物 理 學 概 覽

1、物 理 學 概 覽                  物理學是研究宇宙間物質(zhì)存在的基本形式、性質(zhì)、運動和轉(zhuǎn)化、內(nèi)部結(jié)構等方面，從而認識這些結(jié)構的組成元素及其相互作用、運動和轉(zhuǎn)化的基本規(guī)律的科學。物理學的各分支學科是按物質(zhì)的不同存在形式和不同運動形式劃分的。人對自然界的認識來自于實踐，隨著實踐的擴展和深入，物理學的內(nèi)容也在不斷擴展和深入。隨著物理學各分支學科的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的不同存在形式和不同運動形式之間存在著聯(lián)系，于是各分支學科之間

2、開始互相滲透。物理學也逐步發(fā)展成為各分支學科彼此密切聯(lián)系的統(tǒng)一整體。物理學家力圖尋找一切物理現(xiàn)象的基本規(guī)律，從而統(tǒng)一地理解一切物理現(xiàn)象。這種努力雖然逐步有所進展，但現(xiàn)在離實現(xiàn)這目標還很遙遠?？磥砣藗儗陀^世界的探索、研究是無窮無盡的。 經(jīng)典力學 經(jīng)典力學是研究宏觀物體做低速機械運動的現(xiàn)象和規(guī)律的學科。宏觀是相對于原子等微觀粒子而言的；低速是相對于光速而言的。物體的空間位置隨時間變化稱為機械運動。人們?nèi)粘Ｉ钪苯咏佑|到的并首先加以研究的都是宏觀低速的機械運動。自遠古以來，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要確定季節(jié)，人們就進行天文觀察。16世紀后期，人們對行星繞太陽的運動進行了詳細、精密的觀察。17世紀開普勒從這些

3、觀察結(jié)果中總結(jié)出了行星繞日運動的三條經(jīng)驗規(guī)律。差不多在同一時期，伽利略進行了落體和拋物體的實驗研究，從而提出關于機械運動現(xiàn)象的初步理論。牛頓深入研究了這些經(jīng)驗規(guī)律和初步的現(xiàn)象性理論，發(fā)現(xiàn)了宏觀低速機械運動的基本規(guī)律，為經(jīng)典力學奠定了基礎。亞當斯根據(jù)對天王星的詳細天文觀察，并根據(jù)牛頓的理論，預言了海王星的存在，以后果然在天文觀察中發(fā)現(xiàn)了海王星。于是牛頓所提出的力學定律和萬有引 (此 資 料 轉(zhuǎn) 貼 于 ) 力定律被普遍接受了。經(jīng)典力學中的基本物理量是質(zhì)點的空間坐標和動量：一個力學系統(tǒng)在某一時刻的狀態(tài)，由它的某一個質(zhì)點在這一時刻的空間坐標和動量表示。對于一個不受外界影響，也不影響外界，不包含其他運

4、動形式(如熱運動、電磁運動等)的力學系統(tǒng)來說，它的總機械能就是每一個質(zhì)點的空間坐標和動量的函數(shù)，其狀態(tài)隨時間的變化由總能量決定。在經(jīng)典力學中，力學系統(tǒng)的總能量和總動量有特別重要的意義。物理學的發(fā)展表明，任何一個孤立的物理系統(tǒng)，無論怎樣變化，其總能量和總動量數(shù)值是不變的。這種守恒性質(zhì)的適用范圍已經(jīng)遠遠超出了經(jīng)典力學的范圍，現(xiàn)在還沒有發(fā)現(xiàn)它們的局限性。早在19世紀，經(jīng)典力學就已經(jīng)成為物理學中十分成熟的分支學科，它包含了豐富的內(nèi)容。例如：質(zhì)點力學、剛體力學、分析力學、彈性力學、塑性力學、流體力學等。經(jīng)典力學的應用范圍，涉及到能源、航空、航天、機械、建筑、水利、礦山建設直到安全防護等各個領域。當然，工

