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1、一、经典物理学的完成和局限,大约到了1895年前后，以经典力学、经典热力学和统计力学、经典电动力学为三大支柱的经典物理学，结合成一座具有雄伟的建筑体系和动人心弦的“美丽的殿堂”，达到了它的颠峰时期,在力学方面，与机械观相联系的绝对时间、绝对空间的概念以及关于质量的定义，都已受到普遍的批评，牛顿对于引力的本质问题也采取了回避的态度。而牛顿力学的理论框架实际上必然要把引力看作是一种瞬时传递的超距作用，这与19世纪发展起来的场物理学是根本对立的,在热学方面，熵增加原理揭示的与热现象有关的自然过程的不可逆性，反映出热力学原理与经典力学和经典电动力学原理之间深刻的内在矛盾，而统计力学中引入的概率统计思想
2、以及热力学规律的统计性质，已使经典力学的严格确定性出现了缺口,在光学和电磁学方面，作为光波与电磁波的传播媒介的“以太”，其令人难以理解的特殊性质以及关于它的存在的检测，都使科学家们费尽心血而一筹莫展。根据电磁学理论，可用空间坐标的连续函数描写的场，是具有能量的不能再简化的物理实在，这又与经典力学把运动的质点看作能量的唯一裁体的观点严重背离,二、现代物理学革命的序幕,（一）19世纪末的三大发现 1X射线的发现 2放射性的发现 3电子的发现（二）经典物理学的两朵乌云 1第一朵乌云“以太”学说 2第二朵乌云“紫外灾难”,伦琴（Willhelm Konrad Rotgen,1845-1923)1901
3、年，首届诺贝尔物理学奖授予德国物理学家伦琴以表彰他在1895年发现的X射线。,（一）19世纪末的三大发现,1X射线的发现,1895年11月伦琴发现X射线，一种具有强穿透力的新的射线，它是由阴极射线打到玻璃管壁上所产生的；它可以穿透厚达一千页的书、几厘米厚的木板、15毫米厚的铝片，并可用照相的方法透过人体显示骨骼的轮廓和金属物体内部的缺陷伦琴由于这一发现，理所当然地获得了1901年首届诺贝尔物理学奖,劳厄(Max von Laue,1879-1960)1914年诺贝尔物理学奖授予德国法兰克福大学的劳厄以表彰他发现了晶体的X射线衍射。,亨利布拉格 劳伦斯布拉格(William Henry Brag
4、g,1862-1942)（William Lawrence Bragg,1890-1971）1915年诺贝尔物理学奖授予英国伦敦大学的亨利.布拉格和他的儿子英国曼彻斯特维克托利亚大学的劳伦斯.布拉格以表彰他们用X射线对晶体结构的分析所作的贡献。,1912年，德国物理学家劳厄才从晶体衍射的新发现判定X射线是频率极高的电磁波。不久以后，莫塞莱证实它是由原子中内层电子跃迁所发出的辐射劳厄（德国）发现晶体中的X射线衍射现象获得了1914年诺贝尔物理学奖WH布拉格、WL布拉格（英国）因用X射线对晶体结构的研究共同获得了1915年诺贝尔物理学奖,贝克勒尔（Antoine Henri Becquerel,1
5、852-1908）1903年诺贝尔物理学奖一半授予法国物理学家亨利贝克勒尔以表彰他发现了自发放射性；另一半授予法国物理学家皮埃尔居里（Pierre Curie,1859-1906）和玛丽斯可罗夫斯卡居里（Marie Sklodowska,1867-1934）,以表彰他们对贝克勒尔发现的辐射现象所作的卓越贡献。,居里夫妇,2放射性的发现,贝可勒尔发现底片上有铀盐包的清晰的廓影。贝可勒尔推想，感光必定是由于铀盐自身发出的某种神秘射线所致，实验证明，辐射只与铀元素的存在有关，而且纯金属铀的辐射比铀化合物强许多倍，铀辐射不但能使底片感光，还能使气体电离变成导体波兰出生的物理学家玛丽居里当时选择了放射性
