經(jīng)典和近代物理學(xué)史——兼談諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)和一些技術(shù)

1、經(jīng)典和近代物理學(xué)史 兼談諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)和一些技術(shù)物理實(shí)驗(yàn)中心近代物理實(shí)驗(yàn)室2008.2.21歷史回顧 一、經(jīng)典物理學(xué)的成就和基本觀念一、經(jīng)典物理學(xué)的成就和基本觀念 二、現(xiàn)代物理學(xué)革命的序幕二、現(xiàn)代物理學(xué)革命的序幕 三、相對(duì)論的建立三、相對(duì)論的建立 四、量子論的初期發(fā)展與量子力學(xué)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)展六、原子核物理的建立與發(fā)展 七、傳感及測(cè)量技術(shù)七、傳感及測(cè)量技術(shù)歷史回顧（I） 1900年普朗克量子論 1905年愛(ài)因斯坦相對(duì)論 開(kāi)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(gè)字宙，在時(shí)間尺度上

2、從小于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(chǎng)理論為無(wú)線(xiàn)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(guó)）發(fā)明了微波技術(shù)，拉姆（美國(guó)）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(kù)什（美國(guó)）用射頻束技術(shù)精確地測(cè)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(jiǎng) 微波實(shí)驗(yàn)基本知識(shí)和實(shí)驗(yàn)微波實(shí)驗(yàn)基本知識(shí)和實(shí)驗(yàn)4-1 反射式速調(diào)管的特性反射式速調(diào)管的特性和波導(dǎo)工作狀態(tài)的測(cè)量和波導(dǎo)工作狀態(tài)的測(cè)量歷史回顧（III） 磁光效應(yīng)指的是具有固有磁矩的物質(zhì)在外磁場(chǎng)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

3、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(chǎng)加在玻璃樣品上時(shí)，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(guò)的電磁鐵磁極反射出來(lái)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了磁光克爾效應(yīng)（magneto-optic Kerr effect） 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)2-3 2-3 法拉第效應(yīng)法拉第效應(yīng) 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)2-4 2-4 磁光克爾效應(yīng)磁光克爾效應(yīng)歷史回顧（V） 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(gè)全新的框架，改變了我們最基本的測(cè)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

4、研制奇異材料和激光器件開(kāi)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(kāi)了今天發(fā)生在我們周?chē)挠?jì)算機(jī)革命的序幕。沒(méi)有人能夠知道這場(chǎng)革命最終將會(huì)如何改變我們的生活和人類(lèi)社會(huì)，但是它所顯露出的信息社會(huì)的近期前景巳十分誘人 肖克利、巴丁、布拉頓因發(fā)明晶體管及對(duì)晶體管效應(yīng)的研究共同獲得了1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 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)實(shí)驗(yàn)5-4 5-4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理及組裝調(diào)試計(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) 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)5-1 5-1 計(jì)算機(jī)虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)5-2 5-2 計(jì)

5、算機(jī)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)（混沌系統(tǒng)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)（混沌系統(tǒng) 模型的一個(gè)例子）模型的一個(gè)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（一）經(jīng)典力學(xué)和機(jī)械決定論 （二）熱力學(xué)與能量和熵（二）熱力學(xué)與能量和熵 （三）經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和（三）經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和“以太以太”說(shuō)說(shuō) （四）經(jīng)典物理學(xué)的完成和局限（四）經(jīng)典物理學(xué)的完成和局限 由伽利略(15641642)和牛頓(16421727)等人于17世紀(jì)創(chuàng)立的經(jīng)典物理學(xué)，經(jīng)過(guò)18世紀(jì)在各個(gè)基礎(chǔ)部門(mén)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(gè)包括力、熱、聲、光、電力、熱、聲、光、電諸學(xué)科在內(nèi)的、宏偉完整

