高中物理17_1　能量量子化物理學(xué)的新紀(jì)元課件1人教版選修3-5

1、經(jīng)典和近代物理學(xué)史 ——兼談諾貝爾物理學(xué)獎和一些技術(shù),物理實(shí)驗(yàn)中心近代物理實(shí)驗(yàn)室,歷史回顧一、經(jīng)典物理學(xué)的成就和基本觀念二、現(xiàn)代物理學(xué)革命的序幕三、相對論的建立四、量子論的初期發(fā)展與量子力學(xué)建立五、原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展六、原子核物理的建立與發(fā)展七、傳感及測量技術(shù),歷史回顧（I）,1900年普朗克量子論1905年愛因斯坦相對論開辟了現(xiàn)代物理學(xué)的新紀(jì)元研究范圍在空間尺度上從亞核世界到整個字宙，在時間尺度上從

2、小于10-21秒到宇宙年齡,歷史回顧（II）,—百多年前創(chuàng)立的麥克斯韋電磁場理論為無線電、電視、雷達(dá)的技術(shù)發(fā)明和龐大的工業(yè)電力網(wǎng)絡(luò)以及現(xiàn)代通汛系統(tǒng)的建立奠定了理淪基礎(chǔ)拉姆（美國）發(fā)明了微波技術(shù)，進(jìn)而研究氫原子的精細(xì)結(jié)構(gòu)；庫什（美國）用射頻束技術(shù)精確地測定出電子磁矩，創(chuàng)新了核理論，共同獲得了1955年諾貝爾物理學(xué)獎微波實(shí)驗(yàn)基本知識和實(shí)驗(yàn)4-1 反射式速調(diào)管的特性和波導(dǎo)工作狀態(tài)的測量,歷史回顧（III）,磁光效應(yīng)指的是具有固有磁矩的物

3、質(zhì)在外磁場的作用下，電磁特性發(fā)生變化，因而使光波在其內(nèi)部的傳輸特性也發(fā)生變化的現(xiàn)象。1845年，Michael Faraday首先發(fā)現(xiàn)了磁光效應(yīng)，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)外加磁場加在玻璃樣品上時，透射光的偏振面將發(fā)生旋轉(zhuǎn),歷史回顧（IV）,1877年John Kerr在觀察偏振光從拋光過的電磁鐵磁極反射出來時，發(fā)現(xiàn)了磁光克爾效應(yīng)（magneto-optic Kerr effect）實(shí)驗(yàn)2-3 法拉第效應(yīng)實(shí)驗(yàn)2-4 磁光克爾效應(yīng),歷史回顧（V）,

4、本世紀(jì)20年代創(chuàng)立的量子力學(xué)理論為描述微觀物體的行為提供了一個全新的框架，改變了我們最基本的測量原理，并為了解原子、分子和凝聚態(tài)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)鋪平了道路。因而導(dǎo)致了諸如半導(dǎo)體、光通訊等新興技術(shù)的崛起，并為研制奇異材料和激光器件開辟了道路,歷史回顧（VI）,1947年肖克萊、巴丁和布喇頓所發(fā)現(xiàn)的晶體管效應(yīng)揭開了今天發(fā)生在我們周圍的計(jì)算機(jī)革命的序幕。沒有人能夠知道這場革命最終將會如何改變我們的生活和人類社會，但是它所顯露出的信息社會的近期前景巳

5、十分誘人肖克利、巴丁、布拉頓因發(fā)明晶體管及對晶體管效應(yīng)的研究共同獲得了1956年諾貝爾物理學(xué)獎計(jì)算機(jī)的基本技術(shù)，計(jì)算機(jī)的仿真技術(shù)，計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算技術(shù),歷史回顧（VII）,實(shí)驗(yàn)5-4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理及組裝調(diào)試　　　　　　　　 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)5-1 計(jì)算機(jī)虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)5-2 計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)（混沌系統(tǒng) 模型的一個例子）,一、經(jīng)典物理學(xué)的成就和基本觀念,（一）經(jīng)典力學(xué)和機(jī)械決定論（二）熱力學(xué)與

6、能量和熵（三）經(jīng)典電動力學(xué)和“以太”說（四）經(jīng)典物理學(xué)的完成和局限,由伽利略(1564—1642)和牛頓(1642—1727)等人于17世紀(jì)創(chuàng)立的經(jīng)典物理學(xué)，經(jīng)過18世紀(jì)在各個基礎(chǔ)部門的拓展到19世紀(jì)得到了全面、系統(tǒng)和迅速的發(fā)展達(dá)到了它輝煌的頂峰。到19世紀(jì)末，已建成了一個包括力、熱、聲、光、電諸學(xué)科在內(nèi)的、宏偉完整的理論體系。特別是它的三大支柱——經(jīng)典力學(xué)、經(jīng)典電動力學(xué)、經(jīng)典熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)——已臻于成熟和完善，不僅在理論的表述和