6、物质作为她博士论文的题目,她首先证实了铀的辐射强度同铀的数量成正比，而同其化学形式无关，随后，她和德国的施米特同时发现了钍也具有这种性质，她建议把物质的这种性质称为“放射性”，以区别于一般的射线。以后钋和镭的发现，动摇了长期以来科学家们所信守的基本理论。居里夫妇和贝可勒尔共同获得了1903年诺贝尔物理学奖,元素衰变理论是一个革命性的理论，它打破了自古以来一直认为的原子永远不能破坏和毁灭的传统观念，证明一种元素的原子可以变成另一种元素的原子。这个理论虽然受到了门捷列夫和开尔文等科学泰斗的激烈反对，但终因实验事实的不断证实而得到科学界的承认实验5-3 盖革弥勒计数器特性和放射性核衰变统计规律的模拟
7、实验（碳14）,J.J.汤姆孙爵士（Sir Joseph Thomon,1856-1940）1906年诺贝尔物理学奖授予英国剑桥大学的J.J.汤姆孙爵士以表彰他对气体导电的理论和实验所作的贡献。,3电子的发现,英国物理学家J.J.汤姆逊支持带电微粒说。于1897年对阴极射线进行了周密的实验考察。用磁场使阴极射线发生偏转而进入法拉第筒，证明负电荷确实来自阴极射线。他通过阴极射线在电场和磁场中分别发生偏转时偏转量的测定，计算出了阴极射线的荷质比和速度，发现其荷质比的数值大约是氢离子的千分之一，而其速度大约在109厘米/秒的数量级,约瑟夫汤姆生（J.J.汤姆逊）（英国）对气体放电理论和实验研究作出重
8、要贡献并发现电子而获得了1906年诺贝尔物理学奖,（二）经典物理学的两朵乌云,1900年4月27日，开尔文在英国皇家学会以19世纪热和光的动力理论上空的乌云为题所作的长篇演讲中，虽然认为物理学是万里晴空，但又说：“动力学理论断言热和光都是运动的方式，可是现在，这种理论的优美性和明晰性被两朵乌云遮蔽得黯然失色了。,第一朵乌云是随着光的波动理论而开始出现的。菲涅耳和托马斯杨研究过这个理论，它包括这样一个问题：地球如何通过本质上是光以太这样的弹性固体而运动呢？第二朵乌云是麦克斯韦玻耳兹曼关于能量均分的学说。”这两朵乌云涉及到两方面的实验发现与力学、电磁学、气体分子运动论理论的困难,1第一朵乌云“以太
9、”学说,相对性原理是经典力学的一个最基本的原理，这个原理认为，绝对静止和绝对匀速运动都是不存在的，一切可测量的、因而也是有物理意义的运动，都是相对于某一参照物的相对运动。牛顿本人也充分意识到了确定“绝对运动”的困难，最后只能以臆测性的“绝对空间”的存在作为避难所,麦克斯韦的电磁场理论获得成功之后，电磁波的载体以太，就成了物化的绝对空间，静止于宇宙中的以太就构成了一切物体的“绝对运动”的背景框架。既然以太也是一种物质存在，或者说它表征着物化了的绝对空间，当然就可以通过精密的实验测出物体相对于以太背景的绝对运动,美国物理学家迈克尔逊（18521931）在1881年，他和莫雷（18381923）在1
10、887年利用干涉仪所进行的精密光学实验，都未能观察到所预期的以太相对于地球的运动,第二朵乌云“紫外灾难”,第二朵乌云涉及的是经典物理学另一分支，热力学和分子运动论中的一个重要问题。开尔文明确提到的是“麦克斯韦玻耳兹曼关于能量均分的学说”。实际上是指19世纪末关于黑体辐射研究中所遇到的严重困难,为了解释黑体辐射实验的结果，物理学家瑞利和金斯认为能量是一种连续变化的物理量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。但是，这个公式推出，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，这和实验数据相差十万八千里，是根本不可能的。所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫
11、外灾难”,20世纪初的这两朵乌云最终导致了物理学的一场大变革。第一朵乌云“以太”学说导致了相对论的诞生。第二朵乌云“紫外灾难”导致了量子力学的产生。因此也可以说，对这两朵“乌云”的研究就标志着现代物理时代的到来,三、相对论的建立,（一）狭义相对论的建立 1以太漂移实验与收缩假说 2洛仑兹变换 3彭加勒的相对性原理 4狭义相对论基本原理的提出 5闵科夫斯基的4维世界（二）广义相对论的建立,1以太漂移实验与收缩假说,自从19世纪初，光的波动说复活以来，关于传光的媒质，始终是一个争论的话题。人们认为光的波动必须有一个载体，它就是“以太”。关于以太的存在形式在当时有两种不同的观点，以菲涅耳为代表的一派
12、认为以太是静止，以斯托克斯为代表的一派认为以太是可以被部分曳引的,（一）狭义相对论的建立,如果静止以太说是正确的，在地球高速运动时，应存在着“以太风”。多年来，人们做了一系列光学的与电学的以太漂移实验，企图测量地球在静止以太中的相对运动，它们均给出了否定的结果。其中最著名的实验是由迈克尔逊和莫雷完成的,迈克耳孙（Albert Abrham Michelson,1852-1931）1907年诺贝尔物理学奖授予芝加哥大学的迈克耳孙以表彰他对光学精密仪器及用之于光谱学与计量学研究所作的贡献。,迈克尔逊在光速测量方面一直享有国际上的盛誉迈克尔逊由于光学精密仪器以及光谱学与计量学的研究成果而获得了 19
13、07年诺贝尔物理学奖,2洛仑兹变换,1895年，洛仑兹发表了题为运动物体中电磁现象和光现象的理论研究的论文。这篇论文讨论了在相对运动与相对静止参照系间，同一物理现象间的坐标变换问题，在一级近似下，提出了洛仑兹变换关系。这一工作对以后的狭义相对论理论体系有着重要的意义,1905年5月，洛仑兹完成了速度小于光速系统中的电磁现象的论文。在这篇论文中，他发表了著名的时空相对论变换公式，这就是后来所称的洛仑兹变换式，并且进一步证明了，在洛仑兹变换下，电磁方程具有不变形式。在这篇论文中，他还给出了两点极为重要的给论，一个是粒子质量随速度变化的公式，一个是粒子在以太中运动的速度不可能大于光速,3彭加勒的相对
14、性原理,在物理学的这场变革中，彭加勒在物理学的几个领域中都做出了重要的贡献。其中著名的有彭加勒相对性原理的建立。1895年，彭加勒首次提出了相对性原理的想法。他认为，各种实验事实的结论都可以表明，“要证明物质的绝对运动，或者更确切地说，要证明可称量物质相对以太的运动是不可能的。”,4狭义相对论基本原理的提出,在狭义相对论中，爱因斯坦成功地把时间与空间、物质与运动、质量与能量、多普勒效应与光行差效应、电场与磁场分别统一起来了，直至把经典力学与经典电动力学统一起来，使物理学在抛弃旧力学理论的框架后，得以在新的理论体系中继续发展,5闵科夫斯基的4维世界,闵科夫斯基以优美的数学形式，揭示了3维空间与1
