实验在物理学发展中的作用

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1、物理学史作业2012 届实验在物理学发展中的作用Ji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。 本文介绍了近代物理学的发展中四个着名的实验以及其在物理学发展中

2、的作用。关键词物理学；物理实验；发展；作唁摘要2引言41. 发现新事物探索新规律4.X射线的发现4X射线的发现的过程4产生的影响52. 验证物理理论5.光电效应的研究5光电效应的发现6勒纳德的新发现6密立根的光电效应实验6研究光电效应的意义73. 测定物理常量7.基本电荷的测定7汤森德电解法7汤姆逊的膨胀云室法8威尔逊的平板电极法8密立根的水珠平衡法8密立根油滴平衡法8e的精确值94. 推广应用新技术9.核磁共振9从核磁矩的研究谈起9珀塞尔小组的共振吸收实验9布洛赫的核感应实验10实际中的应用12参考文献12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

3、%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

4、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，人们发现了乂射线、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。射线的发现图1-1年发现验工 黑纸包 伯氤化 放电管1。这个1901年，首届诺贝尔物理理

5、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 了 X射线。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 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 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 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 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 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

6、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，只有在铜金银铅和伯板在一定厚度时才有较强的吸收。图1-2。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。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 第一张人手乂射线照片（图12）。1895年年底，他以通信方式将这一发现公之于众

7、。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X射线产生的影响由于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。后来乂发展到用于金属探 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，发现了乂射线的衍射现象，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

8、射线具有标识谱线，其波长有特定值，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。2. 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；乂如，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

9、 检验理论的过程中来确定。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。.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 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 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 因斯坦光电效应方程：探性观 可以解 出了爱在光电方程里，遏止电压U应与频率v成正比，在爱因斯坦发表 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）照射下产生的光电流，并不是一 件容易的事。而且由于经

10、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，甚至一些着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。光电效应的发现这篇论图2-2 响。赫兹1887 年，日赫兹(Heinrich Hertz，18571894) 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 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。5密

11、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

12、的照射，同时测图3-2心勺史厂牍峰密S积 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。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， 后来乂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

13、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。.基本电荷的测定J.J.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。汤森德电解法J. J.汤姆生有一位研究生，名叫汤森德(J. S. E. Townsend),他创造了电解法。他

14、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,=X10-i9esu，从带负电的氧得e-=X10-iesu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。汤姆逊的膨胀云室法大约与此同时，J. J.汤姆逊的另一名研究而生在一密闭容器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

15、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X10-i9esu。威尔逊的平板电极法1903年，J. J.汤姆生的另一名研究生H. A.威尔逊又将J. J.汤姆生的方法做了改进。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v2其中，n为空气的粘滞系数，E为电场强度，p水蒸气的密度威尔逊测得的电子电荷e值在X10-10es

16、u至X10-10esu之间，平均为X10-10esu。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，和他得学生济曼一学会了。起使用镭作为电离剂重复威尔逊的实验，并在1908年2月宣读于美国物理这一结果得到卢瑟福的肯定，并指出，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。图3-11909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

17、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=X 10-iesu密立根油滴平衡法1909年12月至1910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。一步，于1913年宣布从油滴测得电子电荷为1910年以后密立根在平衡油滴法的基础上， 步改进实验方法他让油滴在电场力和重力的共 用下，上上下下的运动，从上下运动的速度求油 带电量(图3-2)。如果用X射线或镭照射油滴， 滴所带电量发生改变，就会看到油滴的速度

18、突然 变化，从而求出电荷量的改变的差值。密立根进 研究了斯托克斯定律的有效性对实验结果做了修正 7.e=()X 10-10esu e的精确值1973年开始采用的国际标准值e=X10-19C=X10-10esu4. 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 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。.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

19、共振跃迁现象。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。1911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()、爱斯特曼()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倍而氘核磁矩则在到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

20、了分子束磁共振 方法。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。珀塞尔小组的共振吸收实验945年夏，珀塞尔、托雷(H. C. Torrey)和庞德(R. V. 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日0中核磁矩的能量处于量子化能级，即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，处于低能级的粒子吸收射频场能量而跃迁到高能级

21、; 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”。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 回路的输入端，其中一个谐振回 圈L0环绕着样品置于静磁场H0 谐振回路则在磁场之外，它们分 路的两臂。当发生共振时，样品 频场能量使该谐振回路的阻抗 路便失去平衡，从而有相应的信 接收系统。根据不

22、平衡的幅值调制技期延退线3。兆周-厂反向底动开+ | 弓匚枷敏-* tfr b gu .fflt AS C.R.澈X器音胶 和检波器放大器个谐振 路的线中，另一 别为桥 吸收射 变化，桥 号送到图4-1淫塞米盈/项.去源吸出路（或相信号。位），便可得到吸收（或发射）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布

23、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，

24、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(M. Packard)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

25、 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。布洛赫图布洛耕等人的核感岗电路 IIII I I II II I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。

26、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。布洛赫首先决定拿水用作样品。为了缩短弛豫时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

27、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，相应的磁场强度 为1 826高斯。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。

28、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。参考文献1 .沙摩斯，物理史上的重要实验M.北京：科学出版社，2 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，3 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，4 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，5 郭奕玲，大学物理中的着名实验M.北京：科学出版社，6 郭奕玲，沙振舜，等.着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，8 郭奕玲，林木欣.近代物理发展中的着名实验M.湖南：湖南教育出版社，3509 郭奕玲，林木欣.近代物理发展中的着名实验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。