高二物理能量量子化2省公開(kāi)課金獎(jiǎng)全國(guó)賽課一等獎(jiǎng)微課獲獎(jiǎng)?wù)n件

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)1/96歷史回顧一、經(jīng)典物理學(xué)成就和基本觀念二、當(dāng)代物理學(xué)革命序幕三、相對(duì)論建立四、量子論早期發(fā)展與量子力學(xué)建立五、原子結(jié)構(gòu)理論發(fā)展六、原子核物理建立與發(fā)展七、傳感及測(cè)量技術(shù)2/96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)辟了當(dāng)代物理學(xué)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)間尺度上從小于10-21秒到宇宙年紀(jì)3/96歷史回顧（II）—百多年前創(chuàng)建麥克斯韋電磁場(chǎng)理論為無(wú)線電、電視、雷達(dá)技術(shù)創(chuàng)造和龐大工業(yè)電力網(wǎng)絡(luò)以及當(dāng)代通汛系統(tǒng)建立奠定了理淪基礎(chǔ)拉姆（美國(guó)）創(chuàng)造了微波技術(shù)，進(jìn)而研究氫原子精細(xì)結(jié)構(gòu)；庫(kù)什（美國(guó)）用射頻束技術(shù)準(zhǔn)確地測(cè)定出電子磁矩，創(chuàng)新了核理論，共同取得了1955年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)微波試驗(yàn)基本知識(shí)和試驗(yàn)4-1反射式速調(diào)管特征和波導(dǎo)工作狀態(tài)測(cè)量4/96歷史回顧（III）

磁光效應(yīng)指是含有固有磁矩物質(zhì)在外磁場(chǎng)作用下，電磁特征發(fā)生改變，因而使光波在其內(nèi)部傳輸特征也發(fā)生改變現(xiàn)象。1845年，MichaelFaraday首先發(fā)覺(jué)了磁光效應(yīng)，他發(fā)覺(jué)當(dāng)外加磁場(chǎng)加在玻璃樣品上時(shí)，透射光偏振面將發(fā)生旋轉(zhuǎn)5/96歷史回顧（IV）1877年JohnKerr在觀察偏振光從拋光過(guò)電磁鐵磁極反射出來(lái)時(shí)，發(fā)覺(jué)了磁光克爾效應(yīng)（magneto-opticKerreffect）試驗(yàn)2-3法拉第效應(yīng)試驗(yàn)2-4磁光克爾效應(yīng)6/96歷史回顧（V）本世紀(jì)20年代創(chuàng)建量子力學(xué)理論為描述微觀物體行為提供了一個(gè)全新框架，改變了我們最基本測(cè)量原理，并為了解原子、分子和凝聚態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)鋪平了道路。因而造成了諸如半導(dǎo)體、光通訊等新興技術(shù)崛起，并為研制奇異材料和激光器件開(kāi)辟了道路7/96歷史回顧（VI）1947年肖克萊、巴丁和布喇頓所發(fā)覺(jué)晶體管效應(yīng)揭開(kāi)了今天發(fā)生在我們周?chē)?jì)算機(jī)革命序幕。沒(méi)有些人能夠知道這場(chǎng)革命最終將會(huì)怎樣改變我們生活和人類(lèi)社會(huì)，不過(guò)它所顯露出信息社會(huì)近期前景巳十分誘人肖克利、巴丁、布拉頓因創(chuàng)造晶體管及對(duì)晶體管效應(yīng)研究共同取得了1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)計(jì)算機(jī)基本技術(shù)，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算技術(shù)8/96歷史回顧（VII）試驗(yàn)5-4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理及組裝調(diào)試試驗(yàn)試驗(yàn)5-1計(jì)算機(jī)虛擬仿真物理試驗(yàn)試驗(yàn)5-2計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬試驗(yàn)（混沌系統(tǒng)模型一個(gè)例子）9/96一、經(jīng)典物理學(xué)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)與能量和熵（三）經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和“以太”說(shuō)（四）經(jīng)典物理學(xué)完成和局限10/96由伽利略(1564—1642)和牛頓(1642—1727)等人于17世紀(jì)創(chuàng)建經(jīng)典物理學(xué)，經(jīng)過(guò)18世紀(jì)在各個(gè)基礎(chǔ)部門(mén)拓展到19世紀(jì)得到了全方面、系統(tǒng)和快速發(fā)展到達(dá)了它輝煌頂峰。到19世紀(jì)末，已建成了一個(gè)包含力、熱、聲、光、電諸學(xué)科在內(nèi)、宏偉完整理論體系。尤其是它三大支柱——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)——已臻于成熟和完善，不但在理論表述和結(jié)構(gòu)上已十分嚴(yán)謹(jǐn)和完美，而且它們所蘊(yùn)涵十分明晰和深刻物理學(xué)基本觀念，對(duì)人類(lèi)科學(xué)認(rèn)識(shí)也產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響11/96（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《自然哲學(xué)數(shù)學(xué)原理》中，牛頓提出了動(dòng)力學(xué)三個(gè)基本原理和萬(wàn)有引力定律。利用變分法數(shù)學(xué)方法和“最小作用量原理”物理學(xué)基礎(chǔ)建立起了和牛頓動(dòng)力學(xué)方程等價(jià)歐拉—拉格朗日方程，并最終于1834年由英國(guó)哈密頓(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)理論一個(gè)最大飛躍12/96

