现代科技 八、物理学危机与物理学革命 (一)19世纪末物理学的三大发现及其意义 1.电子的发现:19世纪下半叶,人们在研究放电现象时发现,在放电管内的气体足够稀薄的情况 下,阴极便发出一种射线,这就是阴极射线。阴极射线究竟是什么东西?英国物理学家J.J汤姆孙指 出,阴极射线为带电微粒所组成。他决心以实验来证明这一点 A.1897年汤姆孙公布了研究结果,既确认了阴极射线是带负电的微粒子流,又测定了这些微粒子 所带电荷与其质量之比即荷质比。据此他推断,构成阴极射线的微粒子的质量比氢离子小得很多 后来他更认定,这种微粒就是基本电荷的负载者,也就是“电子”。 B.电子的发现不仅使电学的研究深入一个层次,而且打破了以往以为原子不可分的传统观念,为 物质结构的研究深入到一个层次开辟了道路 2.X射线的发现:ⅹ射线也是在研究阴极射线时偶然发现的。1895年末,德国物理学家伦琴在研 究阴极射线时偶然注意到一种奇特的现象。他把放电管用黑纸包裏起来在暗室里做实验时,忽然注 意到离放电管几十厘米远的荧屏出现了亮光。他取来书本、木板、铝片等多种物件加以阻挡,看到 其中有些东西能使荧屏停止发光,有些东西则毫无影响。人们已经知道阴极射线是不能穿透玻璃壁 的,伦琴于是断定 放电管在工作时除了产生阴极射线之外,必定还发出第二种穿透力很强而又看不见的射线。为了确 证他的发现和进一步了解这种射线的特性,他连续几个星期废寝忘食地重复他的实验,在这年的年 底公布了他的发现。他称这种射线为“X射线”(“X”通常用于表示“未知”的意思),表明他对这 种射线的本质尚无所知 A.X射线是在研究阴极射线的本质时由德国物理学家伦琴发现的。X射线发现之后,直到1912年 德国物理学家劳厄才证实它是一种波长很短的电磁波。后来人们又弄明白X射线是原子的内层电子跃 迁所产生的电磁辐射 B.X射线的发现扩展了人们对电磁波的认知范围。现在它已经广泛应用于医学,在科学研究上(尤 其是晶体结构的研究)和工业上(如金属制品的探伤)以及在其他许多领域里也有广泛而重要的用途。 3.放射性的发现:当放电管产生阴极射线时,面对阴极的玻璃壁发出荧光,那时有不少人误以为 荧光是X射线的来源,法国巴黎工艺学院教授贝可勒尔也是其中之一。1896年的一天,他把一种能够 发出荧光的物质——硫酸钾铀酰置于用黑纸严密包封的照相底片上,一并放在阳光下照射几个小 时,他的意图是使硫酸钾铀酰发出较强的荧光,用以观察荧光对底片的作用。当他随后检验那些底 片时,看到它们是感光了。他因此以为可以证实X射线是由荧光产生的。但几天以后的事实却表明他 错了。那时巴黎连续两天阴天,他无法继续他的实验,便把那些密封的底片放到黑暗的抽屉里,硫 酸钾铀酰也顺手放在底片上面。又过了几天,他想象那些硫酸钾铀酰未经阳光长时间照射,所发荧 光不强,底片上的暗影必定很淡,于是便把它冲洗出来看个究竟。结果是他看到底片上暗影的颜色 依然很深。他终于认识到,使底片感光的辐射与荧光并没有联系,而只与硫酸钾铀酰这种物质直接 有关。又经过反复的实验研究,几天之后他就弄明白所有铀盐都能自发发出某种辐射,这种辐射不 仅能在照相底片上留下痕迹,并能使气体离子化而成为导电体 A.现在我们把物质能自发产生某种辐射的性质叫做放射性,那些能自行发生辐射的物质叫做放射 性物质。放射性的产生是一种元素的原子蜕变为另一种元素的原子时所发生的现象,这些原子放出 某种粒子后便自发地转变成为另一种元素的原子,直至不再发生蜕变,不再具有放射性。 B.近代科学家都认为一种化学元素是绝对不会变成另一种化学元素的,放射性的发现,使科学 界大为震惊。这一发现不仅在物理学发展史上有重要意义,也开创了后来放射化学研究的新领域
现代科技 八、物理学危机与物理学革命 (一)19世纪末物理学的三大发现及其意义 1．电子的发现：19世纪下半叶，人们在研究放电现象时发现，在放电管内的气体足够稀薄的情况 下，阴极便发出一种射线，这就是阴极射线。阴极射线究竟是什么东西?英国物理学家J．J汤姆孙指 出，阴极射线为带电微粒所组成。他决心以实验来证明这一点。 A．1897年汤姆孙公布了研究结果，既确认了阴极射线是带负电的微粒子流，又测定了这些微粒子 所带电荷与其质量之比即荷质比。据此他推断，构成阴极射线的微粒子的质量比氢离子小得很多。 后来他更认定，这种微粒就是基本电荷的负载者，也就是“电子”。 B．电子的发现不仅使电学的研究深入一个层次，而且打破了以往以为原子不可分的传统观念，为 物质结构的研究深入到一个层次开辟了道路。 2．X射线的发现：X射线也是在研究阴极射线时偶然发现的。1895年末，德国物理学家伦琴在研 究阴极射线时偶然注意到一种奇特的现象。他把放电管用黑纸包裹起来在暗室里做实验时，忽然注 意到离放电管几十厘米远的荧屏出现了亮光。他取来书本、木板、铝片等多种物件加以阻挡，看到 其中有些东西能使荧屏停止发光，有些东西则毫无影响。人们已经知道阴极射线是不能穿透玻璃壁 的，伦琴于是断定， 放电管在工作时除了产生阴极射线之外，必定还发出第二种穿透力很强而又看不见的射线。为了确 证他的发现和进一步了解这种射线的特性，他连续几个星期废寝忘食地重复他的实验，在这年的年 底公布了他的发现。他称这种射线为“X射线”(“X”通常用于表示“未知”的意思)，表明他对这 种射线的本质尚无所知。 A．X射线是在研究阴极射线的本质时由德国物理学家伦琴发现的。X射线发现之后，直到1912年 德国物理学家劳厄才证实它是一种波长很短的电磁波。后来人们又弄明白X射线是原子的内层电子跃 迁所产生的电磁辐射。 B．X射线的发现扩展了人们对电磁波的认知范围。现在它已经广泛应用于医学，在科学研究上(尤 其是晶体结构的研究)和工业上(如金属制品的探伤)以及在其他许多领域里也有广泛而重要的用途。 3．放射性的发现：当放电管产生阴极射线时，面对阴极的玻璃壁发出荧光，那时有不少人误以为 荧光是X射线的来源，法国巴黎工艺学院教授贝可勒尔也是其中之一。1896年的一天，他把一种能够 发出荧光的物质——硫酸钾铀酰置于用黑纸严密包封的照相底片上，一并放在阳光下照射几个小 时，他的意图是使硫酸钾铀酰发出较强的荧光，用以观察荧光对底片的作用。当他随后检验那些底 片时，看到它们是感光了。他因此以为可以证实X射线是由荧光产生的。但几天以后的事实却表明他 错了。那时巴黎连续两天阴天，他无法继续他的实验，便把那些密封的底片放到黑暗的抽屉里，硫 酸钾铀酰也顺手放在底片上面。又过了几天，他想象那些硫酸钾铀酰未经阳光长时间照射，所发荧 光不强，底片上的暗影必定很淡，于是便把它冲洗出来看个究竟。结果是他看到底片上暗影的颜色 依然很深。他终于认识到，使底片感光的辐射与荧光并没有联系，而只与硫酸钾铀酰这种物质直接 有关。又经过反复的实验研究，几天之后他就弄明白所有铀盐都能自发发出某种辐射，这种辐射不 仅能在照相底片上留下痕迹，并能使气体离子化而成为导电体。 A．现在我们把物质能自发产生某种辐射的性质叫做放射性，那些能自行发生辐射的物质叫做放射 性物质。放射性的产生是一种元素的原子蜕变为另一种元素的原子时所发生的现象，这些原子放出 某种粒子后便自发地转变成为另一种元素的原子，直至不再发生蜕变，不再具有放射性。 B．近代科学家都认为一种化学元素是绝对不会变成另一种化学元素的，放射性的发现，使科学 界大为震惊。这一发现不仅在物理学发展史上有重要意义，也开创了后来放射化学研究的新领域