7、結(jié)構(gòu)上已十分嚴(yán)謹(jǐn)和完美，而且它們所蘊(yùn)涵的十分明晰和深刻的物理學(xué)基本觀念，對人類的科學(xué)認(rèn)識也產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響,（一）經(jīng)典力學(xué)和機(jī)械決定論,由牛頓把它概括在一個嚴(yán)密的統(tǒng)一理論中，實(shí)現(xiàn)了近代物理學(xué)發(fā)展史上第一次理論大綜合。在l687年出版的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》中，牛頓提出了動力學(xué)的三個基本原理和萬有引力定律。利用變分法的數(shù)學(xué)方法和“最小作用量原理”的物理學(xué)基礎(chǔ)建立起了和牛頓動力學(xué)方程等價的歐拉—拉格朗日方程，并最終于1834年由英國的哈密頓

8、(1805—1865)提出了哈密頓原理和正則方程，建立了“分析力學(xué)”理論，實(shí)現(xiàn)了牛頓后力學(xué)理論的一個最大的飛躍,（二）熱力學(xué)與能量和熵,能量守恒原理的建立，使物理學(xué)思想和理論結(jié)構(gòu)獲得了輝煌的進(jìn)展是19世紀(jì)自然科學(xué)上的一個偉大勝利也是近代物理學(xué)發(fā)展中的第二次理論大綜合熵原理的發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上把演化的思想帶進(jìn)了物理學(xué)，指出了自然過程的不可逆性和歷史性,在經(jīng)典力學(xué)和電磁場理論中，基本物理定律中的時間都是對稱的、可逆的，它們的基本方程對時間反演都

9、是具有對稱性的，運(yùn)動對于過去和未來沒有本質(zhì)的區(qū)別，時間在那里僅僅是從外部描述運(yùn)動的一個參量，它的變化對運(yùn)動的性質(zhì)并無影響。因而時間箭頭在那里沒有實(shí)質(zhì)性的意義,“統(tǒng)計(jì)力學(xué)”這個名稱是1884年由美國物理學(xué)家吉布斯(1839一1903)首先提出的。吉布斯在麥克斯韋和玻耳茲曼思想的基礎(chǔ)上，明確形成了“系綜”概念，創(chuàng)立了系綜統(tǒng)計(jì)方法。從而將熱學(xué)的唯象的和分子運(yùn)動論的兩個基本的研究方向統(tǒng)一到一個有機(jī)整體之中，完成了統(tǒng)計(jì)力學(xué)這個經(jīng)典物理學(xué)的又一次理

10、論大綜合,（三）經(jīng)典電動力學(xué)和“以太”說,1862年，麥克斯韋引入了一個電磁以太的準(zhǔn)力學(xué)模型和“位移電流”假設(shè)，1864年提出了電動力學(xué)方程組，預(yù)言了電磁波的存在，井揭示了光的電磁波動本性。麥克斯韋的方案使媒遞接觸觀念得以完全實(shí)現(xiàn)，并使電磁學(xué)理論的全部物理基礎(chǔ)得以奠定，成為近代物理學(xué)發(fā)展中的第三次理論大綜合,（四）經(jīng)典物理學(xué)的完成和局限,大約到了1895年前后，以經(jīng)典力學(xué)、經(jīng)典熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)、經(jīng)典電動力學(xué)為三大支柱的經(jīng)典物理學(xué)，結(jié)合成

11、一座具有雄偉的建筑體系和動人心弦的“美麗的殿堂”，達(dá)到了它的顛峰時期,在力學(xué)方面，與機(jī)械觀相聯(lián)系的絕對時間、絕對空間的概念以及關(guān)于質(zhì)量的定義，都已受到普遍的批評，牛頓對于引力的本質(zhì)問題也采取了回避的態(tài)度。而牛頓力學(xué)的理論框架實(shí)際上必然要把引力看作是一種瞬時傳遞的超距作用，這與19世紀(jì)發(fā)展起來的場物理學(xué)是根本對立的,在熱學(xué)方面，熵增加原理揭示的與熱現(xiàn)象有關(guān)的自然過程的不可逆性，反映出熱力學(xué)原理與經(jīng)典力學(xué)和經(jīng)典電動力學(xué)原理之間深刻的內(nèi)在矛盾

12、，而統(tǒng)計(jì)力學(xué)中引入的概率統(tǒng)計(jì)思想以及熱力學(xué)規(guī)律的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，已使經(jīng)典力學(xué)的嚴(yán)格確定性出現(xiàn)了缺口,在光學(xué)和電磁學(xué)方面，作為光波與電磁波的傳播媒介的“以太”，其令人難以理解的特殊性質(zhì)以及關(guān)于它的存在的檢測，都使科學(xué)家們費(fèi)盡心血而一籌莫展。根據(jù)電磁學(xué)理論，可用空間坐標(biāo)的連續(xù)函數(shù)描寫的場，是具有能量的不能再簡化的物理實(shí)在，這又與經(jīng)典力學(xué)把運(yùn)動的質(zhì)點(diǎn)看作能量的唯一裁體的觀點(diǎn)嚴(yán)重背離,二、現(xiàn)代物理學(xué)革命的序幕,（一）19世紀(jì)末的三大發(fā)現(xiàn) 1．X

