第五章 物理學(xué)革命及其影響課件

第五章物理學(xué)革命及其影響第五章物理學(xué)革命及其影響第五章物理學(xué)革命及其影響物理學(xué)晴朗天空的兩朵“烏云”1887年，美國(guó)物理學(xué)家邁克爾孫和莫雷為了尋找地球相對(duì)于靜止的以太運(yùn)動(dòng)的“以太風(fēng)”，進(jìn)行了著名了以太漂移實(shí)驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)卻同經(jīng)典物理學(xué)理論的語(yǔ)言完全相反。物理學(xué)界大為震驚。第五章物理學(xué)革命及其影響同時(shí)，有關(guān)氣體比熱的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與能量均分定理發(fā)生了尖銳的矛盾。第五章物理學(xué)革命及其影響1900年4月27日英國(guó)物理學(xué)家凱爾文和湯姆孫在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的演講中稱(chēng)這兩個(gè)問(wèn)題為物理學(xué)晴朗天空的兩朵烏云以太漂移和黑體輻射現(xiàn)象X射線、放射性、電子等相對(duì)論量子力學(xué)第五章物理學(xué)革命及其影響主要內(nèi)容相對(duì)論量子力學(xué)現(xiàn)代化學(xué)理論的發(fā)展第五章物理學(xué)革命及其影響相對(duì)論狹義相對(duì)論產(chǎn)生的歷史背景狹義相對(duì)論的創(chuàng)立廣義相對(duì)論的建立第五章物理學(xué)革命及其影響以太運(yùn)動(dòng)的“以太風(fēng)”十九世紀(jì)后期，由于光的波動(dòng)理論的確立，科學(xué)家相信一種叫“以太”的連續(xù)介質(zhì)充滿(mǎn)了宇宙空間，就象空氣中的聲波一樣，光線和電磁信號(hào)是“以太”中的波。第五章物理學(xué)革命及其影響然而，與空間完全充滿(mǎn)“以太”的思想相悖的結(jié)果不久就出現(xiàn)了：根據(jù)“以太”理論應(yīng)得出，光線傳播速度相對(duì)于“以太”應(yīng)是一個(gè)定值，因此，如果你沿與光線傳播相同的方向行進(jìn)，你所測(cè)量到的光速應(yīng)比你在靜止時(shí)測(cè)量到的光速低；反之，如果你沿與光線傳播相反的方向行進(jìn)，你所測(cè)量到的光速應(yīng)比你在靜止時(shí)測(cè)量到的光速高。但是，一系列實(shí)驗(yàn)都沒(méi)有找到造成光速差別的證據(jù)。

第五章物理學(xué)革命及其影響?yīng)M義相對(duì)論產(chǎn)生的歷史背景托馬斯·楊和菲涅爾的波動(dòng)理論興起麥克斯韋的麥克斯韋方程組的C常數(shù)光與電、磁場(chǎng)理論的統(tǒng)一研究1876-1887年邁克爾孫和莫雷以太漂移實(shí)驗(yàn)第五章物理學(xué)革命及其影響以太漂移實(shí)驗(yàn)的0結(jié)果？1889年，愛(ài)爾蘭費(fèi)茨基拉德提出物質(zhì)長(zhǎng)度煙運(yùn)動(dòng)方向收縮假說(shuō)。1892年，荷蘭洛倫茲的洛倫茲變換假說(shuō)，滿(mǎn)足了麥?zhǔn)戏匠?，保全了?jīng)典力學(xué)的形式美。20世紀(jì)初，彭加勒對(duì)時(shí)空問(wèn)題和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，提出四維時(shí)空和強(qiáng)調(diào)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性。第五章物理學(xué)革命及其影響?yīng)M義相對(duì)論的創(chuàng)立狹義相對(duì)論基本原理狹義相對(duì)論主要結(jié)論及其意義第五章物理學(xué)革命及其影響馬赫和休謨的哲學(xué)對(duì)愛(ài)因斯坦影響很大。馬赫認(rèn)為時(shí)間和空間的量度與物質(zhì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)。時(shí)空的觀念是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)形成的。絕對(duì)時(shí)空無(wú)論依據(jù)什么經(jīng)驗(yàn)也不能把握。休謨更具體的說(shuō)：空間和廣延不是別的，而是按一定次序分布的可見(jiàn)的對(duì)象充滿(mǎn)空間。而時(shí)間總是又能夠變化的對(duì)象的可覺(jué)察的變化而發(fā)現(xiàn)的。第五章物理學(xué)革命及其影響1905年愛(ài)因斯坦指出，邁克爾遜和莫雷實(shí)驗(yàn)實(shí)際上說(shuō)明關(guān)于“以太”的整個(gè)概念是多余的，光速是不變的。而牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀念是錯(cuò)誤的。不存在絕對(duì)靜止的參照物，時(shí)間測(cè)量也是隨參照系不同而不同的。