(二)物理学危机的实质 1.危机的产生:19世纪末的三大发现本是世纪之初令人十分振奋的重大事件,然而却使当时的物 理学界十分困惑。过去物理学家们都把元素不变和原子不可分作为物质存在的基本出发点,现在突 然发现这是不正确的。一种元素会转变为另一种元素,原子也不是不可分的,原先的物质概念发生 问题了。那么物质究竟是什么?许多人糊涂了。事情还并不是到此为止,还有一些更为严峻的事实摆 到了物理学家的面前,那就是W.汤姆孙所说的那两朵小小的乌云,它们竟然发展成为狂风暴雨 更加猛烈地冲击着物理学大厦的根基。接二连三出现的事实,使物理学家们产生了这样的错觉,似 乎由他们辛辛苦苦地建造起来的大厦就要坍塌,这就是人们所谓的“物理学危机” 2.危机的实质:物理学天空上的乌云所招致的狂风暴雨并不是物理学自身的危机,它只不过表 明,以往的物理学理论达到了它的认识上的界限。过去那些物理学的观念、理论和方法实际上只适 用于低速运动和宏观领域,当物理学进展到高速运动和微观领域的时候,那一切人们已经十分熟悉 的东西不够用或者不适用了。后来物理学分别建造了相对论和量子论,从此物理学又达到了新的境 界 (三)相对论的基本假设 在狭义相对论中,爱因斯坦提出了这样两个基本假设: 凡对力学方程适用的一切坐标系,对电动力学和光学也同样适用:或者说,物理学定律在所有 惯性系中都是相同的,不存在一种特殊的惯性系。这就是伽利略相对性原理的推广,亦称“狭义相 对性原理” 2.在所有惯性系内,光在真空中的速度与发射体的运动状态无关,亦称“光速不变原理”。 (四)相对论的要点 从两个基本假设出发,爱因斯坦推出了相对论的要点,其内容如下: 1.一个物体相对于观察者静止时,它的长度的测量值最大。如果它相对于观察者以某一速度运 动,它的测量长度要缩短,速度越大缩短越多。或者简单地说:相对于静止的观察者,运动着的尺 子要缩短 2.一个时钟相对于观察者静止时,它走得最快。如果它相对于观察者以某一速度运动,它的走时 要变慢,速度越快走得越慢。或者简单地说,相对于静止的观察者,运动着的时钟要变慢 3.在惯性系中,任何物体的运动速度都不能超过真空中的光速。光速是物体运动速度的极限。 4.如果物体的运动速度比光速小得多,相对论力学就还原为经典力学。 相对论并没有否定经典力学,而是包容了经典力学又高于经典力学,在更高的层次上实现了力 学的综合。相对论的建立是物理学革命的重大成果之一,也是科学发展史上的一个重要里程碑 (五)相对论时空观与绝对时空观的对立 相对论拨开了人们自己造成的迷雾,彻底地否定了作为经典力学基础的绝对时空和时空与物质 不相联系的观念,揭示了时间和空间的统一性,时间、空间与物质运动的统一性,使人们豁然开 朗 牛顿的绝对时空观认为,时间、空间与物质运动没有关系,时间和空间也是完全不同的东西。相 对论证明,时间和空间将随着物质运动状态的改变而改变,时间和空间二者都是物质运动的属性
(二)物理学危机的实质 1．危机的产生：19世纪末的三大发现本是世纪之初令人十分振奋的重大事件，然而却使当时的物 理学界十分困惑。过去物理学家们都把元素不变和原子不可分作为物质存在的基本出发点，现在突 然发现这是不正确的。一种元素会转变为另一种元素，原子也不是不可分的，原先的物质概念发生 问题了。那么物质究竟是什么?许多人糊涂了。事情还并不是到此为止，还有一些更为严峻的事实摆 到了物理学家的面前，那就是W．汤姆孙所说的那两朵小小的乌云，它们竟然发展成为狂风暴雨， 更加猛烈地冲击着物理学大厦的根基。接二连三出现的事实，使物理学家们产生了这样的错觉，似 乎由他们辛辛苦苦地建造起来的大厦就要坍塌，这就是人们所谓的“物理学危机”。 2．危机的实质：物理学天空上的乌云所招致的狂风暴雨并不是物理学自身的危机，它只不过表 明，以往的物理学理论达到了它的认识上的界限。过去那些物理学的观念、理论和方法实际上只适 用于低速运动和宏观领域，当物理学进展到高速运动和微观领域的时候，那一切人们已经十分熟悉 的东西不够用或者不适用了。后来物理学分别建造了相对论和量子论，从此物理学又达到了新的境 界。 (三)相对论的基本假设 在狭义相对论中，爱因斯坦提出了这样两个基本假设： 1．凡对力学方程适用的一切坐标系，对电动力学和光学也同样适用；或者说，物理学定律在所有 惯性系中都是相同的，不存在一种特殊的惯性系。这就是伽利略相对性原理的推广，亦称“狭义相 对性原理”。 2．在所有惯性系内，光在真空中的速度与发射体的运动状态无关，亦称“光速不变原理”。 (四)相对论的要点 从两个基本假设出发，爱因斯坦推出了相对论的要点，其内容如下： 1．一个物体相对于观察者静止时，它的长度的测量值最大。如果它相对于观察者以某一速度运 动，它的测量长度要缩短，速度越大缩短越多。或者简单地说：相对于静止的观察者，运动着的尺 子要缩短。 2．一个时钟相对于观察者静止时，它走得最快。如果它相对于观察者以某一速度运动，它的走时 要变慢，速度越快走得越慢。或者简单地说，相对于静止的观察者，运动着的时钟要变慢。 3．在惯性系中，任何物体的运动速度都不能超过真空中的光速。光速是物体运动速度的极限。 4．如果物体的运动速度比光速小得多，相对论力学就还原为经典力学。 相对论并没有否定经典力学，而是包容了经典力学又高于经典力学，在更高的层次上实现了力 学的综合。相对论的建立是物理学革命的重大成果之一，也是科学发展史上的一个重要里程碑。 (五)相对论时空观与绝对时空观的对立 相对论拨开了人们自己造成的迷雾，彻底地否定了作为经典力学基础的绝对时空和时空与物质 不相联系的观念，揭示了时间和空间的统一性，时间、空间与物质运动的统一性，使人们豁然开 朗。 牛顿的绝对时空观认为，时间、空间与物质运动没有关系，时间和空间也是完全不同的东西。相 对论证明，时间和空间将随着物质运动状态的改变而改变，时间和空间二者都是物质运动的属性
它们不仅与物质、运动不能分割,时间、空间二者也是不可分割的。这便是相对论时空观与绝对时 空观的对立。 相对论关于物质、运动、时间和空间这些基本概念的认识,不仅是科学上的问题,也是具有根 本性的哲学问题,已经使哲学家们不得不重新审查许多传统的概念、理论和方法,这对于哲学的发 展也是很大的推动,至今许多问题仍然在探讨之中。 (六)普朗克的能量子假说及其意义 德国物理学家普朗克长期从事热力学研究,他研究黑体辐射的目的在于决心找到一个与实验事实 相符的公式,使热力学与电动力学在理论上联系起来。经过努力,他终于在1900年提出新的假说, 这就是能量子假说 1.能量子假说认为,物体在发出辐射和吸收辐射时,能量不是连续地变化的,而是跳跃地变化 的,即能量是一份一份地发射和一份一份地吸收的,每一份能量都有一定的数值,这些能量单元称 为“能量子”或“量子” 2.以往人们把物质看作是由不连续的原子所组成的,而表征物质运动的能量则被断定是连续 的,在日常生活里也从来没有见到过能量不连续的现象。能量不连续(或称量子化)的观念与传统的知 识格格不入。量子概念冲破了传统物理学中能量连续观念的束缚,是人类认识史上的又一次飞跃。 (七)爱因斯坦的光量子概念 1905年,爱因斯坦在分析了普朗克的工作之后,敏锐地指出,光具有“粒子性”。他与普朗克不 同,他并不把这种粒子性看作是权宜之计,而是看作光的一种本质属性。他认为如果考察光与物质 相互作用而发生能量交换的时候,则必须认为光的能量是不连续的,或者说是量子化的,不仅在光 发射和吸收的瞬间,而且在光传播过程中,光的能量分布都是不连续的。这就是爱因斯坦的光量子 概念。 (八)物质波的假说 光既具有波动性又具有粒子性的观念深深地打动了法国物理学家德布罗意。1923-1924年间,他连 续发表论文,更大胆地提出假设:既然已知为一种波动的光具有粒子性,那么被认为是粒子的实物 (如电子)也应当具有波动性。他说,每个能在空间中自由运动的粒子都同时具有与它相联系的“物质 波”。他以量子论和相对论的一些结论为出发点,推导出粒子的能量(E)、动量(P)与其相应的物质波 频率(y)、波长(入)之间所具有的关系 德布罗意的物质波只是类比推理的产物,它的真实性只能由实验来检验。德布罗意在1923年发 表的一篇论文中提出:一束电子穿过非常小的小孔,可能产生衍射现象,这也许是从实验上验证我 们想法的方向。1925-1927年间科学家们依循德布罗意的思路分别进行实验,果然得到了电子衍射 图像,按衍射理论计算所得的电子波的波长与德布罗意公式给出的波长完全一致。后来许多实验更 进一步证实,不只是电子,凡是在空间中运动的质子、原子、分子等都具有波动性,波动性是运动 中的物质粒子所普遍具有的性质 (九)从微观粒子的波粒二象性看宏观物体与微观物体的区别 1在宏观领域,我们说到粒子,总意味着那是具有一定质量和不可人性的客体,它在运动时有一定 的轨迹,在与其他粒子相遇时能发生碰撞等等。当我们说到波,就总意味着那是在空间中连续分布 并有某种周期性变化的某种东西,它能够产生干涉和衍射现象等等。实物和波是两种完全不同的概