13、射線的發(fā)現(xiàn) 2．放射性的發(fā)現(xiàn) 3．電子的發(fā)現(xiàn)（二）經(jīng)典物理學(xué)的兩朵烏云 1．第一朵烏云“以太”學(xué)說 2．第二朵烏云“紫外災(zāi)難”,（一）19世紀(jì)末的三大發(fā)現(xiàn),倫琴（Willhelm Konrad Rotgen, 1845---1923) 1901年，首屆諾貝爾物理學(xué)獎授予德國物理學(xué)家倫琴以表彰他在1895年發(fā)現(xiàn)的X射線。,1．X射線的發(fā)現(xiàn),1895年11月倫琴發(fā)現(xiàn)X射線，一種具有強(qiáng)穿透力的新的

14、射線，它是由陰極射線打到玻璃管壁上所產(chǎn)生的；它可以穿透厚達(dá)一千頁的書、幾厘米厚的木板、15毫米厚的鋁片，并可用照相的方法透過人體顯示骨骼的輪廓和金屬物體內(nèi)部的缺陷倫琴由于這一發(fā)現(xiàn)，理所當(dāng)然地獲得了1901年首屆諾貝爾物理學(xué)獎,勞厄 (Max von Laue ,1879-1960) 1914年諾貝爾物理學(xué)獎授予德國法蘭克福大學(xué)的勞厄以表彰他發(fā)現(xiàn)了晶體的X射線衍射。,亨利·布拉格 勞倫斯·

15、;布拉格 (William Henry Bragg ,1862-1942) （William Lawrence Bragg, 1890-1971） 1915年諾貝爾物理學(xué)獎授予英國倫敦大學(xué)的亨利.布拉格和他的兒子英國曼徹斯特維克托利亞大學(xué)的勞倫斯.布拉格以表彰他們用X射線對晶體結(jié)構(gòu)的分析所作的貢獻(xiàn)。,1912年，德國物理學(xué)家勞厄才從晶體衍射的新發(fā)現(xiàn)判定X射線是頻率極高的電磁波。不久以后，莫塞萊證實(shí)它是由原子中內(nèi)層電子躍

16、遷所發(fā)出的輻射勞厄（德國）發(fā)現(xiàn)晶體中的X射線衍射現(xiàn)象獲得了1914年諾貝爾物理學(xué)獎W·H·布拉格、W·L·布拉格（英國）因用X射線對晶體結(jié)構(gòu)的研究共同獲得了1915年諾貝爾物理學(xué)獎實(shí)驗(yàn)4-2 微波布拉格衍射,貝克勒爾（Antoine Henri Becquerel ,1852 -1908） 1903年諾貝爾物理學(xué)獎一半授予法國物理學(xué)家亨利·貝克勒爾以表彰他發(fā)現(xiàn)了自發(fā)放射

17、性；另一半授予法國物理學(xué)家皮埃爾·居里（Pierre Curie ,1859 -1906）和瑪麗·斯可羅夫斯卡·居里（Marie Sklodowska ,1867 - 1934）,以表彰他們對貝克勒爾發(fā)現(xiàn)的輻射現(xiàn)象所作的卓越貢獻(xiàn)。,,居里夫婦,2．放射性的發(fā)現(xiàn),貝可勒爾發(fā)現(xiàn)底片上有鈾鹽包的清晰的廓影。貝可勒爾推想，感光必定是由于鈾鹽自身發(fā)出的某種神秘射線所致，實(shí)驗(yàn)證明，輻射只與鈾元素的存在有關(guān)，而且純金屬鈾

18、的輻射比鈾化合物強(qiáng)許多倍，鈾輻射不但能使底片感光，還能使氣體電離變成導(dǎo)體波蘭出生的物理學(xué)家瑪麗·居里當(dāng)時選擇了放射性物質(zhì)作為她博士論文的題目,她首先證實(shí)了鈾的輻射強(qiáng)度同鈾的數(shù)量成正比，而同其化學(xué)形式無關(guān)，隨后，她和德國的施米特同時發(fā)現(xiàn)了釷也具有這種性質(zhì)，她建議把物質(zhì)的這種性質(zhì)稱為“放射性”，以區(qū)別于一般的射線。以后釙和鐳的發(fā)現(xiàn)，動搖了長期以來科學(xué)家們所信守的基本理論。居里夫婦和貝可勒爾共同獲得了1903年諾貝爾物理學(xué)獎,元素