他用光速不變和相對(duì)性原理提出了洛侖茲變換。創(chuàng)立了狹義相對(duì)論。第五章物理學(xué)革命及其影響?yīng)M義相對(duì)論基本原理狹義相對(duì)論適用于慣性參照系狹義相對(duì)論的兩條基礎(chǔ)原理（1）狹義相對(duì)性原理——在所有的慣性系中物理定律的形式相同。各慣性系應(yīng)該是等價(jià)的，不存在特殊的慣性系。即事物在每個(gè)慣性系中規(guī)律是一樣的。（從合理性上說(shuō)）（2）光速不變?cè)怼谒械膽T性系里，真空中光速具有相同的值。光速與廣泛的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)；光速與頻率無(wú)關(guān)；往返平均光速與方向無(wú)關(guān)。（該原理由邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)引出。）狹義相對(duì)論運(yùn)動(dòng)學(xué)的核心——洛侖茲變換第五章物理學(xué)革命及其影響洛侖茲變換討論一個(gè)從t=0x=0發(fā)出的光子在Σ系和Σ’系（在t=0時(shí)Σ’系與Σ系重合，以后Σ’以V沿X軸方向運(yùn)動(dòng)。）中的情況，根據(jù)：時(shí)空均勻性：x=γ(x’+vt’)相對(duì)性原理：x’=γ(x-vt)光速不變?cè)恚簒=ct洛侖茲變換統(tǒng)一了時(shí)空和運(yùn)動(dòng)，統(tǒng)一了高速世界和經(jīng)典力學(xué)研究的低速情況。Σ’系→Σ系x=γ(x’+vt’)y=y’

z=z’

t=γ(t’+vx’/c2)Σ系→Σ’系x’=γ(x-vt)y’=yz’=zt’=γ(t-vx/c2)第五章物理學(xué)革命及其影響?yīng)M義相對(duì)論時(shí)空觀①同時(shí)的相對(duì)性：由Δt=γ(Δt’+vΔx’/c2)，Δt’=0時(shí)，一般Δt≠0。稱(chēng)x’/c2為同時(shí)性因子。②運(yùn)動(dòng)的鐘變慢：由Δt=γ(Δt’+vΔx’/c2)，因運(yùn)動(dòng)的鐘在自己的參照系中Δx’=0，則Δt=γΔt’≥Δt’。③運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)度縮短：由Δx=Δx’/γ+vΔt，因測(cè)量運(yùn)動(dòng)的長(zhǎng)度時(shí)必須Δt=0，則Δx=Δx’/γ=Δx’≤Δx’。常稱(chēng)為收縮因子，為膨脹因子。第五章物理學(xué)革命及其影響?yīng)M義相對(duì)論力學(xué)

相對(duì)論質(zhì)量m=γm0

竟然速度ｖ增加（γ增加）質(zhì)量ｍ也要增加。相對(duì)論質(zhì)能關(guān)系粒子的總能量為：E=mc2粒子的靜止能量為：E0=m0c2粒子的動(dòng)能為：EK=mc2

–m0c2=可見(jiàn)粒子的動(dòng)能不等于經(jīng)典的形式，但當(dāng)V<<c時(shí)，EK≈mV2/2第五章物理學(xué)革命及其影響相對(duì)論力學(xué)方程相對(duì)論力學(xué)方程在經(jīng)典物理中牛頓定律常把它寫(xiě)成，現(xiàn)代物理證明這只在低速情況下近似成立，普遍的形式是。實(shí)際上這是力的定義式。力是物體整體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的原因，用P來(lái)表示狀態(tài)參量要比用V周全，因?yàn)閂僅僅表示了物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)因素，而P=mv表示了物體整體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)的完整數(shù)量。第五章物理學(xué)革命及其影響?yīng)M義相對(duì)論主要結(jié)論及其意義物體在運(yùn)動(dòng)方向上收縮在K系中長(zhǎng)度L,靜止長(zhǎng)度L。運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘延緩四維時(shí)空單純從空間和時(shí)間間隔角度看，分別由“尺縮”，“鐘慢”效應(yīng)，但把時(shí)間和空間作為一個(gè)統(tǒng)一體考慮，其間隔是絕對(duì)不變的。第五章物理學(xué)革命及其影響速度變換公式