6、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(dòng)力學(xué)、經(jīng)經(jīng)典力學(xué)、經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)、經(jīng)典熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)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(duì)人類(lèi)的科學(xué)認(rèn)識(shí)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（一）經(jīng)典力學(xué)和機(jī)械決定論 由牛頓把它概括在一個(gè)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(dòng)力學(xué)的三個(gè)基本原理和萬(wàn)有引力動(dòng)力學(xué)的三個(gè)基本原理和萬(wàn)有引力定律定律。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(dòng)力學(xué)方程等價(jià)的歐拉

7、歐拉拉格朗日方程拉格朗日方程，并最終于1834年由英國(guó)的哈密頓(18051865)提出了哈密頓哈密頓原理和正則方程原理和正則方程，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(gè)最大的飛躍 （二）熱力學(xué)與能量和熵（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(gè)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(guò)程的不可逆性和歷史性 在經(jīng)典力學(xué)和電磁場(chǎng)理論中，基本物理定律中的時(shí)間都是對(duì)稱(chēng)的、可逆的，它們的基本方程對(duì)時(shí)間反演都是具有對(duì)稱(chēng)性的，運(yùn)動(dòng)對(duì)于過(guò)去和未來(lái)沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別，時(shí)間在那

8、里僅僅是從外部描述運(yùn)動(dòng)的一個(gè)參量，它的變化對(duì)運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)并無(wú)影響。因而時(shí)間箭頭在那里沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的意義 “統(tǒng)計(jì)力學(xué)”這個(gè)名稱(chēng)是1884年由美國(guó)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(dòng)論的兩個(gè)基本的研究方向統(tǒng)一到一個(gè)有機(jī)整體之中，完成了統(tǒng)計(jì)力學(xué)這個(gè)經(jīng)典物理學(xué)的又一次理論大綜合（三）經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和（三）經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和“以太以太”說(shuō)說(shuō) 1862年，麥克斯韋引入了一個(gè)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(dòng)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(dòng)本性。麥克

9、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（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(dòng)力學(xué)為三大支柱的經(jīng)典物理學(xué)，結(jié)合成一座具有雄偉的建筑體系和動(dòng)人心弦的“美麗的殿堂”，達(dá)到了它的顛峰時(shí)期 在力學(xué)方面，與機(jī)械觀相聯(lián)系的絕對(duì)時(shí)間、絕對(duì)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(píng)，牛頓對(duì)于引力的本質(zhì)問(wèn)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(shí)傳遞的超距作用，這與19世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的場(chǎng)物理學(xué)是根本對(duì)立的 在熱學(xué)方面

10、，熵增加原理揭示的與熱現(xiàn)象有關(guān)的自然過(guò)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(dòng)力學(xué)原理之間深刻的內(nèi)在矛盾，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(cè)，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(xiě)的場(chǎng)，是具有能量的不能再簡(jiǎn)化的物理實(shí)在，這又與經(jīng)典力學(xué)把運(yùn)動(dòng)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）（一）19世紀(jì)末的三大發(fā)現(xiàn)世紀(jì)末的三大發(fā)現(xiàn) 1X射線(xiàn)的發(fā)現(xiàn) 2放射性的發(fā)現(xiàn) 3電子的

11、發(fā)現(xiàn)（二）經(jīng)典物理學(xué)的兩朵烏云（二）經(jīng)典物理學(xué)的兩朵烏云 1第一朵烏云“以太”學(xué)說(shuō) 2第二朵烏云“紫外災(zāi)難”（一）（一）19世紀(jì)末的三大發(fā)現(xiàn)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(jiǎng)授予德國(guó)物理學(xué)家倫琴以表彰他在1895年發(fā)現(xiàn)的X射線(xiàn)。 1X射線(xiàn)的發(fā)現(xiàn)射線(xiàn)的發(fā)現(xiàn) 1895年11月倫琴發(fā)現(xiàn)X射線(xiàn)，一種具有強(qiáng)穿透力的新的射線(xiàn)，它是由陰極射線(xiàn)打到玻璃管壁上所產(chǎn)生的；它可以穿透厚達(dá)一千頁(yè)的書(shū)、幾厘米厚的木板、15毫米厚的鋁片，并可用照相的方法透過(guò)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190