15、维时间的内在联系。在他所提供的4维空间中，不仅全部力学与电动力学的概念及重要规律得以进一步地简化与统一，它们被自然与和谐地纳入到相对论的理论之中,（二）广义相对论的建立,按狭义相对性原理，由于在洛仑兹变换下，许多物理定律都具有协变形式，相对各物理定律而言。各个惯性系都应彼此等效。狭义相对论在说明惯性运动的相对性上取得了极大的成功，它却存在明显的缺陷。首先是惯性系是什么？如何确定物体在做惯性运动。最终又回到了不动的绝对空间,四、量子论的初期发展与量子力学建立,（一）量子论的初期发展 1黑体辐射的研究 2普朗克的“量子”假说 3光量子假说（二）量子力学理论的建立 1德布罗意波 2薛定谔的波动力学
16、3海森伯的矩阵力学 4量子力学的万本哈根学派的诠释,1黑体辐射的研究,1879年德国物理学家斯特藩从实验结果中得出了黑体单位表面积单位时间的热辐射总能量与绝对温度的四次方成正比的定律，这个结果在1884年被玻耳兹曼从光的电磁理论和热力学理论做出了论证。这就是斯特藩-玻耳兹曼定律,维 恩(WilhelmWien,1864-1928)1911年诺贝尔物理学奖授予德国乌尔兹堡大学的维恩以表彰他发现了热辐射定律。,1893年维恩也由电磁学和热力学理论得出了辐射能量最强的波长与黑体的温度成反比的“位移定律”，但这两个定律都不能具体反映辐射能量随频率和温度的分布情况，只能在一定的范围和条件下与实验曲线相吻
17、合。维恩因为在黑体辐射方面的研究成果获得了1911年诺贝尔物理学奖,普郎克（Max Karl Ernst Ludwig Plank,1858-1947）1918年诺贝尔物理学奖授予德国柏林大学的普郎克以承认他发现能量级对物理学的进展所作的贡献。,2普朗克的“量子”假说,1900年，对热力学有长期研究的德国物理学家普朗克综合了维恩公式和瑞利-金斯公式，利用内插法，引入了一个自己的常数，结果得到一个公式，而这个公式与实验结果精确相符，它就是普朗克公式，即普朗克辐射定律,普朗克的能量子假说：辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。但是这些谐振子只能处于某些分立的状态，在
18、这些状态中，谐振子的能量并不像经典物理学所允许的可具有任意值。相应的能量是某一最小能量（称为能量子）的整数倍,能量子的概念是非常新奇的，它冲破了传统的概念，揭示了微观世界中一个重要规律，开创了物理学的一个全新领域。由于普朗克发现了能量子，对建立量子理论做出了卓越贡献，获得了1918年诺贝尔物理学奖,普朗克关于能量只能以“能量子”为最小单元作不连续变化的假设，冲击了经典物理学长期信奉的“自然界无跳跃”的信条，彻底变革了经典物理学中一切因果关系都是以物理量的连续变化为基础的物理学思想方法,爱因斯坦(Allbert Einstein,1879-1955)1921年诺贝尔物理学奖授予德国柏林马克斯普朗
19、克物理研究所的爱因斯坦以表彰他在理论物理学上的发现,特别是发现了光电效应的定律.,3光量子假说,1905年6月，爱因斯坦在德国物理学纪事上发表的关于光的产生和转化的一个启发性观点，为研究辐射问题带来了一个崭新的观点。他认为，在普朗克的理论中，只考虑了腔壁上振子能量的量子化，但对空腔内电磁辐射的处理，还是用的麦克斯韦电磁波动理论，这种观点是不彻底的。在爱因斯坦看来，电磁场能量本身也是量子化的，辐射场不是连续的，而是由分立的能量子组成的。他把这种能量子称为“光量子”。后来美国物理学家路易斯把它改称为“光子”,爱因斯坦研究了用光的能量连续分布的理论难以解释的光电效应现象由于爱因斯坦在数学物理学的成就