5、程技術問題常常是綜合性的問題，還需要許多學科進行綜合研究，才能完全解決。 機械運動中，很普遍的一種運動形式就是振動和波動。聲學就是研究這種運動的產(chǎn)生、傳播、轉(zhuǎn)化和吸收的分支學科。人們通過聲波傳遞信息，有許多物體不易為光波和電磁波透過，卻能為聲波透過；頻率非常低的聲波能在大氣和海洋中傳播到遙遠的地方，因此能迅速傳遞地球上任何地方發(fā)生的地震、火山爆發(fā)或核爆炸的信息；頻率很高的聲波和聲表面波已經(jīng)用于固體的研究、微波技術、醫(yī)療診斷等領域；非常強的聲波已經(jīng)用于工業(yè)加工等。 熱學、熱力學和經(jīng)典統(tǒng)計力學 熱學是研究熱的產(chǎn)生和傳導，研究物質(zhì)處于熱狀態(tài)下的性質(zhì)及其變化的學科。人們很早就有冷熱的概念。對于熱現(xiàn)象的

6、研究逐步澄清了關于熱的一些模糊概念(例如區(qū)分了溫度和熱量)，并在此基礎上開始探索熱現(xiàn)象的本質(zhì)和普遍規(guī)律。關于熱現(xiàn)象的普遍規(guī)律的研究稱為熱力學。到19世紀，熱力學已趨于成熟。物體有內(nèi)部運動，因此就有內(nèi)部能量。19世紀的系統(tǒng)實驗研究證明：熱是物體內(nèi)部無序運動的表現(xiàn)，稱為內(nèi)能，以前稱作熱能。19世紀中期，焦耳等人用實驗確定了熱量和功之間的定量關系，從而建立了熱力學第一定律：宏觀機械運動的能量與內(nèi)能可以互相轉(zhuǎn)化。就一個孤立的物理系統(tǒng)來說，不論能量形式怎樣相互轉(zhuǎn)化，總的能量的數(shù)值是不變的，因此熱力學第一定律就是能量守恒與轉(zhuǎn)換定律的一種表現(xiàn)。 在卡諾研究結(jié)果的基礎上，克勞修斯等科學家提出了熱力學第二定律，

7、表達了宏觀非平衡過程的不可逆性。例如：一個孤立的物體，其內(nèi)部各處的溫度不盡相同，那么熱就從溫度較高的地方流向溫度較低的地方，最后達到各處溫度都相同的狀態(tài)，也就是熱平衡的狀態(tài)。相反的過程是不可能的，即這個孤立的、內(nèi)部各處溫度都相等的物體，不可能自動回到各處溫度不相同的狀態(tài)。應用熵的概念，還可以把熱力學第二定律表達為：一個孤立的物理系統(tǒng)的熵不會著時間的流逝而減少，只能增加或保持不變。當熵達到最大值時，物理系統(tǒng)就處于熱平衡狀態(tài)。 深入研究熱現(xiàn)象的本質(zhì)，就產(chǎn)生了統(tǒng)計力學。統(tǒng)計力學應用數(shù)學中統(tǒng)計分析的方法，研究大量粒子的平均行為。統(tǒng)計力學根據(jù)物質(zhì)的微觀組成和相互作用，研究由大量粒子組成的宏觀物體的性質(zhì)和

8、行為的統(tǒng)計規(guī)律，是理論 非平衡統(tǒng)計力學所研究的問題復雜，直到20世紀中期以后才取得了比較大的進展。對于一個包含有大量粒子的宏觀物理系統(tǒng)來說，系統(tǒng)處于無序狀態(tài)的幾率超過了處于有序狀態(tài)的幾率。孤立物理系統(tǒng)總是從比較有序的狀態(tài)趨向比較無序的狀態(tài)，在熱力學中，這就相應于熵的增加。處于平衡狀態(tài)附近的非平衡系統(tǒng)的主要趨向是向平衡狀態(tài)過渡。平衡態(tài)附近的主要非平衡過程是弛豫、輸運和漲落，這方面的理論逐步發(fā)展，已趨于成熟。近2030年來人們對于遠離平衡態(tài)的物理系統(tǒng)，如耗散結(jié)構等進行了廣泛的研究，取得了很大的進展，但還有很多問題等待解決。在一定時期內(nèi)，人們對客觀世界的認識總是有局限性的，認識到的只是相對的真理，經(jīng)