19、衰變理論是一個革命性的理論，它打破了自古以來一直認(rèn)為的原子永遠(yuǎn)不能破壞和毀滅的傳統(tǒng)觀念，證明一種元素的原子可以變成另一種元素的原子。這個理論雖然受到了門捷列夫和開爾文等科學(xué)泰斗的激烈反對，但終因?qū)嶒?yàn)事實(shí)的不斷證實(shí)而得到科學(xué)界的承認(rèn)實(shí)驗(yàn)5-3 蓋革—彌勒計(jì)數(shù)器特性和放射性核衰變統(tǒng)計(jì)規(guī)律的模擬實(shí)驗(yàn)（碳14）,J.J.湯姆孫爵士（Sir Joseph Thomon,1856-1940） 1906年諾貝爾物理學(xué)獎授予英國劍橋大學(xué)

20、的J.J.湯姆孫爵士以表彰他對氣體導(dǎo)電的理論和實(shí)驗(yàn)所作的貢獻(xiàn)。,3．電子的發(fā)現(xiàn),英國物理學(xué)家J.J.湯姆遜支持帶電微粒說。于1897年對陰極射線進(jìn)行了周密的實(shí)驗(yàn)考察。用磁場使陰極射線發(fā)生偏轉(zhuǎn)而進(jìn)入法拉第筒，證明負(fù)電荷確實(shí)來自陰極射線。他通過陰極射線在電場和磁場中分別發(fā)生偏轉(zhuǎn)時偏轉(zhuǎn)量的測定，計(jì)算出了陰極射線的荷質(zhì)比和速度，發(fā)現(xiàn)其荷質(zhì)比的數(shù)值大約是氫離子的千分之一，而其速度大約在109厘米/秒的數(shù)量級,約瑟夫·湯姆生（J.J.湯姆

21、遜）（英國）對氣體放電理論和實(shí)驗(yàn)研究作出重要貢獻(xiàn)并發(fā)現(xiàn)電子而獲得了1906年諾貝爾物理學(xué)獎,（二）經(jīng)典物理學(xué)的兩朵烏云,1900年4月27日，開爾文在英國皇家學(xué)會以《19世紀(jì)熱和光的動力理論上空的烏云》為題所作的長篇演講中，雖然認(rèn)為物理學(xué)是萬里晴空，但又說：“動力學(xué)理論斷言熱和光都是運(yùn)動的方式，可是現(xiàn)在，這種理論的優(yōu)美性和明晰性被兩朵烏云遮蔽得黯然失色了。,第一朵烏云是隨著光的波動理論而開始出現(xiàn)的。菲涅耳和托馬斯·楊研究過這個

22、理論，它包括這樣一個問題：地球如何通過本質(zhì)上是光以太這樣的彈性固體而運(yùn)動呢？第二朵烏云是麥克斯韋－玻耳茲曼關(guān)于能量均分的學(xué)說。”這兩朵烏云涉及到兩方面的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)與力學(xué)、電磁學(xué)、氣體分子運(yùn)動論理論的困難,1．第一朵烏云“以太”學(xué)說,相對性原理是經(jīng)典力學(xué)的一個最基本的原理，這個原理認(rèn)為，絕對靜止和絕對勻速運(yùn)動都是不存在的，一切可測量的、因而也是有物理意義的運(yùn)動，都是相對于某一參照物的相對運(yùn)動。牛頓本人也充分意識到了確定“絕對運(yùn)動”的困難，最

23、后只能以臆測性的“絕對空間”的存在作為避難所,麥克斯韋的電磁場理論獲得成功之后，電磁波的載體以太，就成了物化的絕對空間，靜止于宇宙中的以太就構(gòu)成了一切物體的“絕對運(yùn)動”的背景框架。既然以太也是一種物質(zhì)存在，或者說它表征著物化了的絕對空間，當(dāng)然就可以通過精密的實(shí)驗(yàn)測出物體相對于以太背景的絕對運(yùn)動,美國物理學(xué)家邁克爾遜（1852－1931）在1881年，他和莫雷（1838－1923）在1887年利用干涉儀所進(jìn)行的精密光學(xué)實(shí)驗(yàn)，都未能觀察到所

24、預(yù)期的以太相對于地球的運(yùn)動,第二朵烏云“紫外災(zāi)難”,第二朵烏云涉及的是經(jīng)典物理學(xué)另一分支，熱力學(xué)和分子運(yùn)動論中的一個重要問題。開爾文明確提到的是“麥克斯韋－玻耳茲曼關(guān)于能量均分的學(xué)說”。實(shí)際上是指19世紀(jì)末關(guān)于黑體輻射研究中所遇到的嚴(yán)重困難,為了解釋黑體輻射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，物理學(xué)家瑞利和金斯認(rèn)為能量是一種連續(xù)變化的物理量，建立起在波長比較長、溫度比較高的時候和實(shí)驗(yàn)事實(shí)比較符合的黑體輻射公式。但是，這個公式推出，在短波區(qū)（紫外光區(qū)）隨著波長的