當(dāng)u’=c時(shí)候，u=1,反映了光速不變性原理。當(dāng)u<<c,v<<c時(shí)候，成了經(jīng)典力學(xué)疊加公式u’=u+v質(zhì)量守恒，能量守恒=〉智能關(guān)系E=mc2第五章物理學(xué)革命及其影響?yīng)M義相對(duì)論不僅改變了經(jīng)典物理學(xué)中有關(guān)質(zhì)量和能量的傳統(tǒng)看法，而且為人們今天利用原子能提供了理論依據(jù)。第五章物理學(xué)革命及其影響廣義相對(duì)論的建立1、廣義相對(duì)論基本原理：廣義協(xié)變?cè)?、等效原理：在1、2、基礎(chǔ)上，借助了黎曼幾何，愛(ài)因斯坦在1916年建立了廣義相對(duì)論的理論大廈，進(jìn)一步揭示了時(shí)間，空間的根本屬性及其物質(zhì)分布，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)之間內(nèi)在的深刻聯(lián)系。引力場(chǎng)是物質(zhì)產(chǎn)生的，引力場(chǎng)以外的一切物質(zhì)。根據(jù)廣義相對(duì)論觀點(diǎn)，“引力”不過(guò)是時(shí)空彎曲的效應(yīng)。例：1919年，觀察到日全食時(shí)候，經(jīng)過(guò)太陽(yáng)的星光傳播方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。第五章物理學(xué)革命及其影響第一次世界大戰(zhàn)剛一結(jié)束，英國(guó)天文學(xué)家愛(ài)丁頓立即在1919年組織了英國(guó)日蝕觀測(cè)隊(duì)，去檢測(cè)星光經(jīng)過(guò)日全蝕太陽(yáng)時(shí)將發(fā)生偏轉(zhuǎn)的預(yù)言。兩支觀測(cè)隊(duì)分別出發(fā)，一個(gè)派往巴西的索布拉爾，另一個(gè)由愛(ài)丁頓率領(lǐng)來(lái)到西班牙所屬圭那亞海岸附近的普林西比島。觀測(cè)結(jié)果與預(yù)言相符，立即震撼了全世界的科學(xué)家和公眾。第五章物理學(xué)革命及其影響量子力學(xué)量子力學(xué)產(chǎn)生的歷史背景量子力學(xué)的建立量子力學(xué)的若干概念及其意義第五章物理學(xué)革命及其影響“量子”一詞意指“一個(gè)量”或“一個(gè)離散的量”。在日常生活范圍里，我們已經(jīng)習(xí)慣于這樣的概念，即：一個(gè)物體的性質(zhì)，如它的大小、重量、顏色、溫度、表面積以及運(yùn)動(dòng)，全都可以從一物體到另一物體以連續(xù)的方式變化著。例如，在各種形狀、大小與顏色的蘋(píng)果之間并無(wú)顯著的等級(jí)。第五章物理學(xué)革命及其影響然而，在原子范圍內(nèi)，事情是極不相同的。原子粒子的性質(zhì)，如它們的運(yùn)動(dòng)、能量和自旋，并不總是顯示出類(lèi)似的連續(xù)變化，而是可以相差一些離散的量。經(jīng)典牛頓力學(xué)的一個(gè)假設(shè)是：物質(zhì)的性質(zhì)是可以連續(xù)變化的。當(dāng)物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)這個(gè)觀念在原子范圍內(nèi)失效時(shí)，他們不得不設(shè)計(jì)一種全新的力學(xué)體系——量子力學(xué)，以說(shuō)明標(biāo)志物質(zhì)的原子特征的團(tuán)粒性。第五章物理學(xué)革命及其影響量子力學(xué)是研究微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物理學(xué)分支學(xué)科，它主要研究原子、分子、凝聚態(tài)物質(zhì)，以及原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的基礎(chǔ)理論，它與相對(duì)論一起構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)。量子力學(xué)不僅是近代物理學(xué)的基礎(chǔ)理論之一，而且在化學(xué)等有關(guān)學(xué)科和許多近代技術(shù)中也得到了廣泛的應(yīng)用。量子力學(xué)是在舊量子論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。舊量子論包括普朗克的量子假說(shuō)、愛(ài)因斯坦的光量子理論和玻爾的原子理論。第五章物理學(xué)革命及其影響主要應(yīng)用原子能技術(shù)開(kāi)發(fā)激光技術(shù)大規(guī)模集成電路第五章物理學(xué)革命及其影響量子力學(xué)產(chǎn)生黑體輻射實(shí)驗(yàn)第五章物理學(xué)革命及其影響第五章物理學(xué)革命及其影響量子力學(xué)的建立瑞利－金斯定律1900年，普朗克提出輻射量子假說(shuō)，假定電磁場(chǎng)和物質(zhì)交換能量是以間斷的形式(能量子)實(shí)現(xiàn)的，能量子的大小同輻射頻率成正比，比例常數(shù)稱(chēng)為普朗克常數(shù)，從而得出黑體輻射能量分布公式，成功地解釋了黑體輻射現(xiàn)象。第五章物理學(xué)革命及其影響光電效應(yīng)的光子解釋1905年，愛(ài)因斯坦引進(jìn)光量子(光子)的概念，并給出了光子的能量、動(dòng)量與輻射的頻率和波長(zhǎng)的關(guān)系，成功地解釋了光電效應(yīng)。其后，他又提出固體的振動(dòng)能量也是量子化的，從而解釋了低溫下固體比熱問(wèn)題。康普頓（1892—1962）從1918年起從事X射線散射實(shí)驗(yàn)，令人信服地證明光子不僅有能量而且有動(dòng)量，并且光子與微觀粒子的作用服從能量守恒和動(dòng)量定律。