12、1年首屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)勞厄 (Max von Laue ,1879-1960) 1914年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予德國(guó)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(xiàn)衍射。亨利布拉格 勞倫斯布拉格 (William Henry Bragg ,1862-1942) （William Lawrence Bragg, 1890-1971） 1915年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國(guó)倫敦大學(xué)的亨利.布拉格和他的兒子英國(guó)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(xiàn)對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的分析所作的貢獻(xiàn)。 1912年，德國(guó)物理學(xué)家勞厄才從晶體衍射的新發(fā)現(xiàn)判定X射線(xiàn)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

13、遷所發(fā)出的輻射勞厄（德國(guó)）發(fā)現(xiàn)晶體中的X射線(xiàn)衍射現(xiàn)象獲得了1914年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) WH布拉格、WL布拉格（英國(guó)）因用X射線(xiàn)對(duì)晶體結(jié)構(gòu)的研究共同獲得了1915年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)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(jiǎng)一半授予法國(guó)物理學(xué)家亨利貝克勒爾以表彰他發(fā)現(xiàn)了自發(fā)放射性；另一半授予法國(guó)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(duì)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

14、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(xiàn)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(shí)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(wú)關(guān)，隨后，她和德國(guó)的施米特同時(shí)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(chēng)為“放射性”，以區(qū)別于一般的射線(xiàn)。以后釙和鐳的發(fā)現(xiàn)，動(dòng)搖了長(zhǎng)期以來(lái)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(jiǎng) 元素衰變理論是

15、一個(gè)革命性的理論，它打破了自古以來(lái)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(gè)理論雖然受到了門(mén)捷列夫和開(kāi)爾文等科學(xué)泰斗的激烈反對(duì)，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(jiǎng)授予英國(guó)劍橋大學(xué)的J.J.湯姆孫爵士以表彰他對(duì)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(guó)物理學(xué)家J.J.湯姆遜支持帶電微粒說(shuō)。于1897年對(duì)陰極射線(xiàn)進(jìn)行了周密的實(shí)驗(yàn)考察。用磁場(chǎng)使陰極射線(xiàn)發(fā)生偏轉(zhuǎn)

16、而進(jìn)入法拉第筒，證明負(fù)電荷確實(shí)來(lái)自陰極射線(xiàn)。他通過(guò)陰極射線(xiàn)在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中分別發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)偏轉(zhuǎn)量的測(cè)定，計(jì)算出了陰極射線(xiàn)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(jí) 約瑟夫湯姆生（J.J.湯姆遜）（英國(guó)）對(duì)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(jiǎng)（二）經(jīng)典物理學(xué)的兩朵烏云（二）經(jīng)典物理學(xué)的兩朵烏云 1900年4月27日，開(kāi)爾文在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)以19世紀(jì)熱和光的動(dòng)力理論上空的烏云為題所作的長(zhǎng)篇演講中，雖然認(rèn)為物理學(xué)是萬(wàn)里晴空，但又說(shuō)：“動(dòng)力學(xué)理論斷言熱和光都是運(yùn)動(dòng)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

17、蔽得黯然失色了。 第一朵烏云是隨著光的波動(dòng)理論而開(kāi)始出現(xiàn)的。菲涅耳和托馬斯楊研究過(guò)這個(gè)理論，它包括這樣一個(gè)問(wèn)題：地球如何通過(guò)本質(zhì)上是光以太這樣的彈性固體而運(yùn)動(dòng)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(shuō)?！边@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(dòng)論理論的困難1第一朵烏云“以太”學(xué)說(shuō)相對(duì)性原理是經(jīng)典力學(xué)的一個(gè)最基本的原理，這個(gè)原理認(rèn)為，絕對(duì)靜止和絕對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)都是不存在的，一切可測(cè)量的、因而也是有物理意義的運(yùn)動(dòng)，都是相對(duì)于某一參照物的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。牛頓本人也充分意識(shí)到了確定“絕對(duì)運(yùn)動(dòng)”的困難，最后只能以臆測(cè)性的“絕對(duì)空間”的存在作為避難所麥克斯韋的電磁場(chǎng)理論獲得成功之后，電磁