25、變短，輻射強(qiáng)度可以無止境地增加，這和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差十萬八千里，是根本不可能的。所以這個失敗被埃倫菲斯特稱為“紫外災(zāi)難”,20世紀(jì)初的這兩朵烏云最終導(dǎo)致了物理學(xué)的一場大變革。第一朵烏云“以太”學(xué)說導(dǎo)致了相對論的誕生。第二朵烏云“紫外災(zāi)難”導(dǎo)致了量子力學(xué)的產(chǎn)生。因此也可以說，對這兩朵“烏云”的研究就標(biāo)志著現(xiàn)代物理時代的到來,三、相對論的建立,（一）狹義相對論的建立 1．以太漂移實(shí)驗(yàn)與收縮假說 2．洛侖茲變換 3．

26、彭加勒的相對性原理 4．狹義相對論基本原理的提出 5．閔科夫斯基的4維世界 （二）廣義相對論的建立,（一）狹義相對論的建立,1．以太漂移實(shí)驗(yàn)與收縮假說,自從19世紀(jì)初，光的波動說復(fù)活以來，關(guān)于傳光的媒質(zhì)，始終是一個爭論的話題。人們認(rèn)為光的波動必須有一個載體，它就是“以太”。關(guān)于以太的存在形式在當(dāng)時有兩種不同的觀點(diǎn)，以菲涅耳為代表的一派認(rèn)為以太是靜止，以斯托克斯為代表的一派認(rèn)為以太是可以被部分曳引的,如果靜止以太說

27、是正確的，在地球高速運(yùn)動時，應(yīng)存在著“以太風(fēng)”。多年來，人們做了一系列光學(xué)的與電學(xué)的以太漂移實(shí)驗(yàn)，企圖測量地球在靜止以太中的相對運(yùn)動，它們均給出了否定的結(jié)果。其中最著名的實(shí)驗(yàn)是由邁克爾遜和莫雷完成的,邁克耳孫（ Albert Abrham Michelson ,1852 -1931） 1907年諾貝爾物理學(xué)獎授予芝加哥大學(xué)的邁克耳孫以表彰他對光學(xué)精密儀器及用之于光譜學(xué)與計(jì)量學(xué)研究所作的貢獻(xiàn)。,邁克爾遜在光速測量方面一直享有

28、國際上的盛譽(yù)邁克爾遜由于光學(xué)精密儀器以及光譜學(xué)與計(jì)量學(xué)的研究成果而獲得了 1907年諾貝爾物理學(xué)獎實(shí)驗(yàn)2-2 光拍法測量光的速度,2．洛侖茲變換,1895年，洛侖茲發(fā)表了題為《運(yùn)動物體中電磁現(xiàn)象和光現(xiàn)象的理論研究》的論文。這篇論文討論了在相對運(yùn)動與相對靜止參照系間，同一物理現(xiàn)象間的坐標(biāo)變換問題，在一級近似下，提出了洛侖茲變換關(guān)系。這一工作對以后的狹義相對論理論體系有著重要的意義,1905年5月，洛侖茲完成了《速度小于光速系統(tǒng)中的電

29、磁現(xiàn)象》的論文。在這篇論文中，他發(fā)表了著名的時空相對論變換公式，這就是后來所稱的洛侖茲變換式，并且進(jìn)一步證明了，在洛侖茲變換下，電磁方程具有不變形式。在這篇論文中，他還給出了兩點(diǎn)極為重要的給論，一個是粒子質(zhì)量隨速度變化的公式，一個是粒子在以太中運(yùn)動的速度不可能大于光速,3．彭加勒的相對性原理,在物理學(xué)的這場變革中，彭加勒在物理學(xué)的幾個領(lǐng)域中都做出了重要的貢獻(xiàn)。其中著名的有彭加勒相對性原理的建立。1895年，彭加勒首次提出了相對性原理的想

30、法。他認(rèn)為，各種實(shí)驗(yàn)事實(shí)的結(jié)論都可以表明，“要證明物質(zhì)的絕對運(yùn)動，或者更確切地說，要證明可稱量物質(zhì)相對以太的運(yùn)動是不可能的?！?4．狹義相對論基本原理的提出,在狹義相對論中，愛因斯坦成功地把時間與空間、物質(zhì)與運(yùn)動、質(zhì)量與能量、多普勒效應(yīng)與光行差效應(yīng)、電場與磁場分別統(tǒng)一起來了，直至把經(jīng)典力學(xué)與經(jīng)典電動力學(xué)統(tǒng)一起來，使物理學(xué)在拋棄舊力學(xué)理論的框架后，得以在新的理論體系中繼續(xù)發(fā)展,5．閔科夫斯基的4維世界,閔科夫斯基以優(yōu)美的數(shù)學(xué)形式，揭示了3

31、維空間與1維時間的內(nèi)在聯(lián)系。在他所提供的4維空間中，不僅全部力學(xué)與電動力學(xué)的概念及重要規(guī)律得以進(jìn)一步地簡化與統(tǒng)一，它們被自然與和諧地納入到相對論的理論之中,（二）廣義相對論的建立,按狹義相對性原理，由于在洛侖茲變換下，許多物理定律都具有協(xié)變形式，相對各物理定律而言。各個慣性系都應(yīng)彼此等效。狹義相對論在說明慣性運(yùn)動的相對性上取得了極大的成功，它卻存在明顯的缺陷。首先是慣性系是什么？如何確定物體在做慣性運(yùn)動。最終又回到了"不動的絕