它们不仅与物质、运动不能分割，时间、空间二者也是不可分割的。这便是相对论时空观与绝对时 空观的对立。 相对论关于物质、运动、时间和空间这些基本概念的认识，不仅是科学上的问题，也是具有根 本性的哲学问题，已经使哲学家们不得不重新审查许多传统的概念、理论和方法，这对于哲学的发 展也是很大的推动，至今许多问题仍然在探讨之中。 (六)普朗克的能量子假说及其意义 德国物理学家普朗克长期从事热力学研究，他研究黑体辐射的目的在于决心找到一个与实验事实 相符的公式，使热力学与电动力学在理论上联系起来。经过努力，他终于在1900年提出新的假说， 这就是能量子假说。 1．能量子假说认为，物体在发出辐射和吸收辐射时，能量不是连续地变化的，而是跳跃地变化 的，即能量是一份一份地发射和一份一份地吸收的，每一份能量都有一定的数值，这些能量单元称 为“能量子”或“量子”。 2．以往人们把物质看作是由不连续的原子所组成的，而表征物质运动的能量则被断定是连续 的，在日常生活里也从来没有见到过能量不连续的现象。能量不连续(或称量子化)的观念与传统的知 识格格不入。量子概念冲破了传统物理学中能量连续观念的束缚，是人类认识史上的又一次飞跃。 (七)爱因斯坦的光量子概念 1905年，爱因斯坦在分析了普朗克的工作之后，敏锐地指出，光具有“粒子性”。他与普朗克不 同，他并不把这种粒子性看作是权宜之计，而是看作光的一种本质属性。他认为如果考察光与物质 相互作用而发生能量交换的时候，则必须认为光的能量是不连续的，或者说是量子化的，不仅在光 发射和吸收的瞬间，而且在光传播过程中，光的能量分布都是不连续的。这就是爱因斯坦的光量子 概念。 (八)物质波的假说 光既具有波动性又具有粒子性的观念深深地打动了法国物理学家德布罗意。 1923-1924年间，他连 续发表论文，更大胆地提出假设：既然已知为一种波动的光具有粒子性，那么被认为是粒子的实物 (如电子)也应当具有波动性。他说，每个能在空间中自由运动的粒子都同时具有与它相联系的“物质 波”。他以量子论和相对论的一些结论为出发点，推导出粒子的能量 (E)、动量(P)与其相应的物质波 频率(v)、波长(入)之间所具有的关系。 德布罗意的物质波只是类比推理的产物，它的真实性只能由实验来检验。德布罗意在1923年发 表的一篇论文中提出：一束电子穿过非常小的小孔，可能产生衍射现象，这也许是从实验上验证我 们想法的方向。1925—1927年间科学家们依循德布罗意的思路分别进行实验，果然得到了电子衍射 图像，按衍射理论计算所得的电子波的波长与德布罗意公式给出的波长完全一致。后来许多实验更 进一步证实，不只是电子，凡是在空间中运动的质子、原子、分子等都具有波动性，波动性是运动 中的物质粒子所普遍具有的性质。 (九)从微观粒子的波粒二象性看宏观物体与微观物体的区别 1.在宏观领域，我们说到粒子，总意味着那是具有一定质量和不可人性的客体，它在运动时有一定 的轨迹，在与其他粒子相遇时能发生碰撞等等。当我们说到波，就总意味着那是在空间中连续分布 并有某种周期性变化的某种东西，它能够产生干涉和衍射现象等等。实物和波是两种完全不同的概 念
与宏观物体不同,微观粒子在运动中没有确切的运动轨道,我们不可能准确地指出它的位置。描 述物质波的波函数所表征的是该粒子某时在某处出现的概率(或称几率)。微观世界里的这种现象,称 为“波粒二象性”。一切微观客体都具有波粒二象性,我们不可能用经典力学的概念来描述微观粒 子的运动 2.在宏观世界里,只要我们知道某物的初始状态,根据经典力学的运动方程就可以确知它经过 定时间以后的状态,它遵循着严格的因果关系。但是在微观世界里,粒子的运动只能以统计的方法 来描述,它并不遵循严格的因果规律。 以上几点说明了,微观粒子因其具有的波粒二象性,带来了一连串与宏观世界截然不同的特 性。所谓测不准原理正是这种特性的集中表现 (十)测不准原理 测不准原理指出:不可能以实验的方法同时准确地测定微观粒子的位置和动量:微观粒子的能 量和时间的测量也有类似的关系。这两对量之所以不可能同时测准,并非仪器的精度或者测量技术 的限制所致,而是微观粒子的波粒二象性所决定的。 (十-)同位素 所谓同位素是指它们在元素周期表中占有同一个位置,即它们的原子序数相同,化学性质相 同,但是它们的原子量和放射性并不相同 九、原子内部世界的探索 (一)关子原子结构的卢瑟福模型和波尔模型的要点 卢瑟福模型是在硏究。粒子穿透金属箔的实验中建立的。在卢瑟福以前,曾经发现电子的汤姆 孙提出了这样一个原子模型:他认为原子就像一只葡萄干面包,带正电的部分就像液体一样均匀地 充满在原子中,电子犹如葡萄干也是均匀地散落在带正电的部分中。卢瑟福通过实验发现,原子内 部并非是充满的,带正电的部分也不是均匀分布的。他提出了这样一个模型,其要点是: A.原子内部的大部分空间是空虚的,它的中心有一个体积很小、质量较大、带正电的核,原子的 全部正电荷都集中在这个核上,带负电的电子则以某种方式分布于核外的空间中。这就是原子结构 的“有核模型” B.卢瑟福把他所设想的模型与太阳系相类比。在太阳系里,太阳位于中心,它占有太阳系的绝大 部分质量;在原子内部,原子核位于中心,它占有原子的绝大部分质量,原子核带正电,电子带负 电,它们之间依靠与距离平方成反比的静电作用相联系,因此,电子很可能是有如行星绕太阳旋转 那样绕核旋转。 2.卢瑟福提出了原子的有核模型之后,遇到的一个最大困难便是,按照经典物理学不能说明电子 绕原子核旋转的稳定性问题。因为电子在绕核旋转时,不断消耗能量,最终将落到原子核上去。为 解决电子绕原子核运动的稳定性问题,玻尔提岀了他的量子化模型。玻尔把有核结构的思想与能量 子假说结合起来,对卢瑟福的模型加以修正。玻尔模型的要点是 A.他认为,可以假定原子内部的电子只能在具有一定能量的特定轨道上运行,而不能在任意轨 道上运行。电子在这些轨道上运行时,既不吸收能量也不辐射能量。电子所处的轨道不同,它的能 量也不一样。在离核近的轨道上它的能量较低,在离核远的轨道上它的能量较高。或者说,在原子 内部,表征电子能量的电子运动轨道不是连续变化的,而是量子化的
与宏观物体不同，微观粒子在运动中没有确切的运动轨道，我们不可能准确地指出它的位置。描 述物质波的波函数所表征的是该粒子某时在某处出现的概率(或称几率)。微观世界里的这种现象，称 为“波粒二象性”。一切微观客体都具有波粒二象性，我们不可能用经典力学的概念来描述微观粒 子的运动。 2．在宏观世界里，只要我们知道某物的初始状态，根据经典力学的运动方程就可以确知它经过一 定时间以后的状态，它遵循着严格的因果关系。但是在微观世界里，粒子的运动只能以统计的方法 来描述，它并不遵循严格的因果规律。 以上几点说明了，微观粒子因其具有的波粒二象性，带来了一连串与宏观世界截然不同的特 性。所谓测不准原理正是这种特性的集中表现。 (十)测不准原理 测不准原理指出：不可能以实验的方法同时准确地测定微观粒子的位置和动量；微观粒子的能 量和时间的测量也有类似的关系。这两对量之所以不可能同时测准，并非仪器的精度或者测量技术 的限制所致，而是微观粒子的波粒二象性所决定的。 (十一)同位素 所谓同位素是指它们在元素周期表中占有同一个位置，即它们的原子序数相同，化学性质相 同，但是它们的原子量和放射性并不相同。 九、原子内部世界的探索 (一)关子原子结构的卢瑟福模型和波尔模型的要点 1．卢瑟福模型是在研究。粒子穿透金属箔的实验中建立的。在卢瑟福以前，曾经发现电子的汤姆 孙提出了这样一个原子模型：他认为原子就像一只葡萄干面包，带正电的部分就像液体一样均匀地 充满在原子中，电子犹如葡萄干也是均匀地散落在带正电的部分中。卢瑟福通过实验发现，原子内 部并非是充满的，带正电的部分也不是均匀分布的。他提出了这样一个模型，其要点是： A．原子内部的大部分空间是空虚的，它的中心有一个体积很小、质量较大、带正电的核，原子的 全部正电荷都集中在这个核上，带负电的电子则以某种方式分布于核外的空间中。这就是原子结构 的“有核模型”。 B．卢瑟福把他所设想的模型与太阳系相类比。在太阳系里，太阳位于中心，它占有太阳系的绝大 部分质量；在原子内部，原子核位于中心，它占有原子的绝大部分质量，原子核带正电，电子带负 电，它们之间依靠与距离平方成反比的静电作用相联系，因此，电子很可能是有如行星绕太阳旋转 那样绕核旋转。 2．卢瑟福提出了原子的有核模型之后，遇到的一个最大困难便是，按照经典物理学不能说明电子 绕原子核旋转的稳定性问题。因为电子在绕核旋转时，不断消耗能量，最终将落到原子核上去。为 解决电子绕原子核运动的稳定性问题，玻尔提出了他的量子化模型。玻尔把有核结构的思想与能量 子假说结合起来，对卢瑟福的模型加以修正。玻尔模型的要点是： A．他认为，可以假定原子内部的电子只能在具有一定能量的特定轨道上运行，而不能在任意轨 道上运行。电子在这些轨道上运行时，既不吸收能量也不辐射能量。电子所处的轨道不同，它的能 量也不一样。在离核近的轨道上它的能量较低，在离核远的轨道上它的能量较高。或者说，在原子 内部，表征电子能量的电子运动轨道不是连续变化的，而是量子化的