18、波的載體以太，就成了物化的絕對(duì)空間，靜止于宇宙中的以太就構(gòu)成了一切物體的“絕對(duì)運(yùn)動(dòng)”的背景框架。既然以太也是一種物質(zhì)存在，或者說(shuō)它表征著物化了的絕對(duì)空間，當(dāng)然就可以通過(guò)精密的實(shí)驗(yàn)測(cè)出物體相對(duì)于以太背景的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)美國(guó)物理學(xué)家邁克爾遜（18521931）在1881年，他和莫雷（18381923）在1887年利用干涉儀所進(jìn)行的精密光學(xué)實(shí)驗(yàn)，都未能觀察到所預(yù)期的以太相對(duì)于地球的運(yùn)動(dòng)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(dòng)論中的一個(gè)重要問(wèn)題。開(kāi)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(shuō)”。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

19、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(zhǎng)比較長(zhǎng)、溫度比較高的時(shí)候和實(shí)驗(yàn)事實(shí)比較符合的黑體輻射公式。但是，這個(gè)公式推出，在短波區(qū)（紫外光區(qū)）隨著波長(zhǎng)的變短，輻射強(qiáng)度可以無(wú)止境地增加，這和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相差十萬(wàn)八千里，是根本不可能的。所以這個(gè)失敗被埃倫菲斯特稱(chēng)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(chǎng)大變革。第一朵烏云“以太”學(xué)說(shuō)導(dǎo)致了相對(duì)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(shuō)，對(duì)這兩朵“烏云”的研究就標(biāo)志著現(xiàn)代物理時(shí)代的到來(lái)三、相對(duì)論的建立（一）狹義相對(duì)論的建立（一）狹義相對(duì)論的建立 1以太漂移實(shí)驗(yàn)與收縮假說(shuō) 2洛侖茲

20、變換 3彭加勒的相對(duì)性原理 4狹義相對(duì)論基本原理的提出 5閔科夫斯基的4維世界 （二）廣義相對(duì)論的建立（二）廣義相對(duì)論的建立（一）狹義相對(duì)論的建立（一）狹義相對(duì)論的建立1以太漂移實(shí)驗(yàn)與收縮假說(shuō) 自從19世紀(jì)初，光的波動(dòng)說(shuō)復(fù)活以來(lái)，關(guān)于傳光的媒質(zhì)，始終是一個(gè)爭(zhēng)論的話(huà)題。人們認(rèn)為光的波動(dòng)必須有一個(gè)載體，它就是“以太”。關(guān)于以太的存在形式在當(dāng)時(shí)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(shuō)是正確的，在地球高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)存在著“以太風(fēng)”。多年來(lái)，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(cè)量地球在靜止以太中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，它們均給出

21、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(jiǎng)授予芝加哥大學(xué)的邁克耳孫以表彰他對(duì)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(cè)量方面一直享有國(guó)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(jiǎng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)2-2 2-2 光拍法測(cè)量光的速度光拍法測(cè)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(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)與相對(duì)靜止參照系間，同一物理現(xiàn)象間的坐標(biāo)變換問(wèn)題，在

22、一級(jí)近似下，提出了洛侖茲變換關(guān)系。這一工作對(duì)以后的狹義相對(duì)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)中的電磁現(xiàn)象的論文。在這篇論文中，他發(fā)表了著名的時(shí)空相對(duì)論變換公式，這就是后來(lái)所稱(chēng)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(gè)是粒子質(zhì)量隨速度變化的公式，一個(gè)是粒子在以太中運(yùn)動(dòng)的速度不可能大于光速3彭加勒的相對(duì)性原理 在物理學(xué)的這場(chǎng)變革中，彭加勒在物理學(xué)的幾個(gè)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(duì)性原理的建立。1895年，彭加勒首次提出了相對(duì)性原理的想法。他認(rèn)為，各種實(shí)驗(yàn)事實(shí)的結(jié)論都