（二）熱力學(xué)與能量和熵能量守恒原理建立，使物理學(xué)思想和理論結(jié)構(gòu)取得了輝煌進(jìn)展是19世紀(jì)自然科學(xué)上一個(gè)偉大勝利也是近代物理學(xué)發(fā)展中第二次理論大綜合熵原理發(fā)覺(jué)，實(shí)際上把演化思想帶進(jìn)了物理學(xué)，指出了自然過(guò)程不可逆性和歷史性13/96在經(jīng)典力學(xué)和電磁場(chǎng)理論中，基本物理定律中時(shí)間都是對(duì)稱(chēng)、可逆，它們基本方程對(duì)時(shí)間反演都是含有對(duì)稱(chēng)性，運(yùn)動(dòng)對(duì)于過(guò)去和未來(lái)沒(méi)有本質(zhì)區(qū)分，時(shí)間在那里僅僅是從外部描述運(yùn)動(dòng)一個(gè)參量，它改變對(duì)運(yùn)動(dòng)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)性意義14/96“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。吉布斯在麥克斯韋和玻耳茲曼思想基礎(chǔ)上，明確形成了“系綜”概念，創(chuàng)建了系綜統(tǒng)計(jì)方法。從而將熱學(xué)唯象和分子運(yùn)動(dòng)論兩個(gè)基本研究方向統(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)又一次理論大綜合15/96（三）經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和“以太”說(shuō)1862年，麥克斯韋引入了一個(gè)電磁以太準(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)言了電磁波存在，井揭示了光電磁波動(dòng)本性。麥克斯韋方案使媒遞接觸觀念得以完全實(shí)現(xiàn)，并使電磁學(xué)理論全部物理基礎(chǔ)得以奠定，成為近代物理學(xué)發(fā)展中第三次理論大綜合16/96

（四）經(jīng)典物理學(xué)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)為三大支柱經(jīng)典物理學(xué)，結(jié)合成一座含有雄偉建筑體系和感人心弦“漂亮殿堂”，到達(dá)了它顛峰時(shí)期17/96在力學(xué)方面，與機(jī)械觀相聯(lián)絡(luò)絕對(duì)時(shí)間、絕對(duì)空間概念以及關(guān)于質(zhì)量定義，都已受到普遍批評(píng)，牛頓對(duì)于引力本責(zé)問(wèn)題也采取了回避態(tài)度。而牛頓力學(xué)理論框架實(shí)際上必定要把引力看作是一個(gè)瞬時(shí)傳遞超距作用，這與19世紀(jì)發(fā)展起來(lái)場(chǎng)物理學(xué)是根本對(duì)立18/96在熱學(xué)方面，熵增加原理揭示與熱現(xiàn)象相關(guān)自然過(guò)程不可逆性，反應(yīng)出熱力學(xué)原理與經(jīng)典力學(xué)和經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)原理之間深刻內(nèi)在矛盾，而統(tǒng)計(jì)力學(xué)中引入概率統(tǒng)計(jì)思想以及熱力學(xué)規(guī)律統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，已使經(jīng)典力學(xué)嚴(yán)格確定性出現(xiàn)了缺口19/96在光學(xué)和電磁學(xué)方面，作為光波與電磁波傳輸媒介“以太”，其令人難以了解特殊性質(zhì)以及關(guān)于它存在檢測(cè)，都使科學(xué)家們費(fèi)盡心血而一籌莫展。依據(jù)電磁學(xué)理論，可用空間坐標(biāo)連續(xù)函數(shù)描寫(xiě)場(chǎng)，是含有能量不能再簡(jiǎn)化物理實(shí)在，這又與經(jīng)典力學(xué)把運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)看作能量唯一裁體觀點(diǎn)嚴(yán)重背離20/96二、當(dāng)代物理學(xué)革命序幕（一）19世紀(jì)末三大發(fā)覺(jué)