B.既然原子里面的电子轨道不是任意的,它们的能量也不是任意的,电子只能在特定的轨道上 运行,电子的能量变化只能在特定的能级之间跳跃,那么原子的稳定性和原子的线状光谱也就都能 得到合理的说明了。玻尔模型的建立是原子结构研究的重大进展,也是量子理论发展的重要里程 碑。它的出现立即引起物理学界的关注 (二)中子的发现及其意义 1.中子的发现: A.原子的有核模型的建立及放射性的发现使人们想到,既然一种元素的原子核可以转变为另一元 素的原子核,那么不同元素的原子核必定会有不同的成分或结构 B人们用人工方法可以使一种元素转化为另一种元素。以粒子轰击多种轻元素都能够得到质子 这就表明质子必定是原子核的组成部分,原子核的大门终于被打开了 原子就其整体而言是呈电中性的,质子的电量必定与电子的电量相等,原子核中的质子数也应当 与核外的电子数相等。人们曾经猜想,原子核就是由质子组成的,如果属实,则原子的质量就是这 些质子的质量的总和(核外电子的质量可以被忽略,因为每个电子的质量只有质子质量的1/1836)。 D.同位素的大量发现也促使人们思考。同种元素的同位素原子,核的电荷数完全相同,而它们的 质量却不相同。为什么同一种元素会有不同质量的同位素呢?同位素之间在原子核结构上有什么不同 呢?1920年卢瑟福提出了一个想法:原子核内可能存在着一种质量与质子相同的中性粒子。随后有人 把这种尚未发现的粒子称为“中子” E.卢瑟福的学生查德威克相信他的老师“可能存在中性粒子”的想法,努力寻找这种粒子。1932 年,查德威克宣告卢瑟福的预言得到证实。中子的发现是继放射性发现之后核物理学的又一重大成 果。在查德威克之后,许多人的实验进一步证明,轰击多种元素的原子核都能得到这种中性粒子, 表明它的确是原子核的一个组成部分。 2.意义:从中子发现的历史中我们可以看到一个合理的假说多么重要,它常常能引导人们发现 新的事实和揭示出前所未知的规律,没有或者不注意这些假说,唾手可得的成果也可能失之交臂 (三)“质子一中子”假说 中子发现之后,海森伯和前苏联物理家伊万年柯分别独立地提出原子核结构的“质子一中 子”假说,这一假说认为,原子核是由质子和中子构成的。按照这一假说,如果一种元素的原子核 内有Z个质子和N个中子,则这种元素的原子序数等于质子数Z,质量数等于核内质子数和中子数之 和(Z+N)。一种元素的同位素之所以有相同的原子序数和不相同的原子量数,是由于它们的质子数相 同而中子数不同 (四)重核裂变和链式反应及其利用 1.重核裂变:用中子轰击重元素的原子核(例如铀核),使其分裂为大致相等的两半,并放出更 多的中子,同时放出巨大能量的过程。这巨大的能量来源于原子核的分裂。在原子核的分裂中,由 于原子的质量有所损失,这部分亏损的质量便转化为巨大的能量 2。链式反应:重核裂变的类型有多种,不同类型的核裂变所放出的中子数目也不相同。假定一个 铀核分裂时放出两个中子,这两个中子使两个铀核发生裂变并产生四个中子,再使四个铀核裂变, 产生更多的中子,如此下去,铀核裂变就将自发地继续进行,形成了“链式反应”。在实现链式反 应时,一瞬间就会有千千万万个铀核分裂,它们几乎同时放出的能量将巨大无比 3.利用重核裂变和链式反应的发现,美国于1945年成功地试爆了第一颗原子弹,并于同年8月在日 本投下两颗原子弹。我国在1964年10月也成功地试爆了第一颗原子弹。原子能的和平利用始于前苏
B．既然原子里面的电子轨道不是任意的，它们的能量也不是任意的，电子只能在特定的轨道上 运行，电子的能量变化只能在特定的能级之间跳跃，那么原子的稳定性和原子的线状光谱也就都能 得到合理的说明了。玻尔模型的建立是原子结构研究的重大进展，也是量子理论发展的重要里程 碑。它的出现立即引起物理学界的关注。 (二)中子的发现及其意义 1．中子的发现： A．原子的有核模型的建立及放射性的发现使人们想到，既然一种元素的原子核可以转变为另一元 素的原子核，那么不同元素的原子核必定会有不同的成分或结构。 B.人们用人工方法可以使一种元素转化为另一种元素。以粒子轰击多种轻元素都能够得到质子， 这就表明质子必定是原子核的组成部分，原子核的大门终于被打开了。 原子就其整体而言是呈电中性的，质子的电量必定与电子的电量相等，原子核中的质子数也应当 与核外的电子数相等。人们曾经猜想，原子核就是由质子组成的，如果属实，则原子的质量就是这 些质子的质量的总和(核外电子的质量可以被忽略，因为每个电子的质量只有质子质量的1／1836)。 D．同位素的大量发现也促使人们思考。同种元素的同位素原子，核的电荷数完全相同，而它们的 质量却不相同。为什么同一种元素会有不同质量的同位素呢?同位素之间在原子核结构上有什么不同 呢?1920年卢瑟福提出了一个想法：原子核内可能存在着一种质量与质子相同的中性粒子。随后有人 把这种尚未发现的粒子称为“中子”。 E．卢瑟福的学生查德威克相信他的老师“可能存在中性粒子”的想法，努力寻找这种粒子。1932 年，查德威克宣告卢瑟福的预言得到证实。中子的发现是继放射性发现之后核物理学的又一重大成 果。在查德威克之后，许多人的实验进一步证明，轰击多种元素的原子核都能得到这种中性粒子， 表明它的确是原子核的一个组成部分。 2．意义：从中子发现的历史中我们可以看到一个合理的假说多么重要，它常常能引导人们发现 新的事实和揭示出前所未知的规律，没有或者不注意这些假说，唾手可得的成果也可能失之交臂。 (三)“质子一中子”假说 中子发现之后，海森伯和前苏联物理家伊万年柯分别独立地提出原子核结构的“质子—中 子”假说，这一假说认为，原子核是由质子和中子构成的。按照这一假说，如果一种元素的原子核 内有Z个质子和N个中子，则这种元素的原子序数等于质子数Z，质量数等于核内质子数和中子数之 和(Z+N)。一种元素的同位素之所以有相同的原子序数和不相同的原子量数，是由于它们的质子数相 同而中子数不同。 (四)重核裂变和链式反应及其利用 1．重核裂变：用中子轰击重元素的原子核(例如铀核)，使其分裂为大致相等的两半，并放出更 多的中子，同时放出巨大能量的过程。这巨大的能量来源于原子核的分裂。在原子核的分裂中，由 于原子的质量有所损失，这部分亏损的质量便转化为巨大的能量。 2。链式反应：重核裂变的类型有多种，不同类型的核裂变所放出的中子数目也不相同。假定一个 铀核分裂时放出两个中子，这两个中子使两个铀核发生裂变并产生四个中子，再使四个铀核裂变， 产生更多的中子，如此下去，铀核裂变就将自发地继续进行，形成了“链式反应”。在实现链式反 应时，一瞬间就会有千千万万个铀核分裂，它们几乎同时放出的能量将巨大无比。 3．利用重核裂变和链式反应的发现，美国于1945年成功地试爆了第一颗原子弹，并于同年8月在日 本投下两颗原子弹。我国在1964年10月也成功地试爆了第一颗原子弹。原子能的和平利用始于前苏