第五章物理學(xué)革命及其影響第五章物理學(xué)革命及其影響第五章物理學(xué)革命及其影響原子的量子性發(fā)現(xiàn)1913年，玻爾在盧瑟福有核原子模型的基礎(chǔ)上建立起原子的量子理論。按照這個(gè)理論，原子中的電子只能在分立的軌道上運(yùn)動(dòng)，原子具有確定的能量，它所處的這種狀態(tài)叫“定態(tài)”，而且原子只有從一個(gè)定態(tài)到另一個(gè)定態(tài)，才能吸收或輻射能量。第五章物理學(xué)革命及其影響這個(gè)公式很好地解釋了氫原子光譜。然而這個(gè)理論雖然有許多成功之處，但它只能用于氫原子，對(duì)于帶兩個(gè)電子的普通的氦原子卻困難重重。第五章物理學(xué)革命及其影響第五章物理學(xué)革命及其影響第五章物理學(xué)革命及其影響第五章物理學(xué)革命及其影響物質(zhì)的波粒二象性在人們認(rèn)識(shí)到光具有波動(dòng)和微粒的二象性之后，為了解釋一些經(jīng)典理論無(wú)法解釋的現(xiàn)象，法國(guó)物理學(xué)家德布羅意于1923年提出微觀粒子具有波粒二象性的假說(shuō)。德布羅意認(rèn)為：正如光具有波粒二象性一樣，實(shí)體的微粒(如電子、原子等)也具有這種性質(zhì)，即既具有粒子性也具有波動(dòng)性。他提出了物質(zhì)波理論，預(yù)言電子波的衍射，這一假說(shuō)不久就為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。獲1929年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1927年戴維孫和湯姆遜發(fā)現(xiàn)了晶體對(duì)電子的衍射和電子照射晶體的干涉現(xiàn)象，證實(shí)了德布羅意的預(yù)言，他們因此獲1937年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。第五章物理學(xué)革命及其影響第五章物理學(xué)革命及其影響量子力學(xué)體系建立由于微觀粒子具有波粒二象性，微觀粒子所遵循的運(yùn)動(dòng)規(guī)律就不同于宏觀物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因此需要建立一套新的力學(xué)體系。舊量子論對(duì)經(jīng)典物理理論加以某種人為的修正或附加條件以便解釋微觀領(lǐng)域中的一些現(xiàn)象。由于舊量子論不能令人滿(mǎn)意，人們?cè)趯ふ椅⒂^領(lǐng)域的規(guī)律時(shí)，從兩條不同的道路建立了量子力學(xué)。第五章物理學(xué)革命及其影響薛定諤1925年，物理學(xué)家薛定諤把德布羅意的理論大大向前推進(jìn)，建立了量子力學(xué)的波動(dòng)力學(xué)體系，加深了對(duì)微觀客體的波粒二象性的理解，為數(shù)學(xué)上解決原子物理學(xué)、核物理學(xué)、固體物理學(xué)和分子物理學(xué)問(wèn)題提供了一種有力的理論工具。他于1933年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。第五章物理學(xué)革命及其影響波動(dòng)力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)的差別首先表現(xiàn)在對(duì)粒子的狀態(tài)和力學(xué)量的描述及其變化規(guī)律上。薛定諤基于量子性是微觀體系波動(dòng)性的反映這一認(rèn)識(shí)，在量子力學(xué)中，粒子的狀態(tài)用波函數(shù)描述，它是坐標(biāo)和時(shí)間的復(fù)函數(shù)。為了描寫(xiě)微觀粒子狀態(tài)隨時(shí)間變化的規(guī)律，就需要找出波函數(shù)所滿(mǎn)足的運(yùn)動(dòng)方程。這個(gè)方程是薛定諤在1926年首先找到的，被稱(chēng)為薛定諤方程。第五章物理學(xué)革命及其影響海森伯1925年，海森伯（1932年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）海森堡基于物理理論只處理可觀察量的認(rèn)識(shí)，拋棄了玻爾的電子軌道概念及其有關(guān)的古典運(yùn)動(dòng)學(xué)的量，而代之以可觀察到的輻射頻率和強(qiáng)度這些光學(xué)量，并充分利用了數(shù)學(xué)家創(chuàng)造出的先進(jìn)的數(shù)學(xué)工具－矩陣論，和玻恩、約爾丹一起創(chuàng)建了另一種量子力學(xué)——矩陣力學(xué)。第五章物理學(xué)革命及其影響玻恩其后不久薛定諤還證明了波動(dòng)力學(xué)和矩陣力學(xué)的數(shù)學(xué)等價(jià)性；同時(shí)的玻恩（1954年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）也做了大量工作，解釋了波函數(shù)的意義。