1．X射線發(fā)覺(jué)

2．放射性發(fā)覺(jué)

3．電子發(fā)覺(jué)（二）經(jīng)典物理學(xué)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”21/96（一）19世紀(jì)末三大發(fā)覺(jué)22/96倫琴（WillhelmKonradRotgen,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)覺(jué)X射線。23/961．X射線發(fā)覺(jué)1895年11月倫琴發(fā)覺(jué)X射線，一個(gè)含有強(qiáng)穿透力新射線，它是由陰極射線打到玻璃管壁上所產(chǎn)生；它能夠穿透厚達(dá)一千頁(yè)書(shū)、幾厘米厚木板、15毫米厚鋁片，并可用攝影方法透過(guò)人體顯示骨骼輪廓和金屬物體內(nèi)部缺點(diǎn)倫琴因?yàn)檫@一發(fā)覺(jué)，理所當(dāng)然地取得了1901年首屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)24/96勞厄(MaxvonLaue,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)勞厄以表彰他發(fā)覺(jué)了晶體X射線衍射。25/96亨利·布拉格勞倫斯·布拉格(WilliamHenryBragg,1862-1942)（WilliamLawrenceBragg,1890-1971）

1915年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國(guó)倫敦大學(xué)亨利.布拉格和他兒子英國(guó)曼徹斯特維克托利亞大學(xué)勞倫斯.布拉格以表彰他們用X射線對(duì)晶體結(jié)構(gòu)分析所作貢獻(xiàn)。26/961912年，德國(guó)物理學(xué)家勞厄才從晶體衍射新發(fā)覺(jué)判定X射線是頻率極高電磁波。很快以后，莫塞萊證實(shí)它是由原子中內(nèi)層電子躍遷所發(fā)出輻射勞厄（德國(guó)）發(fā)覺(jué)晶體中X射線衍射現(xiàn)象取得了1914年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)W·H·布拉格、W·L·布拉格（英國(guó)）因用X射線對(duì)晶體結(jié)構(gòu)研究共同取得了1915年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)試驗(yàn)4-2微波布拉格衍射27/96

貝克勒爾（AntoineHenriBecquerel,1852-1908）

1903年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)二分之一授予法國(guó)物理學(xué)家亨利·貝克勒爾以表彰他發(fā)覺(jué)了自發(fā)放射性；另二分之一授予法國(guó)物理學(xué)家皮埃爾·居里（PierreCurie,1859-1906）和瑪麗·斯可羅夫斯卡·居里（MarieSklodowska,1867-1934）,以表彰他們對(duì)貝克勒爾發(fā)覺(jué)輻射現(xiàn)象所作卓越貢獻(xiàn)。居里夫婦28/962．放射性發(fā)覺(jué)貝可勒爾發(fā)覺(jué)底片上有鈾鹽包清楚廓影。貝可勒爾推想，感光必定是因?yàn)殁欫}本身發(fā)出某種神秘射線所致，試驗(yàn)證實(shí)，輻射只與鈾元素存在相關(guān)，而且純金屬鈾輻射比鈾化合物強(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)體波蘭出生物理學(xué)家瑪麗·居里當(dāng)初選擇了放射性物質(zhì)作為她博士論文題目29/96她首先證實(shí)了鈾輻射強(qiáng)度同鈾數(shù)量成正比，而同其化學(xué)形式無(wú)關(guān)，隨即，她和德國(guó)施米特同時(shí)發(fā)覺(jué)了釷也含有這種性質(zhì)，她提議把物質(zhì)這種性質(zhì)稱(chēng)為“放射性”，以區(qū)分于普通射線。以后釙和鐳發(fā)覺(jué)，動(dòng)搖了長(zhǎng)久以來(lái)科學(xué)家們所信守基本理論。居里夫婦和貝可勒爾共同取得了1903年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)30/96元素衰變理論是一個(gè)革命性理論，它打破了自古以來(lái)一直認(rèn)為原子永遠(yuǎn)不能破壞和毀滅傳統(tǒng)觀念，證實(shí)一個(gè)元素原子能夠變成另一個(gè)元素原子。這個(gè)理論即使受到了門(mén)捷列夫和開(kāi)爾文等科學(xué)泰斗激烈反對(duì)，但終因試驗(yàn)事實(shí)不停證實(shí)而得到科學(xué)界認(rèn)可試驗(yàn)5-3蓋革—彌勒計(jì)數(shù)器特征和放射性核衰變統(tǒng)計(jì)規(guī)律模擬試驗(yàn)（碳14）31/96J.J.湯姆孫爵士（SirJosephThomon,1856-1940）