联。目前全世界利用原子能所发的电量,已占总发电量的六分之 (五)轻核聚变及其利用 l。轻核聚变:当轻原子核在极高的温度和极大的压力下非常靠近时,它们聚合在一起而形成新的 原子核并释放出能量,这就是“轻核聚变”。这样的反应只有在非常高的温度(107K以上)时才会发 生,所以也叫做“热核反应 2.轻核聚变的利用:核聚变所释放的能量比核裂变大得多,科学家想到能否加以利用的问题, 但是怎样才能获得产生核聚变所必须的高温?原子弹爆炸给人们提供了一种可能性。循此思路 年∏1月美国以原子弹引爆了第一个热核装置,也就是爆炸了第一颗氢弹。随后各国竟相硏制氢弹 我国1967年6月爆炸了自行研制的第一颗氢弹。 十、20世纪的化学及其发展 ()对元素周期律的新认识 物理学的进展使人们改变了对元素、原子这些基本概念的看法,使得元素周期律这一原先只是纯 粹经验性的规律得到了理论上的阐明。 1.物理学关于原子结构的理论告诉我们:一种元素的原子序数等于它的原子核的电荷数,亦即等 于它的核外电子数 2.进一步的研究又发现核外电子的层次分布有一定的规律,各元素的最外层电子为18个,最多 不超过8个。最外层电子的数目越少,元素的性质越活泼。外层电子的数目越多,元素的性质越稳 定,外层电子达到8个的元素最为稳定 3.元素外层电子的数目以8为周期的变化,帮助人们弄清楚了元素周期律实际上是原子外层电子 数的周期性的表现, 4.同时也就指明元素周期表应按原子序数排列而不应按原子量的大小排列。 (二)元素的人工合成 随着人们对原子结构的了解和人工放射性的实现,现在科学家们不仅已经完全填补了原先周期 表中的空缺,而且继续发现了许多前所未知的元素。门捷列夫的周期表只列到第92号元素一一铀。 后来人们用中子轰击重元素的原子核,使它发生p衰变,从而形成新核,转化为另一种元素。这些人 工合成的元素全是放射性元素。从第93号元素开始,都是采取这样的方法制造出来的,现在第112号 元素也已合成。 (三)化学键的概念 化学家们以一短线表示原子间按一定比例的结合,如NaCl(氯化钠)、HH(氢分子)、 I(水分子)等等,其中的短线称为“化学键 在原子中,那些失去电子的原子显正电性(即成为正离子),夺得电子的原子呈负电性(即成为负 离子),正离子与负离子因静电引力的作用而结合。人们把这种因静电库仑力而形成的正负离子间的 价键称为“电价键” 2.原子还可以另一种非极性键而结合,两个或多个原子可以共有一对或多对电子,从而形成稳定 的分子。这种共有电子的情况就是分子的“共价键
联。目前全世界利用原子能所发的电量，已占总发电量的六分之一。 (五)轻核聚变及其利用 1。轻核聚变：当轻原子核在极高的温度和极大的压力下非常靠近时，它们聚合在一起而形成新的 原子核并释放出能量，这就是“轻核聚变”。这样的反应只有在非常高的温度(107K以上)时才会发 生，所以也叫做“热核反应”。 2．轻核聚变的利用：核聚变所释放的能量比核裂变大得多，科学家想到能否加以利用的问题， 但是怎样才能获得产生核聚变所必须的高温?原子弹爆炸给人们提供了一种可能性。循此思路，1952 年11月美国以原子弹引爆了第一个热核装置，也就是爆炸了第一颗氢弹。随后各国竟相研制氢弹。 我国1967年6月爆炸了自行研制的第一颗氢弹。 十、20世纪的化学及其发展 (一)对元素周期律的新认识 物理学的进展使人们改变了对元素、原子这些基本概念的看法，使得元素周期律这一原先只是纯 粹经验性的规律得到了理论上的阐明。 1．物理学关于原子结构的理论告诉我们：一种元素的原子序数等于它的原子核的电荷数，亦即等 于它的核外电子数。 2．进一步的研究又发现核外电子的层次分布有一定的规律，各元素的最外层电子为l一8个，最多 不超过8个。最外层电子的数目越少，元素的性质越活泼。外层电子的数目越多，元素的性质越稳 定，外层电子达到8个的元素最为稳定。 3．元素外层电子的数目以8为周期的变化，帮助人们弄清楚了元素周期律实际上是原子外层电子 数的周期性的表现， 4．同时也就指明元素周期表应按原子序数排列而不应按原子量的大小排列。 (二)元素的人工合成 随着人们对原子结构的了解和人工放射性的实现，现在科学家们不仅已经完全填补了原先周期 表中的空缺，而且继续发现了许多前所未知的元素。门捷列夫的周期表只列到第92号元素——铀。 后来人们用中子轰击重元素的原子核，使它发生 p衰变，从而形成新核，转化为另一种元素。这些人 工合成的元素全是放射性元素。从第93号元素开始，都是采取这样的方法制造出来的，现在第112号 元素也已合成。 (三)化学键的概念 化学家们以一短线表示原子间按一定比例的结合，如Na—C1(氯化钠)、H—H (氢分子)、H—0— H(水分子)等等，其中的短线称为“化学键”。 1．在原子中，那些失去电子的原子显正电性(即成为正离子)，夺得电子的原子呈负电性(即成为负 离子)，正离子与负离子因静电引力的作用而结合。人们把这种因静电库仑力而形成的正负离子间的 价键称为“电价键”。 2．原子还可以另一种非极性键而结合，两个或多个原子可以共有一对或多对电子，从而形成稳定 的分子。这种共有电子的情况就是分子的“共价键
(四)有机合成的主要成就 上个世纪人们致力于合成自然界本来就存在的有机物,现在则以合成自然界原来并不存在的有机 物为主要目标。 次世界大战之前,人们就已经以石油为原料生产一些醇类、杀虫剂、合成树脂和合成橡胶 等。二次大战期间,随着塑料、合成纤维制造业的的兴起,逐渐形成了以石油和天然气为原料的石 油化学工业大发展的势头 2.人工合成药物在有机合成产品中占有重要的位置。磺胺类药物的合成是一项重大成果。抗生素 的提取成功是合成药物的又一重大成就。,现在一些抗生素已经进入半人工合成或全人工合成的阶 段。维生素的合成也是药物化学的重大成果 3.天然有机物的合成中以蛋白质的合成最为重要,我国科学家在这个领域里也取得了令世人瞩 目的成果。1958年,我国化学家开始了牛胰岛素的人工合成的研究,经过七年的艰苦努力,终于在 1965年9月首次人工合成了结晶牛胰岛素,生物活力试验证明它与天然牛胰岛素的特性一致,这是我 国科学界的一项重大成就。 (五)高分子合成的主要成就 用高分子合成的方法制成了合成橡胶、合成纤维和塑料这三大合成材料: 合成橡胶:天然橡胶资源有限,橡胶树的种植也受各种自然条件的限制,而汽车工业的勃兴又 迫切需要大量橡胶轮胎,橡胶的人工合成于是成了化学家们的重大课题。这项研究是从天然橡胶的 化学组成及其结构分析开始的。1912年德国人首先制成了人工合成橡胶汽车轮胎:1932年苏联人开 始了丁钠橡胶的大规模生产,同年美国的杜邦公司也开始了氯丁橡胶的工业化生产。后来人们更合 成了多种性能各异的橡胶以满足各方面不同的需要。有人估计,目前世界上的橡胶制品大约有70% 以上都是由合成橡胶制成的。 2.合成纤维:人工合成高分子化合物研究的另一重大成果是合成纤维的发明。从1912年德国化学 家制成第一种合成纤维开始,人们相继合成了“锦纶”、“涤纶”、“腈纶”、“丙纶”和“维尼 纶”共五种重要合成纤维。目前许多性能不同、用途各异的合成纤维新品种仍在不断地问世。合成 纤维已经成为人们生产和生活不可缺少的重要材料。据估计,现在世界上合成纤维制品已占全部纤 维制品的三分之一以上 3.塑料:人工高分子合成的第三大类重要产品是合成塑料。聚乙烯是当今世界上产量最大的塑 料品种,它有很好的电绝缘性,早期大量用作电缆的绝缘材料。大约50年代,化学家又合成了聚丙 烯,这也是一种用途广泛、性能优良的合成塑料。属于聚乙烯型和聚丙烯型的重要塑料产品还有多 种,如今塑料制品的使用已遍及一切领域,塑料工业已经成为现代社会的基础材料工业之 十一、现代生物科学成就 (-)孟德尔的遗传因子假说 孟德尔是奧地利的神父,但他有很高的科学素养。他长期从事豌豆的杂交实验并发现了生物遗 传的规律。为了解释这些发现,他提出了遗传因子假说。他认为,在生物的生殖细胞中必定含有代 表其性状的相互独立的成分,即“遗传因子”,这些因子的一半来自父体,一半来自母体。如果来 自父体和来自母体的代表某种性状的遗传因子相同,就是同质结合,所得子代为纯种;如果来自父 母的遗传因子不同,即为异质结合,所得子代为杂种。他特别强调,遗传因子在生殖过程中是分别 独立地起作用的,并不互相冲淡或融合。这就打破了在遗传学中长期存在的“混血”的概念