第五章物理學(xué)革命及其影響狄拉克1925年，狄拉克使用了一種比矩陣更為方便和普適的數(shù)學(xué)工具，輕而易舉地把這個(gè)能用極其簡(jiǎn)單的形式描述古典力學(xué)的基本方程改造成為量子力學(xué)方程。第五章物理學(xué)革命及其影響泡利1929年泡利不相容原理第五章物理學(xué)革命及其影響他們所提出的量子力學(xué)新思想與波動(dòng)力學(xué)相結(jié)合，建立起了完整的量子力學(xué)的理論體系。它們成功地揭示了微觀世界的基本規(guī)律，極大地加速了原子物理學(xué)和固態(tài)物理學(xué)的發(fā)展，為核物理學(xué)和（基本）粒子物理學(xué)準(zhǔn)備了理論基礎(chǔ)；而且通過(guò)化學(xué)鍵理論，為眾多化學(xué)規(guī)律提供了物理理論基礎(chǔ)；同時(shí)，對(duì)分子生物學(xué)的產(chǎn)生也產(chǎn)生啟迪作用，使生物學(xué)逐步出現(xiàn)新的面貌。因此，量子力學(xué)可以說(shuō)是20世紀(jì)最迷人的科學(xué)理論。第五章物理學(xué)革命及其影響當(dāng)微觀粒子處于某一狀態(tài)時(shí)，它的力學(xué)量(如坐標(biāo)、動(dòng)量、角動(dòng)量、能量等)一般不具有確定的數(shù)值，而具有一系列可能值，每個(gè)可能值以一定的幾率出現(xiàn)。當(dāng)粒子所處的狀態(tài)確定時(shí)，力學(xué)量具有某一可能值的幾率也就完全確定。這就是1927年，海森伯得出的測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系，同時(shí)玻爾提出了并協(xié)原理，對(duì)量子力學(xué)給出了進(jìn)一步的闡釋。第五章物理學(xué)革命及其影響量子力學(xué)和狹義相對(duì)論的結(jié)合產(chǎn)生了相對(duì)論量子力學(xué)。經(jīng)狄拉克、海森伯和泡利等人的工作發(fā)展了量子電動(dòng)力學(xué)。20世紀(jì)30年代以后形成了描述各種粒子場(chǎng)的量子化理論——量子場(chǎng)論，它構(gòu)成了描述基本粒子現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)。第五章物理學(xué)革命及其影響量子力學(xué)的若干概念及其意義量子力學(xué)的基本原理包括量子態(tài)的概念，運(yùn)動(dòng)方程、理論概念和觀測(cè)物理量之間的對(duì)應(yīng)規(guī)則和物理原理。第五章物理學(xué)革命及其影響波函數(shù)在量子力學(xué)中，一個(gè)物理體系的狀態(tài)由波函數(shù)表示，波函數(shù)的任意線性疊加仍然代表體系的一種可能狀態(tài)。狀態(tài)隨時(shí)間的變化遵循一個(gè)線性微分方程，該方程預(yù)言體系的行為，物理量由滿(mǎn)足一定條件的、代表某種運(yùn)算的算符表示；測(cè)量處于某一狀態(tài)的物理體系的某一物理量的操作，對(duì)應(yīng)于代表該量的算符對(duì)其波函數(shù)的作用；測(cè)量的可能取值由該算符的本征方程決定，測(cè)量的期待值由一個(gè)包含該算符的積分方程計(jì)算。波函數(shù)的平方代表作為其變數(shù)的物理量出現(xiàn)的幾率。根據(jù)這些基本原理并附以其他必要的假設(shè)，量子力學(xué)可以解釋原子和亞原子的各種現(xiàn)象。第五章物理學(xué)革命及其影響因果性和物理實(shí)在問(wèn)題關(guān)于量子力學(xué)的解釋涉及許多哲學(xué)問(wèn)題，其核心是因果性和物理實(shí)在問(wèn)題。按動(dòng)力學(xué)意義上的因果律說(shuō)，量子力學(xué)的運(yùn)動(dòng)方程也是因果律方程，當(dāng)體系的某一時(shí)刻的狀態(tài)被知道時(shí)，可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)方程預(yù)言它的未來(lái)和過(guò)去任意時(shí)刻的狀態(tài)。第五章物理學(xué)革命及其影響但量子力學(xué)的預(yù)言和經(jīng)典物理學(xué)運(yùn)動(dòng)方程(質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程和波動(dòng)方程)的預(yù)言在性質(zhì)上是不同的。在經(jīng)典物理學(xué)理論中，對(duì)一個(gè)體系的測(cè)量不會(huì)改變它的狀態(tài)，它只有一種變化，并按運(yùn)動(dòng)方程演進(jìn)。因此，運(yùn)動(dòng)方程對(duì)決定體系狀態(tài)的力學(xué)量可以作出確定的預(yù)言。第五章物理學(xué)革命及其影響體系的狀態(tài)在量子力學(xué)中，體系的狀態(tài)有兩種變化，一種是體系的狀態(tài)按運(yùn)動(dòng)方程演進(jìn)，這是可逆的變化；另一種是測(cè)量改變體系狀態(tài)的不可逆變化。