1906年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國(guó)劍橋大學(xué)J.J.湯姆孫爵士以表彰他對(duì)氣體導(dǎo)電理論和試驗(yàn)所作貢獻(xiàn)。32/963．電子發(fā)覺(jué)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)陰極射線進(jìn)行了周密試驗(yàn)考查。用磁場(chǎng)使陰極射線發(fā)生偏轉(zhuǎn)而進(jìn)入法拉第筒，證實(shí)負(fù)電荷確實(shí)來(lái)自陰極射線。他經(jīng)過(guò)陰極射線在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中分別發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)偏轉(zhuǎn)量測(cè)定，計(jì)算出了陰極射線荷質(zhì)比和速度，發(fā)覺(jué)其荷質(zhì)比數(shù)值大約是氫離子千分之一，而其速度大約在109厘米/秒數(shù)量級(jí)33/96約瑟夫·湯姆生（J.J.湯姆遜）（英國(guó)）對(duì)氣體放電理論和試驗(yàn)研究作出主要貢獻(xiàn)并發(fā)覺(jué)電子而取得了1906年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)34/96（二）經(jīng)典物理學(xué)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)熱和光動(dòng)力理論上空烏云》為題所作長(zhǎng)篇演講中，即使認(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)方式，可是現(xiàn)在，這種理論優(yōu)美性和明晰性被兩朵烏云遮蔽得黯然失色了。35/96第一朵烏云是伴隨光波動(dòng)理論而開(kāi)始出現(xiàn)。菲涅耳和托馬斯·楊研究過(guò)這個(gè)理論，它包含這么一個(gè)問(wèn)題：地球怎樣經(jīng)過(guò)本質(zhì)上是光以太這么彈性固體而運(yùn)動(dòng)呢？第二朵烏云是麥克斯韋－玻耳茲曼關(guān)于能量均分學(xué)說(shuō)?！边@兩朵烏云包括到兩方面試驗(yàn)發(fā)覺(jué)與力學(xué)、電磁學(xué)、氣體分子運(yùn)動(dòng)論理論困難36/961．第一朵烏云“以太”學(xué)說(shuō)相對(duì)性原理是經(jīng)典力學(xué)一個(gè)最基本原理，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，一切可測(cè)量、因而也是有物理意義運(yùn)動(dòng)，都是相對(duì)于某一參考物相對(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)”困難，最終只能以臆測(cè)性“絕對(duì)空間”存在作為避難所37/96麥克斯韋電磁場(chǎng)理論取得成功之后，電磁波載體以太，就成了物化絕對(duì)空間，靜止于宇宙中以太就組成了一切物體“絕對(duì)運(yùn)動(dòng)”背景框架。既然以太也是一個(gè)物質(zhì)存在，或者說(shuō)它表征著物化了絕對(duì)空間，當(dāng)然就能夠經(jīng)過(guò)精密試驗(yàn)測(cè)出物體相對(duì)于以太背景絕對(duì)運(yùn)動(dòng)38/96美國(guó)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)行精密光學(xué)試驗(yàn)，都未能觀察到所預(yù)期以太相對(duì)于地球運(yùn)動(dòng)39/96第二朵烏云“紫外災(zāi)難”第二朵烏云包括是經(jīng)典物理學(xué)另一分支，熱力學(xué)和分子運(yùn)動(dòng)論中一個(gè)主要問(wèn)題。開(kāi)爾文明確提到是“麥克斯韋－玻耳茲曼關(guān)于能量均分學(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碰到嚴(yán)重困難40/96為了解釋黑體輻射試驗(yàn)結(jié)果，物理學(xué)家瑞利和金斯認(rèn)為能量是一個(gè)連續(xù)改變物理量，建立起在波長(zhǎng)比較長(zhǎng)、溫度比較高時(shí)候和試驗(yàn)事實(shí)比較符合黑體輻射公式。不過(guò)，這個(gè)公式推出，在短波區(qū)（紫外光區(qū)）伴隨波長(zhǎng)變短，輻射強(qiáng)度能夠無(wú)止境地增加，這和試驗(yàn)數(shù)據(jù)相差十萬(wàn)八千里，是根本不可能。所以這個(gè)失敗被埃倫菲斯特稱(chēng)為“紫外災(zāi)難”41/9620世紀(jì)初這兩朵烏云最終造成了物理學(xué)一場(chǎng)大變革。第一朵烏云“以太”學(xué)說(shuō)造成了相對(duì)論誕生。第二朵烏云“紫外災(zāi)難”造成了量子力學(xué)產(chǎn)生。所以也能夠說(shuō)，對(duì)這兩朵“烏云”研究就標(biāo)志著當(dāng)代物理時(shí)代到來(lái)42/96三、相對(duì)論建立（一）狹義相對(duì)論建立