(四)有机合成的主要成就 上个世纪人们致力于合成自然界本来就存在的有机物，现在则以合成自然界原来并不存在的有机 物为主要目标。 1．二次世界大战之前，人们就已经以石油为原料生产一些醇类、杀虫剂、合成树脂和合成橡胶 等。二次大战期间，随着塑料、合成纤维制造业的的兴起，逐渐形成了以石油和天然气为原料的石 油化学工业大发展的势头。 2．人工合成药物在有机合成产品中占有重要的位置。磺胺类药物的合成是一项重大成果。抗生素 的提取成功是合成药物的又一重大成就。，现在一些抗生素已经进入半人工合成或全人工合成的阶 段。维生素的合成也是药物化学的重大成果。 3．天然有机物的合成中以蛋白质的合成最为重要，我国科学家在这个领域里也取得了令世人瞩 目的成果。1958年，我国化学家开始了牛胰岛素的人工合成的研究，经过七年的艰苦努力，终于在 1965年 9月首次人工合成了结晶牛胰岛素，生物活力试验证明它与天然牛胰岛素的特性一致，这是我 国科学界的一项重大成就。 (五)高分子合成的主要成就 用高分子合成的方法制成了合成橡胶、合成纤维和塑料这三大合成材料： 1．合成橡胶：天然橡胶资源有限，橡胶树的种植也受各种自然条件的限制，而汽车工业的勃兴又 迫切需要大量橡胶轮胎，橡胶的人工合成于是成了化学家们的重大课题。这项研究是从天然橡胶的 化学组成及其结构分析开始的。1912年德国人首先制成了人工合成橡胶汽车轮胎； 1932年苏联人开 始了丁钠橡胶的大规模生产，同年美国的杜邦公司也开始了氯丁橡胶的工业化生产。后来人们更合 成了多种性能各异的橡胶以满足各方面不同的需要。有人估计，目前世界上的橡胶制品大约有70％ 以上都是由合成橡胶制成的。 2．合成纤维：人工合成高分子化合物研究的另一重大成果是合成纤维的发明。从1912年德国化学 家制成第一种合成纤维开始，人们相继合成了“锦纶”、“涤纶”、“腈纶”、“丙纶”和“维尼 纶”共五种重要合成纤维。目前许多性能不同、用途各异的合成纤维新品种仍在不断地问世。合成 纤维已经成为人们生产和生活不可缺少的重要材料。据估计，现在世界上合成纤维制品已占全部纤 维制品的三分之一以上。 3．塑料：人工高分子合成的第三大类重要产品是合成塑料。聚乙烯是当今世界上产量最大的塑 料品种，它有很好的电绝缘性，早期大量用作电缆的绝缘材料。大约50年代，化学家又合成了聚丙 烯，这也是一种用途广泛、性能优良的合成塑料。属于聚乙烯型和聚丙烯型的重要塑料产品还有多 种，如今塑料制品的使用已遍及一切领域，塑料工业已经成为现代社会的基础材料工业之一 十一、现代生物科学成就 (一)孟德尔的遗传因子假说 孟德尔是奥地利的神父，但他有很高的科学素养。他长期从事豌豆的杂交实验并发现了生物遗 传的规律。为了解释这些发现，他提出了遗传因子假说。他认为，在生物的生殖细胞中必定含有代 表其性状的相互独立的成分，即“遗传因子”，这些因子的一半来自父体，一半来自母体。如果来 自父体和来自母体的代表某种性状的遗传因子相同，就是同质结合，所得子代为纯种；如果来自父 母的遗传因子不同，即为异质结合，所得子代为杂种。他特别强调，遗传因子在生殖过程中是分别 独立地起作用的，并不互相冲淡或融合。这就打破了在遗传学中长期存在的“混血”的概念
(二)摩尔根的基因论 摩尔根在果蝇实验的基础上于1926年提出他的基因论。他认为 生物体的种种性状取决于生殖细胞中成对的基因,基因是染色体上分立的遗传单位,它们形成 数目的连锁群 2.在生殖细胞成熟时,成对的两个基因依孟德尔分离律而分离,于是每个生殖细胞只含一组基 因 3.不同连锁群内的基因依孟德尔自由组合律而重新组合 4.相应的连锁群内的基因有时也发生有秩序的交换,交换的频率可以提供有关连锁群内基因线 性排列的证据,同时也能表明基因之间的相对位置。 (三)DNA的结构与功能 1.DNA的结构:美国生物学家沃森和英国结晶学家克里克,从1951年起致力于DNA分子结构的 研究,他们利用了同行们的研究成果,经过艰苦细致的工作,于1953初提出了DNA分子的双螺旋结 构模型。他们认为,DNA的分子是由两条相当长的多核苷酸链围绕着同一中轴右向旋转而构成的双 螺旋,其结枃就像一架螺旋形的梯子。梯子的外侧是两条由脱氧核糖和磷酸交替并列而形成的核苷 酸主链,两条链的内侧以碱基相联结,但是两链之间的碱基只能以A—T或GC相对应的方式联结而 形成碱基对,成对的碱基则由氢键联接,这种排布方式叫做碱基配对原则。在DNA分子中,相互对 应的碱基称为互补碱基,两条核苷酸链则称为互补链 2.DNA的功能:DNA的分子结构已表明,它足以担当遗传信息携带者的角色。因为千差万别的 生物体及其各个部分的构 造和功能的差异,在于它们由各不相同的蛋白质所构成,而不同蛋白质问的差异则由它们所含氨基 酸的类型、数目和排列顺序不同所决定。分子生物学的研究表明,在蛋白质合成的过程中,DNA分 子上碱基韵排列状况决定了氨基酸的装配顺序,起着模板的作用。DNA分子的碱基排列顺序实际上 就是遗传密。DNA分子中四种。碱基是以三个碱基为一组来编排密码的,这种组合被称为“三联 体”或“密码子”。由于组成蛋白质的氨基酸的种类、数目和顺序都是由DNA决定的,所以DNA分 子化学结构的探明是揭开生物遗传奥秘的关键性的一步。生命科学的研究从此进人了分子生物学的 新纪元 (四)生态学的任务及意义 生态学把人与自然环境和所有生物种群看作是一个经历了漫长历史年代所形成的系统。在这个系 统内部,所有生物群落与其生存环境之间,生物群落内不同种群之间总是不断地进行物质、能量和 信息的交换,并处于相互作用、相互影响的动态平衡之中。 生态学的任务在于研究生物与环境的交互关系和研究生物彼此间的交互关系,弄清楚生态系统 的机制,最终的目标是使人类成为生态系统中的自觉的成员,为自己保有一个能使自己生存和发展 的良好的生态系统。现代生态学的研究广泛运用环境考察、实验室研究、数理统计、数学模型等种 种先进的方法和手段,已经取得许多成果,在环境保护、建设规划等方面发挥了积极的作用。 (五)细胞工程及其应用 细胞工程技术即细胞水平上的杂交技术,主要包括细胞融合技术和细胞间的遗传物质转移技术。人 们运用细胞融合技术制造出了可用于早期诊断癌症和内脏功能障碍的单克隆抗体;“向日葵 豆”和“土豆一番茄”的培育已初获成功:小麦与蚕豆、小麦与玉米、水稻与豌豆的体细胞杂交实
(二)摩尔根的基因论 摩尔根在果蝇实验的基础上于1926年提出他的基因论。他认为 1．生物体的种种性状取决于生殖细胞中成对的基因，基因是染色体上分立的遗传单位，它们形成 一定数目的连锁群； 2．在生殖细胞成熟时，成对的两个基因依孟德尔分离律而分离，于是每个生殖细胞只含一组基 因； 3．不同连锁群内的基因依孟德尔自由组合律而重新组合； 4．相应的连锁群内的基因有时也发生有秩序的交换，交换的频率可以提供有关连锁群内基因线 性排列的证据，同时也能表明基因之间的相对位置。 (三)DNA的结构与功能 1．DNA的结构：美国生物学家沃森和英国结晶学家克里克，从1951年起致力于 DNA分子结构的 研究，他们利用了同行们的研究成果，经过艰苦细致的工作，于 1953初提出了DNA分子的双螺旋结 构模型。他们认为，DNA的分子是由两条相当长的多核苷酸链围绕着同一中轴右向旋转而构成的双 螺旋，其结构就像一架螺旋形的梯子。梯子的外侧是两条由脱氧核糖和磷酸交替并列而形成的核苷 酸主链，两条链的内侧以碱基相联结，但是两链之间的碱基只能以A—T或G—C相对应的方式联结而 形成碱基对，成对的碱基则由氢键联接，这种排布方式叫做碱基配对原则。在DNA分子中，相互对 应的碱基称为互补碱基，两条核苷酸链则称为互补链。 2．DNA的功能：DNA的分子结构已表明，它足以担当遗传信息携带者的角色。因为千差万别的 生物体及其各个部分的构 造和功能的差异，在于它们由各不相同的蛋白质所构成，而不同蛋白质问的差异则由它们所含氨基 酸的类型、数目和排列顺序不同所决定。分子生物学的研究表明，在蛋白质合成的过程中，DNA分 子上碱基韵排列状况决定了氨基酸的装配顺序，起着模板的作用。