32、對空間",四、量子論的初期發(fā)展與量子力學(xué)建立,（一）量子論的初期發(fā)展 1．黑體輻射的研究 2．普朗克的“量子”假說 3．光量子假說（二）量子力學(xué)理論的建立 1．德布羅意波 2．薛定諤的波動力學(xué) 3．海森伯的矩陣力學(xué) 4．量子力學(xué)的萬本哈根學(xué)派的詮釋,1．黑體輻射的研究,1879年德國物理學(xué)家斯特藩從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中得出了黑體單位表面積單位時間的熱輻射總能量與絕對溫度的四次方成

33、正比的定律，這個結(jié)果在1884年被玻耳茲曼從光的電磁理論和熱力學(xué)理論做出了論證。這就是斯特藩-玻耳茲曼定律,維 恩(WilhelmWien ,1864-1928) 1911年諾貝爾物理學(xué)獎授予德國烏爾茲堡大學(xué)的維恩以表彰他發(fā)現(xiàn)了熱輻射定律。,1893年維恩也由電磁學(xué)和熱力學(xué)理論得出了輻射能量最強(qiáng)的波長與黑體的溫度成反比的“位移定律”，但這兩個定律都不能具體反映輻射能量隨頻率和溫度的分布情況，只能在一定的范圍和條件下與實(shí)驗(yàn)曲線

34、相吻合。維恩因?yàn)樵诤隗w輻射方面的研究成果獲得了1911年諾貝爾物理學(xué)獎,普郎克 （Max Karl Ernst Ludwig Plank ,1858-1947） 1918年諾貝爾物理學(xué)獎授予德國柏林大學(xué)的普郎克以承認(rèn)他發(fā)現(xiàn)能量級對物理學(xué)的進(jìn)展所作的貢獻(xiàn)。,2．普朗克的“量子”假說,1900年，對熱力學(xué)有長期研究的德國物理學(xué)家普朗克綜合了維恩公式和瑞利-金斯公式，利用內(nèi)插法，引入了一個自己的常數(shù)，結(jié)果得到一個公式，而這個公式

35、與實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確相符，它就是普朗克公式，即普朗克輻射定律,普朗克的能量子假說：輻射黑體分子、原子的振動可看作諧振子，這些諧振子可以發(fā)射和吸收輻射能。但是這些諧振子只能處于某些分立的狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，諧振子的能量并不像經(jīng)典物理學(xué)所允許的可具有任意值。相應(yīng)的能量是某一最小能量（稱為能量子）的整數(shù)倍,能量子的概念是非常新奇的，它沖破了傳統(tǒng)的概念，揭示了微觀世界中一個重要規(guī)律，開創(chuàng)了物理學(xué)的一個全新領(lǐng)域。由于普朗克發(fā)現(xiàn)了能量子，對建立量子理論做

36、出了卓越貢獻(xiàn)，獲得了1918年諾貝爾物理學(xué)獎,普朗克關(guān)于能量只能以“能量子”為最小單元作不連續(xù)變化的假設(shè)，沖擊了經(jīng)典物理學(xué)長期信奉的“自然界無跳躍”的信條，徹底變革了經(jīng)典物理學(xué)中一切因果關(guān)系都是以物理量的連續(xù)變化為基礎(chǔ)的物理學(xué)思想方法,愛因斯坦 (Allbert Einstein ,1879-1955) 1921年諾貝爾物理學(xué)獎授予德國柏林馬克斯·普朗克物理研究所的愛因斯坦以表彰他在理論物理學(xué)上的發(fā)現(xiàn),特別是發(fā)現(xiàn)

37、了光電效應(yīng)的定律.,3．光量子假說,1905年6月，愛因斯坦在德國《物理學(xué)紀(jì)事》上發(fā)表的《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個啟發(fā)性觀點(diǎn)》，為研究輻射問題帶來了一個嶄新的觀點(diǎn)。他認(rèn)為，在普朗克的理論中，只考慮了腔壁上振子能量的量子化，但對空腔內(nèi)電磁輻射的處理，還是用的麥克斯韋電磁波動理論，這種觀點(diǎn)是不徹底的。在愛因斯坦看來，電磁場能量本身也是量子化的，輻射場不是連續(xù)的，而是由分立的能量子組成的。他把這種能量子稱為“光量子”。后來美國物理學(xué)家路易斯把

38、它改稱為“光子”,愛因斯坦研究了用光的能量連續(xù)分布的理論難以解釋的光電效應(yīng)現(xiàn)象由于愛因斯坦在數(shù)學(xué)物理學(xué)的成就，特別是光電效應(yīng)定律的發(fā)現(xiàn)獲得了1921年諾貝爾物理學(xué)獎,（二）量子力學(xué)理論的建立,路易斯.德布羅意 (Prince Louis-victor de Broglie ,1892-1987) 1929年諾貝爾物理學(xué)獎授予法國巴黎索本大學(xué)的路易斯.德布羅意以表彰他發(fā)現(xiàn)了電子的波動性.,1．德布羅意波,1923年9月至