23、可以表明，“要證明物質(zhì)的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)，或者更確切地說(shuō)，要證明可稱(chēng)量物質(zhì)相對(duì)以太的運(yùn)動(dòng)是不可能的?！?狹義相對(duì)論基本原理的提出 在狹義相對(duì)論中，愛(ài)因斯坦成功地把時(shí)間與空間、物質(zhì)與運(yùn)動(dòng)、質(zhì)量與能量、多普勒效應(yīng)與光行差效應(yīng)、電場(chǎng)與磁場(chǎng)分別統(tǒng)一起來(lái)了，直至把經(jīng)典力學(xué)與經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)統(tǒng)一起來(lái)，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?xún)?yōu)美的數(shù)學(xué)形式，揭示了3維空間與1維時(shí)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(dòng)力學(xué)的概念及重要規(guī)律得以進(jìn)一步地簡(jiǎn)化與統(tǒng)一，它們被自然與和諧地納入到相對(duì)論的理論之中 （二）廣義相對(duì)論的建立（二）廣義相對(duì)論的建立

24、 按狹義相對(duì)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(duì)各物理定律而言。各個(gè)慣性系都應(yīng)彼此等效。狹義相對(duì)論在說(shuō)明慣性運(yùn)動(dòng)的相對(duì)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(dòng)。最終又回到了不動(dòng)的絕對(duì)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（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(shuō) 3光量子假說(shuō)（二）量子力學(xué)理論的建立（二）量子力學(xué)理論的建立 1德布羅意波 2薛定諤的波動(dòng)力學(xué) 3海森伯的矩陣力學(xué) 4量子力學(xué)的萬(wàn)本哈根學(xué)派的詮釋1黑體輻射的研究 1879年德國(guó)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

25、積單位時(shí)間的熱輻射總能量與絕對(duì)溫度的四次方成正比的定律，這個(gè)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(jiǎng)授予德國(guó)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(zhǎng)與黑體的溫度成反比的“位移定律”，但這兩個(gè)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(xiàn)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(jiǎng)普郎克 （Max Karl Ernst Ludwig Pla

26、nk ,1858-1947） 1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予德國(guó)柏林大學(xué)的普郎克以承認(rèn)他發(fā)現(xiàn)能量級(jí)對(duì)物理學(xué)的進(jìn)展所作的貢獻(xiàn)。 2普朗克的“量子”假說(shuō) 1900年，對(duì)熱力學(xué)有長(zhǎng)期研究的德國(guó)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(gè)自己的常數(shù)，結(jié)果得到一個(gè)公式，而這個(gè)公式與實(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(shuō)：輻射黑體分子、原子的振動(dòng)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(chēng)為能量子）的整數(shù)倍 能量子的概念

27、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(gè)重要規(guī)律，開(kāi)創(chuàng)了物理學(xué)的一個(gè)全新領(lǐng)域。由于普朗克發(fā)現(xiàn)了能量子，對(duì)建立量子理論做出了卓越貢獻(xiàn)，獲得了1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 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(zhǎng)期信奉的“自然界無(wú)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(ài)因斯坦 (Allbert Einstein ,1879-1955) 1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予德國(guó)柏林馬克斯普朗克物理研究所的愛(ài)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)了光電效應(yīng)的定律. 3光量子假說(shuō) 1905年6月，愛(ài)因斯