DNA分子的碱基排列顺序实际上 就是遗传密。DNA分子中四种。碱基是以三个碱基为一组来编排密码的，这种组合被称为“三联 体”或“密码子”。由于组成蛋白质的氨基酸的种类、数目和顺序都是由DNA决定的，所以DNA分 子化学结构的探明是揭开生物遗传奥秘的关键性的一步。生命科学的研究从此进人了分子生物学的 新纪元。 (四)生态学的任务及意义 生态学把人与自然环境和所有生物种群看作是一个经历了漫长历史年代所形成的系统。在这个系 统内部，所有生物群落与其生存环境之间，生物群落内不同种群之间总是不断地进行物质、能量和 信息的交换，并处于相互作用、相互影响的动态平衡之中。 生态学的任务在于研究生物与环境的交互关系和研究生物彼此间的交互关系，弄清楚生态系统 的机制，最终的目标是使人类成为生态系统中的自觉的成员，为自己保有一个能使自己生存和发展 的良好的生态系统。现代生态学的研究广泛运用环境考察、实验室研究、数理统计、数学模型等种 种先进的方法和手段，已经取得许多成果，在环境保护、建设规划等方面发挥了积极的作用。 (五)细胞工程及其应用 细胞工程技术即细胞水平上的杂交技术，主要包括细胞融合技术和细胞间的遗传物质转移技术。人 们运用细胞融合技术制造出了可用于早期诊断癌症和内脏功能障碍的单克隆抗体；“向日葵— 豆”和“土豆—番茄”的培育已初获成功；小麦与蚕豆、小麦与玉米、水稻与豌豆的体细胞杂交实
验也正在进行之中。要是这样一些生物品种的培育取得完全成功并且投入生产,给人类带来的好处 是不言而喻的。 (六)遗传工程技术及其应用 遗传工程技术亦称基因工程技术,即DNA重组技术和人工组装基因技术,这是有目的地利用和 改造生物遗传特性的技术。从1977年起,欧美科学家相继在实验室里取得许多成果,他们把人类的 某些基因片断植入细菌、酵母或哺乳动物的细胞之中,成功地制造出了人体的胰岛素、人体的生长 素和干扰素等产品,现在已有多种产品实现了规模化工业生产并投入市场。1980年日本科学家利用 基因工程技术使大肠杆菌生产出大豆所含的蛋白质。我国科学家在80年代也掌握了RNA的人工合成 技术以及其他许多技术。科学家们正在研究把固氮生物的固氮基因移植到生长于稻、麦根部的细菌 中,期望它能为这些作物固定空气中的氮,如果这种设想得以实现,整个肥料工业就将完全改观。 (七)仿生学及其应用 仿生学就是模拟生物的特征和功能的理论和技术。生物体的结构、功能以及它们的能量转换和信 息传递机制等都是经过长期的汰劣和进化而逐步形成的,有其天然的合理性和优异性。运用现代科 学的理论和方法弄清楚其中的机理,以工程技术的手段把它们移植到各个方面,这就是仿生学的目 的。仿生学发展十分迅速,已逐渐扩展为机械仿生、建筑仿生、物理仿生、电子仿生等许多领域 例如,对水生动物的运动状态和对鸟类飞行的流体力学研究,给舰船和飞行器的设计提供了有重要 参考价值的资料;对生物体结构的力学研究,使得建筑设计有了新的依据;对感觉器官、神经细 胞、神经网络和脑的研究,为电子技术和计算机技术开拓了广阔的思路 (八)对生物进化的新认识 达尔文的进化论虽然能说明许多问题,但是它也有不完善之处,例如他过分强调了物种与物种 之间和物种与环境之间的斗争,而事实上物种之间以及物种与环境之间也还有和谐、合作和共存的 面。达尔文把生存斗争看作是进化的动力也是片面的。因此,达尔文的进化论出现以后,它一方 面受到来自物种不变论的反对;另一方面也受到了来自持有不同意见的生物学家的挑战。后者各持 己见,形成了不同的派别。这些派别有:以强调突变在进化和物种形成中的作用为特色的新达尔文 主义派:以强调种群作为物种形成和进化单位的现代达尔文主义派;以主张生物进化不是自然选择 而是“基因漂移”的非达尔文主义派。这些派别的产生及其与达尔文学说的争论不是一方吃掉另 方,而是各有千秋,还有许多问题的争论至今没有结束。 (九)关于生命起源的研究 关于地球上生命起源的问题,神创论曾长期占居统治地位,随着科学的进步它也就成为历史 了。生命自生说(如腐肉生蛆、腐草化萤之类的说法)也随着科学的发展而破灭了。19世纪中期后又出 现丁“宇宙种胚说”,此说认为地球上的生命源于来自宇宙的物质(如认为来自陨石或由于宇宙中的 辐射而将生命物质带到地球上)。本世纪以来又兴起“化学发生说”,苏联生物化学家奧巴林是此说 的主要倡导者。地质学的研究表明,地球形成至今已有46亿年。奥巴林认为,大约在地球形成后的 10亿年的某个时候,地球上出现了生命,在此之前地球上先有了一些有机物。他根据地质学资料推 断了那个时候地球大气的组成,认为在那时的条件下存在着无机物直接转化为最简单的有机物(碳氢 化合物)的可能性。他还论证了碳氢化合物有可能形成糖类和蛋白质。此后,有人通过模拟实验,成 功地从无机物直接得到多种有机小分子,从而部分地证实了奧巴林的设想。其后许多科学家继续进 行类似的模拟实验,先后合成了构成蛋白质的全部20种氨基酸和构成核酸的一些成分,至于合成有 机大分子的模拟实验,则至今还未有圆满的结果
验也正在进行之中。要是这样一些生物品种的培育取得完全成功并且投入生产，给人类带来的好处 是不言而喻的。 (六)遗传工程技术及其应用 遗传工程技术亦称基因工程技术，即 DNA重组技术和人工组装基因技术，这是有目的地利用和 改造生物遗传特性的技术。从1977年起，欧美科学家相继在实验室里取得许多成果，他们把人类的 某些基因片断植入细菌、酵母或哺乳动物的细胞之中，成功地制造出了人体的胰岛素、人体的生长 素和干扰素等产品，现在已有多种产品实现了规模化工业生产并投入市场。 1980年日本科学家利用 基因工程技术使大肠杆菌生产出大豆所含的蛋白质。我国科学家在80年代也掌握了RNA的人工合成 技术以及其他许多技术。科学家们正在研究把固氮生物的固氮基因移植到生长于稻、麦根部的细菌 中，期望它能为这些作物固定空气中的氮，如果这种设想得以实现，整个肥料工业就将完全改观。 (七)仿生学及其应用 仿生学就是模拟生物的特征和功能的理论和技术。生物体的结构、功能以及它们的能量转换和信 息传递机制等都是经过长期的汰劣和进化而逐步形成的，有其天然的合理性和优异性。运用现代科 学的理论和方法弄清楚其中的机理，以工程技术的手段把它们移植到各个方面，这就是仿生学的目 的。仿生学发展十分迅速，已逐渐扩展为机械仿生、建筑仿生、物理仿生、电子仿生等许多领域。 例如，对水生动物的运动状态和对鸟类飞行的流体力学研究，给舰船和飞行器的设计提供了有重要 参考价值的资料；对生物体结构的力学研究，使得建筑设计有了新的依据；对感觉器官、神经细 胞、神经网络和脑的研究，为电子技术和计算机技术开拓了广阔的思路。 (八)对生物进化的新认识 达尔文的进化论虽然能说明许多问题，但是它也有不完善之处，例如他过分强调了物种与物种 之间和物种与环境之间的斗争，而事实上物种之间以及物种与环境之间也还有和谐、合作和共存的 一面。达尔文把生存斗争看作是进化的动力也是片面的。因此，达尔文的进化论出现以后，它一方 面受到来自物种不变论的反对；另一方面也受到了来自持有不同意见的生物学家的挑战。后者各持 己见，形成了不同的派别。这些派别有：以强调突变在进化和物种形成中的作用为特色的新达尔文 主义派；以强调种群作为物种形成和进化单位的现代达尔文主义派；以主张生物进化不是自然选择 而是“基因漂移”的非达尔文主义派。这些派别的产生及其与达尔文学说的争论不是一方吃掉另一 方，而是各有千秋，还有许多问题的争论至今没有结束。 (九)关于生命起源的研究 关于地球上生命起源的问题，神创论曾长期占居统治地位，随着科学的进步它也就成为历史 了。生命自生说(如腐肉生蛆、腐草化萤之类的说法)也随着科学的发展而破灭了。19世纪中期后又出 现丁“宇宙种胚说”，此说认为地球上的生命源于来自宇宙的物质(如认为来自陨石或由于宇宙中的 辐射而将生命物质带到地球上)。本世纪以来又兴起“化学发生说”，苏联生物化学家奥巴林是此说 的主要倡导者。地质学的研究表明，地球形成至今已有46亿年。奥巴林认为，大约在地球形成后的 10亿年的某个时候，地球上出现了生命，在此之前地球上先有了一些有机物。他根据地质学资料推 断了那个时候地球大气的组成，认为在那时的条件下存在着无机物直接转化为最简单的有机物(碳氢 化合物)的可能性。他还论证了碳氢化合物有可能形成糖类和蛋白质。此后，有人通过模拟实验，成 功地从无机物直接得到多种有机小分子，从而部分地证实了奥巴林的设想。其后许多科学家继续进 行类似的模拟实验，先后合成了构成蛋白质的全部20种氨基酸和构成核酸的一些成分，至于合成有 机大分子的模拟实验，则至今还未有圆满的结果