39、10月間，德布羅意在連續(xù)發(fā)表了三篇論文《輻射―波和量子》、《光學(xué)－光量子、衍射和干涉》、《物理學(xué)－量子、氣體運(yùn)動理論以及費(fèi)馬原理》。在這幾篇短文中，提出了“德布羅意波”的思想。1824年，德布羅在《量子理論研究》的博士論文中，系統(tǒng)地闡述了他在前幾篇文章中提出的相波理論,他因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)了電子的波動性而獲得了1929年諾貝爾物理學(xué)獎，他也是唯一一個因博士論文而獲得諾貝爾物理學(xué)獎的人（以前的觀點(diǎn)）,五、原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展,1．原子有核模型的建立

40、2．玻爾原子結(jié)構(gòu)的量子理論3．玻爾理論的推廣,尼爾斯·玻爾 （Niels Bohr,1885-1962） 1922年諾貝爾物理學(xué)獎授予丹麥哥本哈根的尼爾斯·玻爾以表彰他在研究原子結(jié)構(gòu),特別是研究從原子發(fā)出的輻射所作的貢獻(xiàn)。,1．原子有核模型的建立,1909年，盧瑟福的助手蓋革，學(xué)生馬斯登從粒子被很薄的金箔散射的實(shí)驗(yàn)中，觀察到了一種出人意料的現(xiàn)象：大約有八千分之一的粒子的偏轉(zhuǎn)角度超過90度，有的甚至被反彈

41、回來。粒子散射實(shí)驗(yàn)的意外結(jié)果，為建立正確的原子有核棋型據(jù)供了科學(xué)依據(jù),2．玻爾原子結(jié)構(gòu)的量子理論,1913年玻爾提出的原子結(jié)構(gòu)理論，是量子論發(fā)展史上的一個重要階段。在此之前，量子論主要被用于與輻射有關(guān)的問題，玻爾的理論卻表明在描述原子的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動規(guī)律中，作用量子也具有本質(zhì)的意義。他希望把量子概念與盧瑟福原子模型結(jié)合起來，以解決原子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題,玻爾理論提出了一個動態(tài)的原于結(jié)構(gòu)輪廓，揭示了光譜線與原子結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系，從而推動了物質(zhì)結(jié)構(gòu)

42、理論的發(fā)展。玻爾由于這一杰出的工作，獲得了1922年諾貝爾物理學(xué)獎實(shí)驗(yàn)5-1 計(jì)算機(jī)虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)（前 面已提到）實(shí)驗(yàn)5-1附1 氫氘原子光譜實(shí)驗(yàn)5-1附2 阿貝比長儀和氫氘原子光 譜的測量操作指南,弗蘭克 G.赫茲 (James Franck ,1882-1964) (Gustav Hertz ,1887-1975) 1

43、925年諾貝爾物理學(xué)獎授予德國格丁根大學(xué)的弗蘭克和哈雷大學(xué)的G.赫茲以表彰他們發(fā)現(xiàn)原子受電子碰撞的定律.,弗蘭克和赫茲（德國）發(fā)現(xiàn)原子和電子的碰撞規(guī)律共同獲得了1925年諾貝爾物理學(xué)獎實(shí)驗(yàn)1-2 夫蘭克—赫茲實(shí)驗(yàn),洛倫茲 塞曼（Hendrik Lorentz，1853 -1928）（Pieter Zeeman，1865-1943） 1902年諾貝爾物理學(xué)獎授予荷蘭萊頓大學(xué)的洛倫茲和荷蘭阿姆斯特丹

44、大學(xué)塞曼,以表彰他們在研究磁性對輻射現(xiàn)象的影響所作的特殊貢獻(xiàn)。,3．玻爾理論的推廣,索末菲在1916年把一般量子化條件推廣到四個自由度，即主量子數(shù)，軌道量子數(shù)，磁量子數(shù)和電子自旋量子數(shù)，很好的解釋了塞曼效應(yīng)和堿金屬光譜的主線系，漫線系，銳線系等現(xiàn)象洛倫茲（荷蘭）和塞曼（荷蘭）關(guān)于磁場對輻射現(xiàn)象影響的研究共同獲得了1902年諾貝爾物理學(xué)獎,實(shí)驗(yàn)1-1 鈉原子光譜實(shí)驗(yàn)1-3 塞曼效應(yīng),六、原子核物理的建立與發(fā)展,（一）原子核結(jié)構(gòu)的早