1．以太漂移試驗(yàn)與收縮假說(shuō)

2．洛侖茲變換

3．彭加勒相對(duì)性原理

4．狹義相對(duì)論基本原理提出

5．閔科夫斯基4維世界

（二）廣義相對(duì)論建立43/96（一）狹義相對(duì)論建立44/961．以太漂移試驗(yàn)與收縮假說(shuō)自從19世紀(jì)初，光波動(dòng)說(shuō)復(fù)活以來(lái)，關(guān)于傳光媒質(zhì)，一直是一個(gè)爭(zhēng)論話(huà)題。人們認(rèn)為光波動(dòng)必須有一個(gè)載體，它就是“以太”。關(guān)于以太存在形式在當(dāng)初有兩種不一樣觀點(diǎn)，以菲涅耳為代表一派認(rèn)為以太是靜止，以斯托克斯為代表一派認(rèn)為以太是能夠被部分曳引45/96假如靜止以太說(shuō)是正確，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)與電學(xué)以太漂移試驗(yàn)，企圖測(cè)量地球在靜止以太中相對(duì)運(yùn)動(dòng)，它們均給出了否定結(jié)果。其中最著名試驗(yàn)是由邁克爾遜和莫雷完成46/96邁克耳孫（AlbertAbrhamMichelson,1852-1931）

1907年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予芝加哥大學(xué)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)研究所作貢獻(xiàn)。47/96邁克爾遜在光速測(cè)量方面一直享受?chē)?guó)際上盛譽(yù)邁克爾遜因?yàn)楣鈱W(xué)精密儀器以及光譜學(xué)與計(jì)量學(xué)研究結(jié)果而取得了1907年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)試驗(yàn)2-2光拍法測(cè)量光速度48/962．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)象理論研究》論文。這篇論文討論了在相對(duì)運(yùn)動(dòng)與相對(duì)靜止參考系間，同一物理現(xiàn)象間坐標(biāo)變換問(wèn)題，在一級(jí)近似下，提出了洛侖茲變換關(guān)系。這一工作對(duì)以后狹義相對(duì)論理論體系有著主要意義49/961905年5月，洛侖茲完成了《速度小于光速系統(tǒng)中電磁現(xiàn)象》論文。在這篇論文中，他發(fā)表了著名時(shí)空相對(duì)論變換公式，這就是以后所稱(chēng)洛侖茲變換式，而且深入證實(shí)了，在洛侖茲變換下，電磁方程含有不變形式。在這篇論文中，他還給出了兩點(diǎn)極為主要給論，一個(gè)是粒子質(zhì)量隨速度改變公式，一個(gè)是粒子在以太中運(yùn)動(dòng)速度不可能大于光速50/963．彭加勒相對(duì)性原理在物理學(xué)這場(chǎng)變革中，彭加勒在物理學(xué)幾個(gè)領(lǐng)域中都做出了主要貢獻(xiàn)。其中著名有彭加勒相對(duì)性原理建立。1895年，彭加勒首次提出了相對(duì)性原理想法。他認(rèn)為，各種試驗(yàn)事實(shí)結(jié)論都能夠表明，“要證實(shí)物質(zhì)絕對(duì)運(yùn)動(dòng)，或者更確切地說(shuō)，要證實(shí)可稱(chēng)量物質(zhì)相對(duì)以太運(yùn)動(dòng)是不可能?！?1/964．狹義相對(duì)論基本原理提出在狹義相對(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)理論框架后，得以在新理論體系中繼續(xù)發(fā)展52/965．閔科夫斯基4維世界閔科夫斯基以?xún)?yōu)美數(shù)學(xué)形式，揭示了3維空間與1維時(shí)間內(nèi)在聯(lián)絡(luò)。在他所提供4維空間中，不但全部力學(xué)與電動(dòng)力學(xué)概念及主要規(guī)律得以深入地簡(jiǎn)化與統(tǒng)一，它們被自然與友好地納入到相對(duì)論理論之中53/96