十二、环境科学的兴起 (-)自然环境与社会环境 自然环境即人类所处的自然界,也就是环绕着人群的空间中可以直接影响人类生活和生产的一切 自然形成的物质和能量的总体;其构成包括陆地、海洋、大气层和外层空间四方面,这是人类赖以 生存和活动的物质世界。地球上各处的环境要素并不完全相同,因此各地区的自然环境也有差异, 例如低纬度地区接受太阳辐射较多便成为热带环境,高纬度地区则因接受太阳辐射较少而为寒带环 境:雨量充沛地区形成湿润的森林环境,雨量稀少地区形成干旱的草原和荒漠环境;高温多雨地区 的土壤因雨水的长期冲淋作用而呈酸性,半干旱草原的土壤则多为中性或碱性等等。自然环境中的 各种环境要素又是相互影响和相互制约的。例如温湿地区的城市和工业设施向大气层排放大量二氧 化碳而使那里的云雾増多,雨水的酸度增加,酸雨对地表的侵蚀则造成土壤和湖泊的酸化,影响植 物和水生动物的生长,从而改变了那里的自然环境。 社会环境亦称文化一社会环境,是指人类在自然环境中经过长期加工和改造了的自然物质、物 质生产体系以及所积累起来的物质文化所形成的环境体系。社会环境是人类物质文明和精神文明的 体现,它随着人类文明的演进而不断地丰富和发展。社会环境也有不同的区分方法,如有人把社会 环境按其性质分为:物理社会环境,生物社会环境,心理社会环境。也有人把社会环境按其社会功 能分为:聚落环境,工业环境,农业环境,文化环境,医疔环境等。不论以何种方法区分,社会环 境指的是人文环境,是人类日常活动的主要区域。社会环境虽然是人类建造的,但却是在自然界中 运用自然界里的物质和能源建造的。社会环境不可能脱离自然环境而存在,自然界的规律在社会环 境里同样发挥作用。从另一方面说,社会环境的创造又必定要改变自然环境的状况,人类社会的各 种活动无时无刻不影响着自然环境。社会环境与自然环境存在着错综复杂的关系。创造良好的社会 环境和改革不利于人类生存和发展的社会环境,同样是人类所面临的重大课题 (二)环境问题 环境是人类赖以生存和发展的基础。我们人类是生活在地球上,而地球作为人类的生存环境,其 中包括大气圈、水圈、岩石圈和生物圈。所谓环境问题,也就是由人类活动所引起的上述环境的改 变以及因为这些改变而引起的各种问题,即人类赖以生存和发展的环境都已在不同程度上受到人为 的破坏甚至于发生了威胁人类自身的严重情况。人类对环境问题的认识并非出于自觉,而是受到了 自然界的惩罚之后才逐渐醒悟的。我们只有一个地球!我们改变了地球,而这改变的结果则是地球对 我们人类的报复 罗马俱乐部的学者认为,这就是“人类困境”。在他们看来,导致“人类困境”的根源在于 l,人类滥用技术的能力对自然界任意开发,打破了自然界的自我调节机制和动态平衡,使自然界 丧失再生能力; 2.技术急剧进步而人类的社会组织与政治组织未能与之相适应地进化,因而存在着极为复杂的矛 盾 3.人类困境是人类的内部危机,人类使环境急剧地变化,但人类自身却无法适应急剧变化的环 境 罗马俱乐部学者们的大声疾呼,使人们的头脑清醒了许多。过去,人们总是津津乐道科学技术的 发展和社会的进步,却没有想到在这进步与发展的同时,竟然出现了十分严峻的环境问题。人类有 可能陷入自己制造的、无以自拔的困难境地 我们可以举出一些例子来说明环境问题的严重性。1930年发生在比利时的“马斯河谷烟雾事 件”一周内有60人死亡:1943年发生在美国的“洛杉矶光化学烟雾事件”数月内死亡400人:1952年 发生在英国的“伦敦烟雾事件”四天中死亡人数较常年同期多出约4000人:1953-1956年间发生在 日本的“水俣事件”导致汞中毒者达283人,其中60人死亡。60年代以后,环境的污染日甚。196 1976年间美国曾发生过130起水污染事件;1984年设在印度博帕尔的一家美国农药厂发生泄漏,附近
十二、环境科学的兴起 (一)自然环境与社会环境 自然环境即人类所处的自然界，也就是环绕着人群的空间中可以直接影响人类生活和生产的一切 自然形成的物质和能量的总体；其构成包括陆地、海洋、大气层和外层空间四方面，这是人类赖以 生存和活动的物质世界。地球上各处的环境要素并不完全相同，因此各地区的自然环境也有差异， 例如低纬度地区接受太阳辐射较多便成为热带环境，高纬度地区则因接受太阳辐射较少而为寒带环 境；雨量充沛地区形成湿润的森林环境，雨量稀少地区形成干旱的草原和荒漠环境；高温多雨地区 的土壤因雨水的长期冲淋作用而呈酸性，半干旱草原的土壤则多为中性或碱性等等。自然环境中的 各种环境要素又是相互影响和相互制约的。例如温湿地区的城市和工业设施向大气层排放大量二氧 化碳而使那里的云雾增多，雨水的酸度增加，酸雨对地表的侵蚀则造成土壤和湖泊的酸化，影响植 物和水生动物的生长，从而改变了那里的自然环境。 社会环境亦称文化—社会环境，是指人类在自然环境中经过长期加工和改造了的自然物质、物 质生产体系以及所积累起来的物质文化所形成的环境体系。社会环境是人类物质文明和精神文明的 体现，它随着人类文明的演进而不断地丰富和发展。社会环境也有不同的区分方法，如有人把社会 环境按其性质分为：物理社会环境，生物社会环境，心理社会环境。也有人把社会环境按其社会功 能分为：聚落环境，工业环境，农业环境，文化环境，医疗环境等。不论以何种方法区分，社会环 境指的是人文环境，是人类日常活动的主要区域。社会环境虽然是人类建造的，但却是在自然界中 运用自然界里的物质和能源建造的。社会环境不可能脱离自然环境而存在，自然界的规律在社会环 境里同样发挥作用。从另一方面说，社会环境的创造又必定要改变自然环境的状况，人类社会的各 种活动无时无刻不影响着自然环境。社会环境与自然环境存在着错综复杂的关系。创造良好的社会 环境和改革不利于人类生存和发展的社会环境，同样是人类所面临的重大课题。 (二)环境问题 环境是人类赖以生存和发展的基础。我们人类是生活在地球上，而地球作为人类的生存环境，其 中包括大气圈、水圈、岩石圈和生物圈。所谓环境问题，也就是由人类活动所引起的上述环境的改 变以及因为这些改变而引起的各种问题，即人类赖以生存和发展的环境都已在不同程度上受到人为 的破坏甚至于发生了威胁人类自身的严重情况。人类对环境问题的认识并非出于自觉，而是受到了 自然界的惩罚之后才逐渐醒悟的。我们只有一个地球!我们改变了地球，而这改变的结果则是地球对 我们人类的报复。 罗马俱乐部的学者认为，这就是“人类困境”。在他们看来，导致“人类困境”的根源在于： 1，人类滥用技术的能力对自然界任意开发，打破了自然界的自我调节机制和动态平衡，使自然界 丧失再生能力； 2．技术急剧进步而人类的社会组织与政治组织未能与之相适应地进化，因而存在着极为复杂的矛 盾； 3．人类困境是人类的内部危机，人类使环境急剧地变化，但人类自身却无法适应急剧变化的环 境。 罗马俱乐部学者们的大声疾呼，使人们的头脑清醒了许多。过去，人们总是津津乐道科学技术的 发展和社会的进步，却没有想到在这进步与发展的同时，竟然出现了十分严峻的环境问题。人类有 可能陷入自己制造的、无以自拔的困难境地! 我们可以举出一些例子来说明环境问题的严重性。1930年发生在比利时的“马斯河谷烟雾事 件”一周内有60人死亡； 1943年发生在美国的“洛杉矶光化学烟雾事件”数月内死亡400人；1952年 发生在英国的“伦敦烟雾事件”四天中死亡人数较常年同期多出约4000人；1953—1956年间发生在 日本的“水俣事件”导致汞中毒者达283人，其中60人死亡。60年代以后，环境的污染日甚。1961— 1976年间美国曾发生过130起水污染事件；1984年设在印度博帕尔的一家美国农药厂发生泄漏，附近