20、，特别是光电效应定律的发现获得了1921年诺贝尔物理学奖,路易斯.德布罗意(Prince Louis-victor de Broglie,1892-1987)1929年诺贝尔物理学奖授予法国巴黎索本大学的路易斯.德布罗意以表彰他发现了电子的波动性.,（二）量子力学理论的建立,1德布罗意波,1923年9月至10月间，德布罗意在连续发表了三篇论文辐射波和量子、光学光量子、衍射和干涉、物理学量子、气体运动理论以及费马原理。在这几篇短文中，提出了“德布罗意波”的思想。1824年，德布罗在量子理论研究的博士论文中，系统地阐述了他在前几篇文章中提出的相波理论,他因为发现了电子的波动性而获得了1929年诺贝
21、尔物理学奖，他也是唯一一个因博士论文而获得诺贝尔物理学奖的人（以前的观点）,五、原子结构理论的发展,1原子有核模型的建立2玻尔原子结构的量子理论3玻尔理论的推广,尼尔斯玻尔（Niels Bohr,1885-1962）1922年诺贝尔物理学奖授予丹麦哥本哈根的尼尔斯玻尔以表彰他在研究原子结构,特别是研究从原子发出的辐射所作的贡献。,1原子有核模型的建立,1909年，卢瑟福的助手盖革，学生马斯登从粒子被很薄的金箔散射的实验中，观察到了一种出人意料的现象：大约有八千分之一的粒子的偏转角度超过90度，有的甚至被反弹回来。粒子散射实验的意外结果，为建立正确的原子有核棋型据供了科学依据,2玻尔原子结构的量
22、子理论,1913年玻尔提出的原子结构理论，是量子论发展史上的一个重要阶段。在此之前，量子论主要被用于与辐射有关的问题，玻尔的理论却表明在描述原子的结构和运动规律中，作用量子也具有本质的意义。他希望把量子概念与卢瑟福原子模型结合起来，以解决原子结构的稳定性问题,玻尔理论提出了一个动态的原于结构轮廓，揭示了光谱线与原子结构的内在联系，从而推动了物质结构理论的发展。玻尔由于这一杰出的工作，获得了1922年诺贝尔物理学奖,弗兰克 G.赫兹(James Franck,1882-1964)(Gustav Hertz,1887-1975)1925年诺贝尔物理学奖授予德国格丁根大学的弗兰克和哈雷大学的G.赫兹
23、以表彰他们发现原子受电子碰撞的定律.,弗兰克和赫兹（德国）发现原子和电子的碰撞规律共同获得了1925年诺贝尔物理学奖,洛伦兹 塞曼（Hendrik Lorentz，1853-1928）（Pieter Zeeman，1865-1943）1902年诺贝尔物理学奖授予荷兰莱顿大学的洛伦兹和荷兰阿姆斯特丹大学塞曼,以表彰他们在研究磁性对辐射现象的影响所作的特殊贡献。,3玻尔理论的推广,索末菲在1916年把一般量子化条件推广到四个自由度，即主量子数，轨道量子数，磁量子数和电子自旋量子数，很好的解释了塞曼效应和碱金属光谱的主线系，漫线系，锐线系等现象洛伦兹（荷兰）和塞曼（荷兰）关于磁场对辐射现象影响的研究
24、共同获得了1902年诺贝尔物理学奖,六、原子核物理的建立与发展,（一）原子核结构的早期探索1质子电子核模型2中子的发现3核磁矩的发现（二）粒子加速器的创建与发展（三）核裂变研究（四）原子能的应用,1质子电子核模型,十九世纪20年代末到30年代初，人们认识到的基本粒子仅限于质子、电子和光子。并普遍认为，一切物质都是由电子和质子构成的,（一）原子核结构的早期探索,查德威克(Sir James Chadwick,1891-1974)1935年诺贝尔物理学奖授予英国利物浦的查德威克以表彰他发现了中子。,2中子的发现,1932年，查德威克用一种射线（中子束）轰击氢原子核时，发现它被反弹了回来，说明这种射