9、典力學和以經(jīng)典力學為基礎的經(jīng)典統(tǒng)計力學也是這樣。經(jīng)典力學應用于原子、分子以及宏觀物體的微觀結(jié)構時，其局限性就顯示出來，因而發(fā)展了量子力學。與之相應，經(jīng)典統(tǒng)計力學也發(fā)展成為以量子力學為基礎的量子統(tǒng)計力學。經(jīng)典電磁學、經(jīng)典電動力學 經(jīng)典電磁學是研究宏觀電磁現(xiàn)象和客觀物體的電磁性質(zhì)的學科。人們很早就接觸到電和磁的現(xiàn)象，并知道磁棒有南北兩極。在18世紀，發(fā)現(xiàn)電荷有兩種：正電荷和負電荷。不論是電荷還是磁極都是同性相斥，異性相吸，作用力的方向在電荷之間或磁極之間的連接線上，力的大小和它們之間的距離的平方成反比。在這兩點上和萬有引力很相似。18世紀末發(fā)現(xiàn)電荷能夠流動，這就是電流。但長期沒有發(fā)現(xiàn)電和磁之間的聯(lián)

10、系。19世紀前期，奧斯特發(fā)現(xiàn)電流可以使小磁針偏轉(zhuǎn)。而后安培發(fā)現(xiàn)作用力的方向和電流的方向，以及磁針到通過電流的導線的垂直線方向相互垂直。不久之后，法拉第又發(fā)現(xiàn)，當磁棒插入導線圈時，導線圈中就產(chǎn)生電流。這些實驗表明，在電和磁之間存在著密切的聯(lián)系。 在電和磁之間的聯(lián)系被發(fā)現(xiàn)以后，人們認識到電磁力的性質(zhì)在一些方面同萬有引力相似，另一些方面卻又有差別。為此法拉第引進了力線的概念，認為電流產(chǎn)生圍繞著導線的磁力線，電荷向各個方向產(chǎn)生電力線，并在此基礎上產(chǎn)生了電磁場的概念?，F(xiàn)在人們認識到，電磁場是物質(zhì)存在的一種特殊形式。電荷在其周圍產(chǎn)生電場，這個電場又以力作用于其他電荷。磁體和電流在其周圍產(chǎn)生磁場，而這個磁場

11、又以力作用于其他磁體和內(nèi)部有電流的物體。電磁場也具有能量和動量，是傳遞電磁力的媒介，它彌漫于整個空間。19世紀下半葉，麥克斯韋總結(jié)了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，并引進位移電流的概念。這個概念的核心思想是：變化著的電場能產(chǎn)生                              磁場；變化著的磁場也能產(chǎn)生電場。在此基礎上他提

12、出了一組偏微分方程來表達電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律。這套方程稱為麥克斯韋方程組，是經(jīng)典電磁學的基本方程。麥克斯韋的電磁理論預言了電磁波的存在，其傳播速度等于光速，這一預言后來為赫茲的實驗所證實。于是人們認識到麥克斯韋的電磁理論正確地反映了宏觀電磁現(xiàn)象的規(guī)律，肯定羬提 （，。）斯庖彩且恢值绱挪?由于電磁場能夠以力作用于帶電粒子，一個運動中的帶電粒子既受到電場的力，也受到磁場的力，洛倫茨把運動電荷所受到的電磁場的作用力歸結(jié)為一個公式，人們就稱這個力為洛倫茨力。描述電磁場基本規(guī)律的麥克斯韋方程組和洛倫茨力就構成了經(jīng)典電動力學的基礎。事實上，發(fā)電機無非是利用電動力學的規(guī)律，將機械能轉(zhuǎn)化為電磁能：電動機無非是利