28、坦在德國(guó)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(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)，為研究輻射問(wèn)題帶來(lái)了一個(gè)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(duì)空腔內(nèi)電磁輻射的處理，還是用的麥克斯韋電磁波動(dòng)理論，這種觀點(diǎn)是不徹底的。在愛(ài)因斯坦看來(lái)，電磁場(chǎng)能量本身也是量子化的，輻射場(chǎng)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(chēng)為“光量子”。后來(lái)美國(guó)物理學(xué)家路易斯把它改稱(chēng)為“光子” 愛(ài)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(ài)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(jiǎng)（二）量子力學(xué)理論的建立（二）量子力學(xué)理論的建立路易斯.德布

29、羅意 (Prince Louis-victor de Broglie ,1892-1987) 1929年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予法國(guó)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(dòng)性. 1德布羅意波 1923年9月至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(dòng)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(dòng)性而獲得了1929年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，他也是唯一一個(gè)因博士論文而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的人（以前的觀點(diǎn)）五、原子結(jié)構(gòu)理論

30、的發(fā)展 1原子有核模型的建立 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(jiǎng)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(guò)90度，有的甚至被反彈回來(lái)。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

31、論發(fā)展史上的一個(gè)重要階段。在此之前，量子論主要被用于與輻射有關(guān)的問(wèn)題，玻爾的理論卻表明在描述原子的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)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(lái)，以解決原子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問(wèn)題玻爾理論提出了一個(gè)動(dòng)態(tài)的原于結(jié)構(gòu)輪廓，揭示了光譜線(xiàn)與原子結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系，從而推動(dòng)了物質(zhì)結(jié)構(gòu)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(jiǎng) 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)5-1 5-1 計(jì)算機(jī)虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)（前計(jì)算機(jī)虛擬仿真物理實(shí)驗(yàn)（前 面已提到）面已提到） 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)5-15-1附附1 1 氫氘原子光譜氫氘原子光譜 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)5-15-1附附2 2 阿貝比長(zhǎng)儀和氫氘原子光阿貝比長(zhǎng)儀和氫氘原子

32、光 譜的測(cè)量操作指南譜的測(cè)量操作指南弗蘭克 G.赫茲 (James Franck ,1882-1964) (Gustav Hertz ,1887-1975) 1925年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予德國(guó)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(guó)）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(jiǎng)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)1-2 1-2 夫蘭克夫蘭克赫茲實(shí)驗(yàn)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(jiǎng)授予荷蘭萊頓大學(xué)的洛倫茲和荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)塞曼,以表彰他們?cè)?/p>

33、研究磁性對(duì)輻射現(xiàn)象的影響所作的特殊貢獻(xiàn)。 3玻爾理論的推廣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(gè)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(xiàn)系，漫線(xiàn)系，銳線(xiàn)系等現(xiàn)象洛倫茲（荷蘭）和塞曼（荷蘭）關(guān)于磁場(chǎng)對(duì)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(jiǎng) 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)1-1 1-1 鈉原子光譜鈉原子光譜實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)1-3 1-3 塞曼效應(yīng)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

34、早期探索（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(shí)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(jiǎng)授予英國(guó)利物浦的查德威克以表彰他發(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(xiàn)（中子束）轟擊氫原子核時(shí)，發(fā)現(xiàn)它被反彈了回來(lái)，說(shuō)明這種射線(xiàn)是具有一定質(zhì)量的中性粒子流。通過(guò)對(duì)反沖核的動(dòng)量測(cè)定的結(jié)果，再利用動(dòng)量守恒定律進(jìn)行估算，確定出這種射線(xiàn)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

35、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(shí)人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)還為研究和變革原子核提供了一種有力的手段，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(jiǎng)3核磁矩的發(fā)現(xiàn)在第七屆索爾維會(huì)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(cè)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(jiǎng)授予美國(guó)加利福尼亞斯坦福大學(xué)的布洛赫和美國(guó)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(cè)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(cè)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(cè)定、動(dòng)物和人體組織的檢測(cè)等方而都有重要應(yīng)用。核磁共振已成為波譜學(xué)的一個(gè)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(jiǎng)卡斯特勒(Alfred