（二）廣義相對(duì)論建立按狹義相對(duì)性原理，因?yàn)樵诼鍋銎澴儞Q下，許多物理定律都含有協(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)相對(duì)性上取得了極大成功，它卻存在顯著缺點(diǎn)。首先是慣性系是什么？怎樣確定物體在做慣性運(yùn)動(dòng)。最終又回到了"不動(dòng)絕對(duì)空間"54/96四、量子論早期發(fā)展與量子力學(xué)建立（一）量子論早期發(fā)展

1．黑體輻射研究

2．普朗克“量子”假說(shuō)

3．光量子假說(shuō)（二）量子力學(xué)理論建立

1．德布羅意波

2．薛定諤波動(dòng)力學(xué)

3．海森伯矩陣力學(xué)

4．量子力學(xué)萬(wàn)本哈根學(xué)派詮釋55/961．黑體輻射研究1879年德國(guó)物理學(xué)家斯特藩從試驗(yàn)結(jié)果中得出了黑體單位表面積單位時(shí)間熱輻射總能量與絕對(duì)溫度四次方成正比定律，這個(gè)結(jié)果在1884年被玻耳茲曼從光電磁理論和熱力學(xué)理論做出了論證。這就是斯特藩-玻耳茲曼定律56/96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)維恩以表彰他發(fā)覺(jué)了熱輻射定律。57/961893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)波長(zhǎng)與黑體溫度成反比“位移定律”，但這兩個(gè)定律都不能詳細(xì)反應(yīng)輻射能量隨頻率和溫度分布情況，只能在一定范圍和條件下與試驗(yàn)曲線相吻合。維恩因?yàn)樵诤隗w輻射方面研究結(jié)果取得了1911年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)58/96普郎克（MaxKarlErnstLudwigPlank,1858-1947）

1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予德國(guó)柏林大學(xué)普郎克以認(rèn)可他發(fā)覺(jué)能量級(jí)對(duì)物理學(xué)進(jìn)展所作貢獻(xiàn)。59/962．普朗克“量子”假說(shuō)1900年，對(duì)熱力學(xué)有長(zhǎng)久研究德國(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)自己常數(shù)，結(jié)果得到一個(gè)公式，而這個(gè)公式與試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確相符，它就是普朗克公式，即普朗克輻射定律60/96普朗克能量子假說(shuō)：輻射黑體分子、原子振動(dòng)可看作諧振子，這些諧振子能夠發(fā)射和吸收輻射能。不過(guò)這些諧振子只能處于一些分立狀態(tài)，在這些狀態(tài)中，諧振子能量并不像經(jīng)典物理學(xué)所允許可含有任意值。對(duì)應(yīng)能量是某一最小能量（稱(chēng)為能量子）整數(shù)倍61/96能量子概念是非常新奇，它沖破了傳統(tǒng)概念，揭示了微觀世界中一個(gè)主要規(guī)律，開(kāi)創(chuàng)了物理學(xué)一個(gè)全新領(lǐng)域。因?yàn)槠绽士税l(fā)覺(jué)了能量子，對(duì)建立量子理論做出了卓越貢獻(xiàn)，取得了1918年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)62/96普朗克關(guān)于能量只能以“能量子”為最小單元作不連續(xù)改變假設(shè)，沖擊了經(jīng)典物理學(xué)長(zhǎng)久信仰“自然界無(wú)跳躍”信條，徹底變革了經(jīng)典物理學(xué)中一切因果關(guān)系都是以物理量連續(xù)改變?yōu)榛A(chǔ)物理學(xué)思想方法63/96愛(ài)因斯坦(AllbertEinstein,1879-1955)