13、用電動力學的規(guī)律將電磁能轉(zhuǎn)化為機械能。電報、電話、無線電、電燈也無一不是經(jīng)典電磁學和經(jīng)典電動力學發(fā)展的產(chǎn)物。經(jīng)典電動力學對生產(chǎn)力的發(fā)展起著重要的推動作用，從而對社會產(chǎn)生普遍而重要的影響。光學和電磁波 光學研究光的性質(zhì)及其和物質(zhì)的各種相互作用，光是電磁波。雖然可見光的波長范圍在電磁波中只占很窄的一個波段，但是早在人們認識到光是電磁波以前，人們就對光進行了研究。17世紀對光的本質(zhì)提出了兩種假說：一種假說認為光是由許多微粒組成的；另一種假說認為光是一種波動。19世紀在實驗上確定了光有波的獨具的干涉現(xiàn)象，以后的實驗證明光是電磁波。20世紀初又發(fā)現(xiàn)光具有粒子性，人們在深入入研究微觀世界后，才認識到光具有

14、波粒二象性。光可以為物質(zhì)所發(fā)射、吸收、反射、折射和衍射。當所研究的物體或空間的大小遠大于光波的波長時，光可以當作沿直線進行的光線來處理；但當研究深入到現(xiàn)象細節(jié)，其空間范圍和光波波長差不多大小的時候，就必須要考慮光的波動性。而研究光和微觀粒子的相互作用時，還要考慮光的粒子性。光學方法是研究大至天體、小至微生物以至分子、原子結(jié)構的非常有效的方法。利用光的干涉效應可以進行非常精密的測量。物質(zhì)所放出來的光攜帶著關于物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構的重要信息，例如：原子所放出來原子光譜的就和原子結(jié)構密切相關。近年來利用受激輻射機制所產(chǎn)生的激光能夠達到非常大的功率，且光束的張角非常小，其電場強度甚至可以超過原子內(nèi)部的電場強度

15、。利用激光已經(jīng)開辟了非線性光學等重要研究方向，激光在工業(yè)技術和醫(yī)學中已經(jīng)有了很多重要的應用。現(xiàn)在用人工方法產(chǎn)生的電磁波的波長，長的已經(jīng)達幾千米，短的不到一百萬億分之一厘米，覆蓋了近20個數(shù)量級的波段。電磁波傳播的速度大，波段又如此寬廣已成為傳遞信息的非常有力的工具。在經(jīng)典電磁學的建立與發(fā)展過程中，形成了電磁場的概念。在物理學其后的發(fā)展中，場成了非常基本、非常普遍的概念。在現(xiàn)代物理學中場的概念已經(jīng)遠遠超出了電磁學的范圍，成為物質(zhì)的一種基本的、普遍的存在形式。狹義相對論和相對論力學 在經(jīng)典力學取得很大成功以后，人們習慣于將一切現(xiàn)象都歸結(jié)為由機械運動所引起的。在電磁場概念提出以后，人們假設存在一種名

16、叫“以太”的媒質(zhì)，它彌漫于整個宇宙，滲透到所有的物體中，絕對靜止不動，沒有質(zhì)量，對物體的運動不產(chǎn)生任何阻力，也不受萬有引力的影響。可以將以太作為一個絕對靜止的參照系，因此相對于以太作勻速運動的參照系都是慣性參照系。 在慣性參照系中觀察，電磁波的傳播速度應該隨著波的傳播方向而改變。但實驗表明，在不同的、相對作勻速運動的慣性參照系中，測得的光速同傳播方向無關。特別是邁克爾遜和莫雷進行的非常精確的實驗，可靠地證明了這一點。這一實驗事實顯然同經(jīng)典物理學中關于時間、空間和以太的概念相矛盾。愛因斯坦從這些實驗事實出發(fā)，對空間、時間的概念進行了深刻的分析，提出了狹義相對論，從而建立了新的時空觀念。 狹義 （

