它们分别为桥路的两臂。当发生共振时，样品吸收射
24、频场能量使该谐振回路的阻抗变化，桥路便失去平衡，从而有相应的信号送到接收系统。根据不平衡的幅值（或相位） ，便可得到吸收（或发射）信号。珀塞尔在谐振腔内填充了850立方厘米的石蜡作为样品，置于共振产生的磁场在7100高斯和频率29.8兆赫兹上。共振频率经过放大和检波系统，在微安计上显示出来。这是珀塞尔等人的首次成功实验。1945 年 12 月 24 日，珀塞尔等人将在凝聚态中观察到的贺词共振现象写在了固体中核磁共振吸收的一封心中投给了物理评论的编辑部。被观测得物质是置于强度图 4-1第 11 页 共 13 页4.4.3. 布洛赫的核感应实验就在珀塞尔等人发表题为固体中核磁矩的共振吸收的论文一个
25、月之后，布洛赫也在物理评论杂志上发表了核感应的论文，报道了斯坦福小组观测到的水中的核磁共振信号。两个小组对核磁共振现象的发现完全是独立的，方法也有所不同。布洛赫 1934 年到斯坦福大学任教后，对斯特恩 1933 年的实验结果发生了兴趣，想为中子磁矩的存在寻找直接证明。1936 年布洛赫指出，这样的证明可以通过观测慢中子在铁中的散射来达到。1939 年，阿尔瓦雷斯和布洛赫用伯克利加州大学的回旋加速器直接求得了中子的磁矩，但测量的精度不过约为百分之一，主要原因是受限于磁场测量的精度。为了检验氘核磁矩跟中子与质子磁矩叠加的偏差，把测量中子磁矩的精确度提高到千分之几就显得非常的必要了。而找到一种精确
26、测量磁场的方法却不是那么的容易。二战期间布洛赫打算通过射频接收的一般方法来检测核磁矩的重新取向，进而可解决磁场定标问题。于是他进行了大量的理论计算工作。他确信在 1cm3 的水中，质子在几千高斯的磁场中共振时，将会在围绕的线圈上感应出超过接收机噪声的射频电压，信噪比不小于 3。战争结束后，他找到了汉森这个以从事调管工作文明的人，并回到斯坦福大学开展了这个研究。1945 年秋，柏卡德（MPackard）的研究生要求参加这项研究，柏卡德协助汉森管发射和接收，布洛赫管直流磁场。为了完成这项研究他们借到了一台示教用的磁铁并进行了改装。 （图 4-2）在这个装置的磁铁两极之间，有两个轴线相互垂直的线圈其
27、中一个是发射线圈，与射频源相连，另一个是接收线圈，与接收系统相连，两线圈的轴线均与主磁场垂直。布洛赫认为，核磁共振的基本事实在于核磁矩取向的改变。当核磁矩在射频场作用下转向时，宏观磁化矢量随之改变。按照电磁感应定律，这时在接收线圈上便产生一感应电动势。 “核感应” 这个术语就是由此而来。考虑到射频场比探测的信号强得多，所以发射线圈和接收线圈之间的耦合必须相当微弱，因此把它们安排成互相垂直的位置。在共振条件下，射频场使核磁矩转向，并弱耦合到接收线圈作为载波。发射线圈的端部还安装两块半圆形导电片，以调节漏感的幅值和相位，从而可检测到吸收信号或发射信号。 9布洛赫首先决定拿水用作样品。为了缩短弛豫时
28、间他在样品中加了可溶于水的铁硝酸盐。经过几个月的准备，试验开始了。他们把事前处理过的水样品放入装置内，然后接通所有的开关。当射频机构已经工作时，布洛赫去调节磁铁的的电流到预期值，汉森和柏卡德在几码远处盯着示波器，但他们在噪声起伏上面没看到任何信号。因此，汉森想第 12 页 共 13 页去调整一下放大器，并要布洛赫关掉电源。正当布洛赫打开开关时，他们仍然注视这示波器。正在那个时候，听到布洛赫对汉森说：“嘿，你看到吗？刚才是有些东西扫过荧光屏” 。 10汉森认为，这就是他们要找的共振信号。布洛赫等人在第一次观察到核感应信号的成功实验中，射频频率为 7.76MHz，相应的磁场强度为 1 826 高斯
29、。4.4.4. 实际中的应用随着更多的物理学家进入核磁共振这块领域后，这个发现很快的被推向了实际应用并渗透到了化学医学等其他领域。比如，在物理上的应用：可以用来精确测定核磁矩。它可以提高两个数量级。也可以用来精确测定测长，也被用来进行物质结构分析。在化学上的应用：从核磁共振谱仪获得的核磁共振谱可用于鉴定有机化合物结构，根据化学位移可以鉴定有机基团，还可用于化学动力学方面的研究，如分子内旋转、化学交换等。在医学上：通过识别水分子中氢原子信号的分布推测水分子在人体内的分布，进而探测人体内部结构的技术。核磁共振成像技术还可以与 X 射线断层成像技术（CT）结合为临床诊断和生理学、医学研究提供重要数据
30、。 参考文献1 M.H.沙摩斯，物理史上的重要实验M.北京：科学出版社，1985.2432 郭奕玲，沈慧君.诺贝尔物理学奖一百年M.上海：上海科学普及出版社，2002.373 郭奕玲，沈慧君.诺贝尔物理学奖一百年M.上海：上海科学普及出版社，2002.384 郭奕玲，沈慧君.诺贝尔物理学奖一百年M.上海：上海科学普及出版社，2002.385 郭奕玲，大学物理中的著名实验M.北京：科学出版社，1985.1446 郭奕玲，沙振舜，等.著名物理实验及其在物理学发展中的作用M.山东：山东教育出版社，1985，1061097 郭奕玲，沈慧君.诺贝尔物理学奖一百年M.上海：上海科学普及出版社，2002.998 郭奕玲，林木欣.近代物理发展中的著名实验M.湖南：湖南教育出版社，3509 郭奕玲，林木欣.近代物理发展中的著名实验M.湖南：湖南教育出版社，353致 谢在此感谢余国祥老师在本学期的教育,尤其是物理学史上的。通过这学期的讲课，让我们开拓的视野，让我们对物理的历史有更深的体会，由那些物理工作者身上学到科学精神，同时余老师还为我们复习了大学物理知识点，使我们回顾起以往的知识。第 13 页 共 13 页