1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予德國(guó)柏林馬克斯·普朗克物理研究所愛(ài)因斯坦以表彰他在理論物理學(xué)上發(fā)覺(jué),尤其是發(fā)覺(jué)了光電效應(yīng)定律.64/963．光量子假說(shuō)1905年6月，愛(ài)因斯坦在德國(guó)《物理學(xué)紀(jì)事》上發(fā)表《關(guān)于光產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)》，為研究輻射問(wèn)題帶來(lái)了一個(gè)嶄新觀點(diǎn)。他認(rèn)為，在普朗克理論中，只考慮了腔壁上振子能量量子化，但對(duì)空腔內(nèi)電磁輻射處理，還是用麥克斯韋電磁波動(dòng)理論，這種觀點(diǎn)是不徹底。在愛(ài)因斯坦看來(lái)，電磁場(chǎng)能量本身也是量子化，輻射場(chǎng)不是連續(xù)，而是由分立能量子組成。他把這種能量子稱(chēng)為“光量子”。以后美國(guó)物理學(xué)家路易斯把它改稱(chēng)為“光子”65/96愛(ài)因斯坦研究了用光能量連續(xù)分布理論難以解釋光電效應(yīng)現(xiàn)象因?yàn)閻?ài)因斯坦在數(shù)學(xué)物理學(xué)成就，尤其是光電效應(yīng)定律發(fā)覺(jué)取得了1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)66/96（二）量子力學(xué)理論建立67/96路易斯.德布羅意(PrinceLouis-victordeBroglie,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)路易斯.德布羅意以表彰他發(fā)覺(jué)了電子波動(dòng)性.68/961．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”思想。1824年，德布羅在《量子理論研究》博士論文中，系統(tǒng)地闡述了他在前幾篇文章中提出相波理論69/96他因?yàn)榘l(fā)覺(jué)了電子波動(dòng)性而取得了1929年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，他也是唯一一個(gè)因博士論文而取得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)人（以前觀點(diǎn)）70/96五、原子結(jié)構(gòu)理論發(fā)展1．原子有核模型建立2．玻爾原子結(jié)構(gòu)量子理論3．玻爾理論推廣71/96尼爾斯·玻爾（NielsBohr,1885-1962）

1922年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予丹麥哥本哈根尼爾斯·玻爾以表彰他在研究原子結(jié)構(gòu),尤其是研究從原子發(fā)出輻射所作貢獻(xiàn)。72/961．原子有核模型建立1909年，盧瑟福助手蓋革，學(xué)生馬斯登從粒子被很薄金箔散射試驗(yàn)中，觀察到了一個(gè)出人意料現(xiàn)象：大約有八千分之一粒子偏轉(zhuǎn)角度超出90度，有甚至被反彈回來(lái)。粒子散射試驗(yàn)意外結(jié)果，為建立正確原子有核棋型據(jù)供了科學(xué)依據(jù)73/962．玻爾原子結(jié)構(gòu)量子理論1913年玻爾提出原子結(jié)構(gòu)理論，是量子論發(fā)展史上一個(gè)主要階段。在此之前，量子論主要被用于與輻射相關(guān)問(wèn)題，玻爾理論卻表明在描述原子結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律中，作用量子也含有本質(zhì)意義。他希望把量子概念與盧瑟福原子模型結(jié)合起來(lái)，以處理原子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問(wèn)題74/96玻爾理論提出了一個(gè)動(dòng)態(tài)原于結(jié)構(gòu)輪廓，揭示了光譜線與原子結(jié)構(gòu)內(nèi)在聯(lián)絡(luò)，從而推進(jìn)了物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論發(fā)展。玻爾因?yàn)檫@一出色工作，取得了1922年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)試驗(yàn)5-1計(jì)算機(jī)虛擬仿真物理試驗(yàn)（前面已提到）試驗(yàn)5-1附1氫氘原子光譜試驗(yàn)5-1附2阿貝比長(zhǎng)儀和氫氘原子光譜測(cè)量操作指南75/96弗蘭克G.赫茲(JamesFranck,1882-1964)(GustavHertz,1887-1975)

1925年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予德國(guó)格丁根大學(xué)弗蘭克和哈雷大學(xué)G.赫茲以表彰他們發(fā)覺(jué)原子受電子碰撞定律.76/96弗蘭克和赫茲（德國(guó)）發(fā)覺(jué)原子和電子碰撞規(guī)律共同取得了1925年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)試驗(yàn)1-2夫蘭克—赫茲試驗(yàn)77/96洛倫茲塞曼（HendrikLorentz，1853-1928）（PieterZeeman，1865-1943）