17、物 理 學 概 覽(4) 相對論的基本假設是：在一切慣性參照系中，基本物理規(guī)律都一樣，都可用同一組數(shù)學方程來表達；對于任何一個光源發(fā)出來的光，在一切慣性參照系中測量其傳播速率，結(jié)果都相等。 在狹義相對論中，空間和時間是彼此密切聯(lián)系的統(tǒng)一體，空間距離是相對的，時間也是相對的。因此尺的長短，時間的長短都是相對的。但在狹義相對論中，并不是一切都是相對的。相對論力學的另一個重要結(jié)論是：質(zhì)量和能量是可以相互轉(zhuǎn)化的。假使質(zhì)量是物質(zhì)的量的一種度量，能量是運動的量的一種度量，則上面的結(jié)論：物質(zhì)和運動之間存在著不可分割的聯(lián)系，不存在沒有運動的物質(zhì)，也不存在沒有物質(zhì)的運動，兩者可以相互轉(zhuǎn)化。這一規(guī)律己在核能的研究

18、和實踐中得到了證實。當物體的速度遠小于光速時，相對論力學定律就趨近于經(jīng)典力學定律。固此在低速運動時，經(jīng)典力學定律仍然是很好的相對真理，非常適合用來解決工程技術中的力學問題。狹義相對論對空間和時間的概念進行了革命性的變革，并且否定了以太的概念，肯定了電磁場是一種獨立的、物質(zhì)存在的恃殊形式。由于空間和時間是物質(zhì)存在的普遍形式，因此狹義相對論對于物理學產(chǎn)生了廣泛而又深遠的影響。廣義相對論和萬有引力的基本理論 狹義相對論給牛頓萬有引力定律帶來了新問題。牛頓提出的萬有引力被認為是一種超距作用，它的傳遞不需要時間，產(chǎn)生和到達是同時的。這同狹義相對論提出的光速是傳播速度的極限相矛盾。因此，必須對牛頓的萬有引

19、力定律也要加以改造。改造的關鍵來自厄缶的實驗，它以很高的精確度證明：慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量相等，固此不論行星的質(zhì)量多大多小，只要在某一時刻它們的空間坐標和速度都相同，那末它們的運行軌道都將永遠相同。這個結(jié)論啟發(fā)了愛因斯坦設想：萬有引力效應是空間、時間彎曲的一種表現(xiàn)，從而提出了廣義相對論。根據(jù)廣義相對論，空間、時間的彎曲結(jié)構決定于物質(zhì)的能量密度、動量密度在空間、時間中的分布；而空間、時間的彎曲結(jié)構又反過來決定物體的運行軌道。在引力不強，空間、時間彎曲度很小情況下，廣義相對論的結(jié)論同牛頓萬有引力定律和牛頓運動定律的結(jié)論趨于一致；當引力較強，空間、時間彎曲較大的隋況下，就有區(qū)別。不過這種區(qū)別常常很小，難

20、以在實驗中觀察到。從廣義相對論提出到現(xiàn)在，還只有四種實驗能檢驗出這種區(qū)別。廣義相對論不僅對于天體的結(jié)構和演化的研究有重要意義，對于研究宇宙的結(jié)構和演化也有重要意義。 原子物理學、量子力學、量子電動力學 原子物理學研究原子的性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構、內(nèi)部受激狀態(tài)，以及原子和電磁場、電磁波的相互作用以及原子之間的相互作用。原子是一個很古老的概念。古代就有人認為：宇宙間萬物都是由原子組成的，原子是不可分割的、永恒 ) 不變的物質(zhì)最終單元。1897年湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子，使人們認識到原子是具有內(nèi)部結(jié)構的粒子。于是，經(jīng)典物理學的局限性進一步的暴露出來了。為此，德國科學家普朗克提出了同經(jīng)典物理學相矛盾的假設：光是由一粒