45、期探索1．質(zhì)子－電子核模型2．中子的發(fā)現(xiàn)3．核磁矩的發(fā)現(xiàn)（二）粒子加速器的創(chuàng)建與發(fā)展（三）核裂變研究（四）原子能的應(yīng)用,（一）原子核結(jié)構(gòu)的早期探索,1．質(zhì)子－電子核模型,十九世紀(jì)20年代末到30年代初，人們認(rèn)識到的基本粒子僅限于質(zhì)子、電子和光子。并普遍認(rèn)為，一切物質(zhì)都是由電子和質(zhì)子構(gòu)成的,查德威克 (Sir James Chadwick ,1891-1974) 1935年諾貝爾物理學(xué)獎授予英國利物浦的查德威克以

46、表彰他發(fā)現(xiàn)了中子。,2．中子的發(fā)現(xiàn),1932年，查德威克用一種射線（中子束）轟擊氫原子核時，發(fā)現(xiàn)它被反彈了回來，說明這種射線是具有一定質(zhì)量的中性粒子流。通過對反沖核的動量測定的結(jié)果，再利用動量守恒定律進(jìn)行估算，確定出這種射線中性粒子的質(zhì)量幾乎與質(zhì)子的相同，查德威克把這種粒子定名為中子。于1932年在《自然》雜志上發(fā)表了《中子可能存在》的論文,查德威克發(fā)現(xiàn)中子，不僅改變了當(dāng)時人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，同時還為研究和變革原子核提供了一種有力的手

47、段，這促進(jìn)了核裂變工作的發(fā)展以及原子能的利用。由于這一重要發(fā)現(xiàn)，查德威克獲得了1935年諾貝爾物理學(xué)獎,3．核磁矩的發(fā)現(xiàn),在第七屆索爾維會議上，漢堡大學(xué)的斯特恩、依斯特曼、弗里施介紹了他們用氫分子束的斯特恩－革拉赫實(shí)驗(yàn)成功測定了氫核的磁矩,布洛赫 珀塞爾 (Felix Bloch ,1905-1983) (Edward Purcell ,1912-1997) 1952年諾貝爾物理學(xué)獎授予美國加利福

48、尼亞斯坦福大學(xué)的布洛赫和美國馬薩諸塞州坎伯利基哈佛大學(xué)的珀塞爾以表彰他們發(fā)現(xiàn)了核磁精密測量的新方法及由此所作的發(fā)現(xiàn)。,由布洛赫和珀塞爾所創(chuàng)立的核磁共振技術(shù)發(fā)展非常迅速。先后有80多種樣品核的磁矩都由這種方法測出。核磁共振方法在核物理研究、有機(jī)化合物的鑒定、未知化合物結(jié)構(gòu)的測定、動物和人體組織的檢測等方而都有重要應(yīng)用。核磁共振已成為波譜學(xué)的一個重要分支。由于布洛赫與泊塞爾所發(fā)現(xiàn)的核磁共振法，他們共同分享了1952年諾貝爾物理學(xué)獎,波譜學(xué)實(shí)

49、驗(yàn)基本知識實(shí)驗(yàn)3-1 核磁共振實(shí)驗(yàn)3-2 電子自旋共振實(shí)驗(yàn)3-3 光泵磁共振實(shí)驗(yàn)3-4 鐵磁共振,七、傳感及測量技術(shù),傳感器（Sensor, Transducer）是完成信息拾取、傳輸和轉(zhuǎn)換的器件。光纖傳感器（Optical fiber sensor）則是以光纖為功能材料的傳感器。經(jīng)典的傳感器是將非電量轉(zhuǎn)換為電量，而光纖傳感器則是將非光量轉(zhuǎn)換為光量。光纖傳感器與經(jīng)典傳感器的區(qū)別是，光纖傳感器以光作為感知信息的載體，而不是

50、電；采用光纖傳送信息，而不是導(dǎo)線。光纖傳感具有靈敏度高、抗電磁干擾以及耐腐蝕防燃等特點(diǎn)實(shí)驗(yàn)2-5 光纖光柵傳感實(shí)驗(yàn),光子計(jì)數(shù)也就是光電子計(jì)數(shù)，是微弱光（低于10-14W）信號探測中的一種新技術(shù)。它可以探測弱到光能量以單光子到達(dá)時的能量。目前已被廣泛應(yīng)用于喇曼散射探測、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)等許多領(lǐng)域里微弱光現(xiàn)象的研究實(shí)驗(yàn)2-6 單光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn),橢圓偏振測量（橢偏術(shù)）是研究兩媒介間界面、表面或薄膜中光學(xué)性質(zhì)變化的一種光學(xué)方法，其原理

51、是利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射時出現(xiàn)的偏振變換。在各種已有的測定薄膜厚度的方法中，如干涉法等，橢偏法是能測量厚度最薄和測量精度最高的一種，而且測量是非破壞性的，并能在一次測量中同時測定膜厚及折射率實(shí)驗(yàn)2-1 用橢圓偏振儀測透明介質(zhì)薄膜的折射率和膜厚,太陽電池，也稱為光伏電池，是將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的器件。由這種器件封裝成太陽電池組件，再按需要將一塊以上的組件組合成一定功率的太陽電池方陣，經(jīng)與儲能裝置、測量控制裝置及