1902年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予荷蘭萊頓大學(xué)洛倫茲和荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)塞曼,以表彰他們?cè)谘芯看判詫?duì)輻射現(xiàn)象影響所作特殊貢獻(xiàn)。78/963．玻爾理論推廣索末菲在1916年把普通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)，很好解釋了塞曼效應(yīng)和堿金屬光譜根本系，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(chǎng)對(duì)輻射現(xiàn)象影響研究共同取得了1902年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)79/96試驗(yàn)1-1鈉原子光譜試驗(yàn)1-3塞曼效應(yīng)80/96六、原子核物理建立與發(fā)展（一）原子核結(jié)構(gòu)早期探索1．質(zhì)子－電子核模型2．中子發(fā)覺(jué)3．核磁矩發(fā)覺(jué)（二）粒子加速器創(chuàng)建與發(fā)展（三）核裂變研究（四）原子能應(yīng)用81/96（一）原子核結(jié)構(gòu)早期探索82/961．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)子組成83/96查德威克(SirJamesChadwick,1891-1974)1935年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國(guó)利物浦查德威克以表彰他發(fā)覺(jué)了中子。84/962．中子發(fā)覺(jué)1932年，查德威克用一個(gè)射線（中子束）轟擊氫原子核時(shí)，發(fā)覺(jué)它被反彈了回來(lái)，說(shuō)明這種射線是含有一定質(zhì)量中性粒子流。經(jīng)過(guò)對(duì)反沖核動(dòng)量測(cè)定結(jié)果，再利用動(dòng)量守恒定律進(jìn)行估算，確定出這種射線中性粒子質(zhì)量幾乎與質(zhì)子相同，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》論文85/96查德威克發(fā)覺(jué)中子，不但改變了當(dāng)初人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)，同時(shí)還為研究和變革原子核提供了一個(gè)有力伎倆，這促進(jìn)了核裂變工作發(fā)展以及原子能利用。因?yàn)檫@一主要發(fā)覺(jué)，查德威克取得了1935年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)86/963．核磁矩發(fā)覺(jué)在第七屆索爾維會(huì)議上，漢堡大學(xué)斯特恩、依斯特曼、弗里施介紹了他們用氫分子束斯特恩－革拉赫試驗(yàn)成功測(cè)定了氫核磁矩87/96布洛赫珀塞爾(FelixBloch,1905-1983)(EdwardPurcell,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)布洛赫和美國(guó)馬薩諸塞州坎伯利基哈佛大學(xué)珀塞爾以表彰他們發(fā)覺(jué)了核磁精密測(cè)量新方法及由此所作發(fā)覺(jué)。88/96由布洛赫和珀塞爾所創(chuàng)建核磁共振技術(shù)發(fā)展非?？焖?。先后有80各種樣品核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)化合物判定、未知化合物結(jié)構(gòu)測(cè)定、動(dòng)物和人體組織檢測(cè)等方而都有主要應(yīng)用。核磁共振已成為波譜學(xué)一個(gè)主要分支。因?yàn)椴悸搴张c泊塞爾所發(fā)覺(jué)核磁共振法，他們共同分享了1952年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)89/96波譜學(xué)試驗(yàn)基本知識(shí)試驗(yàn)3-1核磁共振試驗(yàn)3-2電子自旋共振試驗(yàn)3-3光泵磁共振試驗(yàn)3-4鐵磁共振90/96七、傳感及測(cè)量技術(shù)傳感器（Sensor,Transducer）是完成信息拾取、傳輸和轉(zhuǎn)換器件。光纖傳感器（Opticalfibersensor）則是以光纖為功效材料傳感器。經(jīng)典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)典傳感器區(qū)分是，光纖傳感器以光作為感知信息載體，而不是電；采取光纖傳送信息，而不是導(dǎo)線。光纖傳感含有靈敏度高、抗電磁干擾以及耐腐蝕防燃等特點(diǎn)試驗(yàn)2-5光纖光柵傳感試驗(yàn)91/96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(hào)探測(cè)中一個(gè)新技術(shù)。它能夠探測(cè)弱到光能量以單光子抵達(dá)時(shí)能量。當(dāng)前已被廣泛應(yīng)用于喇曼散射探測(cè)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)等許多領(lǐng)域里微弱光現(xiàn)象研究試驗(yàn)2-6單光子計(jì)數(shù)試驗(yàn)92/96橢圓偏振測(cè)量（橢偏術(shù)）是研究?jī)擅浇殚g界面、表面或薄膜中光學(xué)性質(zhì)改變一個(gè)光學(xué)方法，其原理是利用偏振光束在界面或薄膜上反射或透射時(shí)出現(xiàn)偏振變換。在各種已經(jīng)有測(cè)定薄膜厚度方法中，如干涉法等，橢偏法是能測(cè)量厚度最薄和測(cè)量精度最高一個(gè)，而且測(cè)量是非破壞性，并能在一次測(cè)量中同時(shí)測(cè)定膜厚及折射率試驗(yàn)2-1用橢圓偏振儀測(cè)透明介質(zhì)薄膜折射率和膜厚93/96太陽(yáng)電池，也稱(chēng)為光伏電池，是將太陽(yáng)光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能器件。由這種器件封裝成太陽(yáng)電池組件，再按需要將一塊以上組件組合成一定功率太陽(yáng)電池方陣，經(jīng)與儲(chǔ)能裝置、測(cè)量控制裝置及直流-交流變換裝置等相配套，即組成太