21、一粒光子組成的。這一假設導出的結(jié)論和黑體輻射及光電效應的實驗結(jié)果符合。于是，19世紀初被否定了的光的微粒說又以新的形式出現(xiàn)了。 1911年，盧瑟福用粒子散射實驗發(fā)現(xiàn)原子的絕大部分質(zhì)量，以及內(nèi)部的正電荷集中在原子中心一個很小的區(qū)域內(nèi)，這個區(qū)域的半徑只有原子半徑的萬分之一左右，因此稱為原子核。這才使人們對原子的內(nèi)部結(jié)構得到了一個定性的、符合實際的概念。在某些方面，原子類似一個極小的太陽系，只是太陽和行星之間的作用力是萬有引力，而原子核和電子間的作用力是電磁力。原子物理學的基本理論主要是由德布羅意、海森堡、薛定諤、狄里克萊等所創(chuàng)建的量子力學和量子電動力學。它們與經(jīng)典力學和經(jīng)典電動力學的主要區(qū)別是：物

22、理量所能取的數(shù)值是不連續(xù)的；它們所反映的規(guī)律不是確定性的規(guī)律，而是統(tǒng)計規(guī)律。應用量子力學和量子電動力學研究原子結(jié)構、原子光譜、原子發(fā)射、吸收、散射光的過程，以及電子、光子和電磁場的相互作用和相互轉(zhuǎn)化過程非常成功，理論結(jié)果同最精密的實驗結(jié)果相符合。微觀客體的一個基本性質(zhì)是波粒二象性。粒子和波是人在宏觀世界的實踐中形成的概念，它們各自描述了迥然不同的客體。但從宏觀世界實踐中形成的概念未必恰巧適合于描述微觀世界的現(xiàn)象。現(xiàn)在看來，需要粒              

23、                子和波動兩種概念互相補充，才能全面地反映微觀客體在各種不同的條件下所表現(xiàn)的性質(zhì)。這一基本特點的另一種表現(xiàn)方式是海森伯的測不準原理：不可能同時測準一個粒子的位置和動量，位置測得愈準，動量必然測得愈不準；動量測的愈準，位置必然測得愈不準。量子力學和量子電動力學產(chǎn)生于原子物理學的研究，但是它們起作用的范圍遠遠超出原子物理學。量子力學是所有微觀、低速現(xiàn)象所遵循的規(guī)律，固此不僅應用于原子物理，也應用于分子物理學、原子核物理學以及宏觀物

24、體的微觀結(jié)構的研究。量子電動力學則是所有微觀電磁現(xiàn)象所必須遵循的規(guī)律，直到現(xiàn)在，還沒有發(fā)現(xiàn)量子電動力學的局限性。量子統(tǒng)計力學 量子力學為基礎的統(tǒng)計力學，稱為量子統(tǒng)計力學。經(jīng)典統(tǒng)計力學以經(jīng)典力學為基礎，因而經(jīng)典統(tǒng)計力學也具有局限性。例如：隨著溫度趨于絕對零度，固體的熱也趨于零的實驗現(xiàn)象，就無法用經(jīng)典統(tǒng)計力學來解釋。在宏觀世界中，看起來相同的物體總是可以區(qū)別的，在微觀世界中，同一類粒子卻無法區(qū)分。例如：所有的電子的一切性質(zhì)都完全一樣。在宏觀物理現(xiàn)象中，將兩個宏觀物體交換，就得到一個和原來狀態(tài)不同的狀態(tài)，進行統(tǒng)計時必須將交換前和交換后的狀態(tài)當作兩個不同的狀態(tài)處理；但是在一個物理系統(tǒng)中，交換兩個電子后