因此，量子力學(xué)對(duì)決定狀態(tài)的物理量不能給出確定的預(yù)言，只能給出物理量取值的幾率。在這個(gè)意義上，經(jīng)典物理學(xué)因果律在微觀領(lǐng)域失效了。第五章物理學(xué)革命及其影響幾率因果性（統(tǒng)計(jì)因果關(guān)系）據(jù)此，一些物理學(xué)家和哲學(xué)家斷言量子力學(xué)擯棄因果性，而另一些物理學(xué)家和哲學(xué)家則認(rèn)為量子力學(xué)因果律反映的是一種新型的因果性——幾率因果性。量子力學(xué)中代表量子態(tài)的波函數(shù)是在整個(gè)空間定義的，態(tài)的任何變化是同時(shí)在整個(gè)空間實(shí)現(xiàn)的。第五章物理學(xué)革命及其影響量子力學(xué)用量子態(tài)的概念表征微觀體系狀態(tài)，深化了人們對(duì)物理實(shí)在的理解。微觀體系的性質(zhì)總是在它們與其他體系，特別是觀察儀器的相互作用中表現(xiàn)出來(lái)。人們對(duì)觀察結(jié)果用經(jīng)典物理學(xué)語(yǔ)言描述時(shí)，發(fā)現(xiàn)微觀體系在不同的條件下，或主要表現(xiàn)為波動(dòng)圖象，或主要表現(xiàn)為粒子行為。而量子態(tài)的概念所表達(dá)的，則是微觀體系與儀器相互作用而產(chǎn)生的表現(xiàn)為波或粒子的可能性。第五章物理學(xué)革命及其影響量子力學(xué)表明，微觀物理實(shí)在既不是波也不是粒子，真正的實(shí)在是量子態(tài)。真實(shí)狀態(tài)分解為隱態(tài)和顯態(tài)，是由于測(cè)量所造成的，在這里只有顯態(tài)才符合經(jīng)典物理學(xué)實(shí)在的含義。第五章物理學(xué)革命及其影響微觀體系的實(shí)在性還表現(xiàn)在它的不可分離性上。量子力學(xué)把研究對(duì)象及其所處的環(huán)境看作一個(gè)整體，它不允許把世界看成由彼此分離的、獨(dú)立的部分組成的。關(guān)于遠(yuǎn)隔粒子關(guān)聯(lián)實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，也定量地支持了量子態(tài)不可分離性的觀點(diǎn)。第五章物理學(xué)革命及其影響玻爾-愛(ài)因斯坦之爭(zhēng)玻爾：誰(shuí)如果在量子面前不感到震驚，他就不懂得現(xiàn)代物理學(xué)；同樣如果誰(shuí)不為此理論感到困惑，他也不是一個(gè)好的物理學(xué)家。愛(ài)因斯坦對(duì)量子力學(xué)持批判態(tài)度：深信上帝不是在擲篩子。。。。?？茖W(xué)史上，持續(xù)數(shù)十年的“玻爾-愛(ài)因斯坦之爭(zhēng)”第五章物理學(xué)革命及其影響如果把機(jī)遇當(dāng)作支配世界的終極規(guī)律，將無(wú)法滿(mǎn)足所有人對(duì)世界的理解和解釋欲。這種哲學(xué)上的不滿(mǎn)意，導(dǎo)致許多人對(duì)量子力學(xué)的哥本哈根解釋提出批評(píng)。第五章物理學(xué)革命及其影響第五章物理學(xué)革命及其影響“在目前業(yè)已基本建成的科學(xué)大廈中，物理學(xué)家似乎只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了；然而，在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還飄著兩朵令人不安的愁云。”

——《19世紀(jì)籠罩在熱和光的動(dòng)力論上的陰影》，1900年4月27日于不列顛皇家科學(xué)院尋找“以太”的失敗經(jīng)典能量均分定理的失敗“山雨欲來(lái)風(fēng)滿(mǎn)樓”相對(duì)論量子論Kelvin,W.Thomson(1824-1907)20世紀(jì)物理學(xué)革命的進(jìn)軍號(hào)角科學(xué)巨匠第五章物理學(xué)革命及其影響20世紀(jì)初物理學(xué)的革命：經(jīng)典物理基于宏觀物質(zhì)和低速運(yùn)動(dòng)物理經(jīng)驗(yàn)而建立的概念和理論體系高速相對(duì)論A.Einstein(1878-1955)H.Lorentz(1853-1928)H.Poincaré(1854-1912)時(shí)空觀革命絕對(duì)相對(duì)H.Minkowski(1864-1909)第五章物理學(xué)革命及其影響微觀量子論因果律革命決定統(tǒng)計(jì)TheNobelPrizeinPhysics1918inrecognitionoftheservicesherenderedtotheadvancementofPhysicsbyhisdiscoveryofenergyquantaM.Planck(1858-1947)TheNobelPrizeinPhysics1921forhisservicestoTheoreticalPhysics,andespeciallyforhisdiscoveryofthelawofthephotoelectriceffectA.Einstein(1878-1955)第五章物理學(xué)革命及其影響TheNobelPrizeinPhysics1922forhisservicesintheinvestigationofthestructureofatomsandoftheradiationemanatingfromthemN.Bohr(1885-1962)forhisdiscoveryofthewavenatureofelectronsTheNobelPrizeinPhysics1929L.deBroglie(1892-1987)第五章物理學(xué)革命及其影響TheNobelPrizeinPhysics1932forthecreationofquantummechanics,theapplicationofwhichhas,interalia,ledtothediscoveryoftheallotropicformsofhydrogenW.Heisenberg(1901-1976)TheNobelPrizeinPhysics1933forthediscoveryofnewproductiveformsofatomictheoryE.Schr?dinger(1887-1961)P.Dirac(1902-1984)第五章物理學(xué)革命及其影響TheNobelPrizeinPhysics1945forthediscoveryoftheExclusionPrinciple,alsocalledthePauliPrincipleW.Pauli(1900-1958)TheNobelPrizeinPhysics1954(sharedwithW.Bothe)forhisfundamentalresearchinquantummechanics,especiallyforhis

statisticalinterpretationofthewavefunctionM.Born(1882-1970)

第五章物理學(xué)革命及其影響“在本世紀(jì)初，發(fā)生了三次概念上的革命，它們深刻地改變了人們對(duì)物理世界的了解，這就是狹義相對(duì)論（1905年）、廣義相對(duì)論（1916年）和量子力學(xué)（1925年）?！?/p>

——《愛(ài)因斯坦對(duì)理論物理學(xué)的影響》，1979年近代物理以相對(duì)論與量子論為理論基礎(chǔ)的20世紀(jì)物理學(xué)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的理論基礎(chǔ)楊振寧(1922-)材料科學(xué)電子技術(shù)第五章物理學(xué)革命及其影響在哲學(xué)上，量子力學(xué)不但揭示了波粒二象性是自然界的基本矛盾，為對(duì)立統(tǒng)一規(guī)律提供了新的證明，而且進(jìn)一步揭示了連續(xù)性與間斷性，偶然性與必然性，決定論與因果律之間的辯證關(guān)系，宣告了機(jī)械論自然觀的破產(chǎn)，為辯證唯物主義的自然觀提供了科學(xué)證明。第五章物理學(xué)革命及其影響現(xiàn)代化學(xué)理論的發(fā)展元素周期理論的新發(fā)展現(xiàn)代化學(xué)鍵理論第五章物理學(xué)革命及其影響化學(xué)是在原子和分子的水平上，主要是在分子水平上研究物質(zhì)是組成結(jié)構(gòu)和性能及其變化。來(lái)源于煉金術(shù)和化學(xué)工藝，始于17世紀(jì)英國(guó)玻意耳。在化學(xué)史的發(fā)展過(guò)程中，有過(guò)幾次重大的突破，現(xiàn)分述如下。第五章物理學(xué)革命及其影響第一次是1808年英國(guó)化學(xué)家道爾頓提出原子學(xué)說(shuō)．合理地解釋了當(dāng)時(shí)的一些化學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律。進(jìn)確地闡明了化學(xué)變化是原子間的化合與分解．從此結(jié)束了化學(xué)的神秘性。它將揭示物質(zhì)的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)之間的本質(zhì)聯(lián)系，為研制新材料，探索新能減研究生命現(xiàn)象，模擬生命體內(nèi)的化學(xué)變化等各方面提供充實(shí)的理論依據(jù)。美國(guó)杰出的化學(xué)家兩次獲得諾貝爾獎(jiǎng)的鮑林指出：“化學(xué)鍵理論是化學(xué)家手中的金鑰匙”第五章物理學(xué)革命及其影響不同元素代表不同原子；分子是由原子在空間按一定方式或結(jié)構(gòu)結(jié)合而成的；分子的結(jié)構(gòu)直接決定其性能；分子進(jìn)一步聚集成物體。第二次是1869年俄國(guó)化學(xué)家門(mén)捷列夫在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，找到了物質(zhì)之間相互變化的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了著名的化學(xué)元素周期律，從而預(yù)示新元素的發(fā)現(xiàn)，指導(dǎo)化學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)等研究工作的進(jìn)展。