25、线是具有一定质量的中性粒子流。通过对反冲核的动量测定的结果，再利用动量守恒定律进行估算，确定出这种射线中性粒子的质量几乎与质子的相同，查德威克把这种粒子定名为中子。于1932年在自然杂志上发表了中子可能存在的论文,查德威克发现中子，不仅改变了当时人们对物质结构的认识，同时还为研究和变革原子核提供了一种有力的手段，这促进了核裂变工作的发展以及原子能的利用。由于这一重要发现，查德威克获得了1935年诺贝尔物理学奖,3核磁矩的发现,在第七届索尔维会议上，汉堡大学的斯特恩、依斯特曼、弗里施介绍了他们用氢分子束的斯特恩革拉赫实验成功测定了氢核的磁矩,布洛赫 珀塞尔(Felix Bloch,1905-19
26、83)(Edward Purcell,1912-1997)1952年诺贝尔物理学奖授予美国加利福尼亚斯坦福大学的布洛赫和美国马萨诸塞州坎伯利基哈佛大学的珀塞尔以表彰他们发现了核磁精密测量的新方法及由此所作的发现。,由布洛赫和珀塞尔所创立的核磁共振技术发展非常迅速。先后有80多种样品核的磁矩都由这种方法测出。核磁共振方法在核物理研究、有机化合物的鉴定、未知化合物结构的测定、动物和人体组织的检测等方而都有重要应用。核磁共振已成为波谱学的一个重要分支。由于布洛赫与泊塞尔所发现的核磁共振法，他们共同分享了1952年诺贝尔物理学奖,卡斯特勒(Alfred Kastler，1902-1984)1966年诺
27、贝尔物理学奖授予法国巴黎大学，高等师范学校的卡斯特勒以表彰他发现和发展了研究原子中赫兹共振的光学方法。,光泵磁共振技术自50年代初，法国物理学家卡斯特勒首先提出以来，获得了迅速发展。目前，在基础研究方面，广泛用于原子、分子能级的精细和超精细结构及其它各种参数的精密测量，对原子分子间各种相互作用进行实验研究。在应用技术方面利用光泵磁共振原理发展出两种精密仪器，原子频率标准（原子钟）和原子磁强计。由此卡斯特勒获得了1966年诺贝尔物理学奖,七、传感及测量技术,传感器（Sensor,Transducer）是完成信息拾取、传输和转换的器件。光纤传感器（Optical fiber sensor）则是以光
28、纤为功能材料的传感器。经典的传感器是将非电量转换为电量，而光纤传感器则是将非光量转换为光量。光纤传感器与经典传感器的区别是，光纤传感器以光作为感知信息的载体，而不是电；采用光纤传送信息，而不是导线。光纤传感具有灵敏度高、抗电磁干扰以及耐腐蚀防燃等特,光子计数也就是光电子计数，是微弱光（低于10-14W）信号探测中的一种新技术。它可以探测弱到光能量以单光子到达时的能量。目前已被广泛应用于喇曼散射探测、医学、生物学、物理学等许多领域里微弱光现象的研究,椭圆偏振测量（椭偏术）是研究两媒介间界面、表面或薄膜中光学性质变化的一种光学方法，其原理是利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射时出现的偏振变换。在
29、各种已有的测定薄膜厚度的方法中，如干涉法等，椭偏法是能测量厚度最薄和测量精度最高的一种，而且测量是非破坏性的，并能在一次测量中同时测定膜厚及折射率,太阳电池，也称为光伏电池，是将太阳光辐射能直接转换为电能的器件。由这种器件封装成太阳电池组件，再按需要将一块以上的组件组合成一定功率的太阳电池方阵，经与储能装置、测量控制装置及直流-交流变换装置等相配套，即构成太阳电池发电系统，也称为之光伏发电系统,世界上第一块实用型半导体太阳电池是美国贝尔实验室于1954年研制的。经过人们40多年的努力，太阳电池的研究、开发与产业化已取得巨大进步。目前，太阳电池已成为空间卫星的基本电源和地面无电、少电地区及某些特殊领域（通信设备、气象台站、航标灯等）的重要电源,