25、，得到的還是原來的狀態(tài)，因此進行統(tǒng)計時，必須將交換前和交換后的狀態(tài)當作同一個狀態(tài)來處理。根據(jù)微觀世界的這些規(guī)律改造經(jīng)典統(tǒng)計力學，就得到量子統(tǒng)計力學。應用量子統(tǒng)計力學就能使一系列經(jīng)典統(tǒng)計力學無法解釋的現(xiàn)象，如黑體輻射、低溫下的固體比熱窖、固體中的電子為什么對比熱的貢獻如此小等等， 本文物 理 學 概 覽(6)- 都得到了合理的解釋。固體物理學 固體物理學是研究固體的性質(zhì)、它的微觀結(jié)構及其各種內(nèi)部運動，以及這種微觀結(jié)構和內(nèi)部運動同固體的宏觀性質(zhì)的關系的學科。固體的內(nèi)部結(jié)構和運動形式很復雜，這方面的研究是從晶體開始的，因為晶體的內(nèi)部結(jié)構簡單，而且具有明顯的規(guī)律性，較易研究。以后進一步研究一切處于凝聚

26、狀態(tài)的物體的內(nèi)部結(jié)構、內(nèi)部運動以及它們和宏觀物理性質(zhì)的關系。這類研究統(tǒng)稱為凝聚態(tài)物理學。固體中電子的運動狀態(tài)服從量子力學和量子電動力學的規(guī)律。在晶體中，原子(離子、分子)有規(guī)則地排列，形成點陣。20世紀初勞厄和法國科學家布拉格父子發(fā)展了 X射線衍射法，用以研究晶體點陣結(jié)構。第二次世界大戰(zhàn)以后，又發(fā)展了中子衍射法，使晶體點陣結(jié)構的實驗研究得到了進一步發(fā)展。 在晶體中，原子的外層電子可能具有的能量形成一段一段的能帶。電子不可能具有能帶以外的能量值。按電子在能帶中不同的填充方式，可以把晶體區(qū)別為金屬、絕緣體和半導體。能帶理論結(jié)合半導體鍺和硅的基礎研究，高質(zhì)量的半導體單晶生長和摻雜技術，為晶體管的產(chǎn)生

27、準備了理論基礎。電子具有自旋和磁矩，它們和電子在晶體中的軌道運動一起，決定了晶體的磁學性質(zhì)，晶體的許多性質(zhì)(如力學性質(zhì)、光學性質(zhì)、電磁性質(zhì)等)常常不是各向同性的。作為一個整體的點陣，有大量內(nèi)部自由度，因此具有大量的集體運動方式，具有各式各樣的元激發(fā)。晶體的許多性質(zhì)都和點陣的結(jié)構及其各種運動模式密切相關，晶體內(nèi)部電子的運動和點陣的運動之間相耦合，也對固體的性質(zhì)有重要的影響。例如1911年發(fā)現(xiàn)的低溫超導現(xiàn)象；1960年發(fā)現(xiàn)的超導體的單電子隧道效應。這些效應都和這種不同運動模式之間的耦合相關。晶體內(nèi)部的原子可以形成不同形式的點陣。處于不同形式點陣的晶體，雖然化學成分相同，物理性質(zhì)卻可能不同。不同的點

28、陣形式具有不同的能量：在低溫時，點陣處于能量最低的形式；當晶體的內(nèi)部能量增高，溫度升高到一定數(shù)值，點陣就會轉(zhuǎn)變到能量較高的形式。這種轉(zhuǎn)變稱為相變，相變會導致晶體物理性質(zhì)的改變，相變是重要的物理現(xiàn)象，也是重要的研究課題。點陣結(jié)構完好無缺的晶體是一種理想的物理狀態(tài)。實際晶體內(nèi)部的點陣結(jié)構總會有缺陷：化學成分不會絕對純，內(nèi)部會含有雜質(zhì)。這些缺陷和雜質(zhì)對固體的物理性質(zhì)(包括力學、電學、碰學、發(fā)光學等)以及功能材料的技術性能，常常會產(chǎn)生重要的影響。大規(guī)模集成電路的制造工藝中，控制和利用雜質(zhì)和缺陷是很重要的晶體的表面性質(zhì)和界面性質(zhì)，會對許多物理過程和化學過程產(chǎn)生重要的影響。所有這些都已成為固體物理研究中的