第五章物理學(xué)革命及其影響第三次大突破是化學(xué)鍵理論的研究。1916年德國(guó)化學(xué)家柯賽爾和美國(guó)化學(xué)家路易斯創(chuàng)立了經(jīng)典的電價(jià)理論和共價(jià)理論．從1927年量子力學(xué)應(yīng)用于化學(xué)開(kāi)始．化學(xué)健理論發(fā)展很快，已建立起比較完整的體系，成為化學(xué)的重要基礎(chǔ)理論——現(xiàn)代化學(xué)健理論。第五章物理學(xué)革命及其影響元素周期理論的新發(fā)展電價(jià)根據(jù)量子力學(xué)，描述原子中電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)需要有四個(gè)量子數(shù)ｎ，ｌ，ml,ms,其中ｎ為主量子數(shù)，它決定著電子的能量大小；ｌ為軌道量子數(shù)，它決定著電子繞核運(yùn)動(dòng)的軌道角動(dòng)量的大??；ml磁量子數(shù)，決定著軌道角動(dòng)量在外磁場(chǎng)方向上的分量；則是自旋量子數(shù)，決定電子自旋角動(dòng)量在外磁場(chǎng)方向上的分量。第五章物理學(xué)革命及其影響其次，多電子原子中電子的分布滿(mǎn)足如下的規(guī)律：1、多電子原子中電子的分布是分層次的，叫電子殼層。每個(gè)殼層由主量子數(shù)ｎ來(lái)區(qū)分，ｎ=1的殼層叫K殼層，ｎ=2的殼層叫L殼層，依次有M、N、O、P、Q殼層，共7個(gè)殼層。第五章物理學(xué)革命及其影響2、在每個(gè)殼層上，由于能量不同，又可以細(xì)分為幾個(gè)不同的亞層，通常用ｓ、ｐ、ｄ、ｆ等表示，其實(shí)實(shí)質(zhì)乃是軌道量子數(shù)ｌ的不同，如ｓ對(duì)應(yīng)于ｌ=0，ｐ對(duì)應(yīng)于ｌ=1等。而總的來(lái)說(shuō)，若主量子數(shù)為ｎ，軌道量子數(shù)ｌ的取值范圍為ｌ=0，1，2，…（ｎ-1）。第五章物理學(xué)革命及其影響3、電子分布的每個(gè)亞層又可再細(xì)分為幾個(gè)不同的軌道，其標(biāo)志為ml電子的磁量子數(shù)ml，而每個(gè)軌道上還能容納兩個(gè)自旋方向相反的電子，其標(biāo)志為自旋量子數(shù)ms。第五章物理學(xué)革命及其影響4、電子在原子中的分布還遵從下列兩個(gè)原理：①泡利不相容原理，即在一個(gè)原子中不可能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的電子有完全相同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，也就是說(shuō)，任何兩個(gè)電子不可能有完全相同的一組量子數(shù)（ｎ，ｌ，ml,ms）；第五章物理學(xué)革命及其影響②能量最小原理，即在原子系統(tǒng)內(nèi)，每個(gè)電子總是趨向于占有最低的能級(jí)；如果有ｎ個(gè)相同的軌道，則電子在成對(duì)前分別平行填充各軌道，例如有3個(gè)ｐ軌道，有3個(gè)電子，它們的排布情形將是↑↑↑，而不是↑↓↑。當(dāng)原子中每個(gè)電子的能量最小時(shí)，整個(gè)原子的能量最小，此時(shí)原子處于穩(wěn)定狀態(tài)，稱(chēng)基態(tài)。根據(jù)兩個(gè)原理，每個(gè)主殼層上允許容納的電子數(shù)、最多為Zn=2n2,其中ｎ為量子數(shù)，如ｎ=2的L殼層上最多容納電子為8個(gè)。同時(shí)又知道，每種原子的最外層最多排布8個(gè)電子，次外層最多能排布18個(gè)電子。外數(shù)第三層最多能排布32個(gè)電子。第五章物理學(xué)革命及其影響依據(jù)上述電子在原子核外的排布規(guī)律，人們才揭示出元素周期律的深層本質(zhì)：第五章物理學(xué)革命及其影響元素在周期表中的位置，或者說(shuō)元素的性質(zhì)和周期性變化是由原子的電子殼層結(jié)構(gòu)的周期性變化決定的而原子核外電子的總數(shù)等于原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)或電荷數(shù)，即等于原子序數(shù)。第五章物理學(xué)革命及其影響元素在周期表中的周期數(shù)，等于該元素的原子的核外電子的殼層數(shù)，即主量子數(shù)nmax；而它所處的族，則由最外層電子的個(gè)數(shù)所決定，同一周期中的元素，從左到右，電子的數(shù)目由1變化到8，形成不同的周期，其金屬性依次減弱，非金屬性逐漸增強(qiáng)，直至惰性氣體。第五章物理學(xué)革命及其影響而同一族的元素，由于最外層電子數(shù)目相同，其化學(xué)性質(zhì)極為相似，但由于它們處在不同的周期，最外層電子離原子核的距離也依次增加，作用力削弱，從而導(dǎo)致在周期表中從上到下，同一族的元素呈現(xiàn)出金屬性質(zhì)的增強(qiáng)或化學(xué)活潑性的遞增。第五章物理學(xué)革命及其影響現(xiàn)代化學(xué)鍵理論電價(jià)鍵（離子鍵）共價(jià)鍵金屬鍵理論