29、重要領域。非晶態(tài)固體內(nèi)部結(jié)構的無序性使得對于它們的研究變得更加復雜。非晶態(tài)固體有一些特殊的物理性質(zhì)，使得它有多方面的應用。這是一個正在發(fā)展中的新的研究領域。固體物理對于技術的發(fā)展有很多重要的應用，晶體管發(fā)明以后，集成電路技術迅速發(fā)展，電子學技術、計算技術以至整個信息產(chǎn)業(yè)也隨之迅速發(fā)展。其經(jīng)濟影響和社會影響是革命性的。這種影響甚至在日常生活中也處處可見。固體物理學 ( 物 理 學 概 覽(7) ) 也是材料科學的基礎。原子核物理學 原子核是比原子更深一個層次的物質(zhì)結(jié)構。原子核物理學是研究原子核的性質(zhì)，它的內(nèi)部結(jié)構、內(nèi)部運動、內(nèi)部激發(fā)狀態(tài)、衰變過程、裂變過程以及它們之間的反應過程的學科。在原子核被

30、發(fā)現(xiàn)以后，曾經(jīng)以為原子核是由質(zhì)子和電子組成的。1932年，英國科學家查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，這才使人們認識到原子核可能具有更復雜的結(jié)構。 質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子，中子不帶電，質(zhì)子帶正電荷，因此質(zhì)子間存在著靜電排斥力。萬有引力雖然使各核子相互吸引，但在兩個質(zhì)子之間的靜電排斥力比它們之間的萬有引力要大萬億億倍以上。所以，一定存在第三種基本相互作用強相互作用力。人們將核子結(jié)合成為原子核的力稱為核力，核力來源于強相互作用。從原子核的大小以及核子和核子碰撞時的截面估計，核力的有效作用距離力程約為一千萬億分之一米。原子核主要由強相互作用將核子結(jié)合而成，當原子核的結(jié)構發(fā)生變化或原子核之間發(fā)生反應時，要吸收或放出很

31、大的能量。一些很重的原子核(如鈾原子核)在吸收一個中子以后，會裂變成為兩個較輕的原子核，同時放出二十到三十中子和很大的能量。兩個很輕的原子核也能熔合成為一個較重的原子核，同時放出巨大的能量。這種原子核熔合過程叫作聚變。 粒子加速器的發(fā)明和裂變反應堆的建成，使人們能夠獲得大量能量較高的質(zhì)子、電子、光子、原子核和大量中子。可以用來轟擊原子核，系統(tǒng)地開展關于原子核的性質(zhì)及其運動、轉(zhuǎn)化和相互作用過程的研究。晶體的許多性質(zhì)都和點陣的結(jié)構及其各種運動模式密切相關，晶體內(nèi)部電子的運動和點陣的運動之間相耦合，也對固體的性質(zhì)有重要的影響。例如1911年發(fā)現(xiàn)的低溫超導現(xiàn)象；1960年發(fā)現(xiàn)的超導體的單電子隧道效應。這些效應都和這種不同運動模式之間的耦合相關。晶體內(nèi)部的原子可以形成不同形式的點陣。處于不同形式點陣的晶體，雖然化學成分相同，物理性質(zhì)卻可能不同。不同的點陣形式具有不同的能量：在低溫時，點陣處于能量最低的形式；當晶體的內(nèi)部能量增高，溫度升高到一定數(shù)值，點陣就會轉(zhuǎn)變