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1、放射物理与防护 绪论物理学是自然科学中基本的学科，是研究物质运动最一般规律和物质基本结 构的学科。在尺寸标度上涉及从基本粒子到整个宇宙，在时间标度上从飞秒级的 短寿命到宇宙纪元。物理学确立的新概念和理论，已经成为人类对周围世界认识 的不可分割的部分，直接影响到社会生产和生活，对社会发展起着推动作用。 一、物理学的发展纵观物理学的发展史，根据它不同阶段的特点，大致可以分为物理学萌芽 时期、经典物理学时期和现代物理学时期三个发展阶段。（一）物理学萌芽时期在古代，由于生产水平的低下，人们对自然界的认识主要依靠不充分的观察， 和在此基础上进行的直觉的、思辨性猜测，来把握自然现象的一般性质，因而自 然科
2、学的知识基本上是属于现象的描述、经验的总结和思辨的猜测。那时，物理 学知识是包括在统一的自然哲学之中的。在这个时期，首先得到较大发展的是与生产实践密切相关的力学，如静力学 中的简单机械、杠杆原理、浮力定律等。在墨经中，有力的概念（“力，形之 所以奋也”）的记述；光学方面，积累了关于光的直进、折射、反射、小孔成像、 凹凸面镜等的知识。墨经上关于光学知识的记载就有八条。在古希腊的欧几 里德（公元前 450-380）等的著作中也有光的直线传播和反射定律的论述，并且对 光的折射现象也作了一定的研究。电磁学方面，发现了摩擦起电、磁石吸铁等现 象，并在此基础上发明了指南针。声学方面，由于音乐的发展和乐器的
3、创造，积 累了不少乐律、共鸣方面的知识。物质结构和相互作用方面，提出了原子论、元 气论、阴阳五行说、以太等假设。在这个时期，观察和思辨虽然是人们认识自然的主要手段和方法，但也出现 了一些类似于用实验来研究物理现象的方法。例如，我国宋代沈括在梦溪笔谈 中的声共振实验和利用天然磁石进行人工磁化的实验，以及赵友钦在革象新书 中的大型光学实验等就是典型的事例。总之，从远古直到中世纪（欧洲通常把五世纪到十五世纪叫做中世纪）末，由 于生产的发展，虽然积累了不少物理知识，也为实验科学的产生准备了一些条件 并做了一些实验，但是这些都还称不上系统的自然科学研究。在这个时期，物理 学尚处在萌芽阶段。此阶段著名物理
4、学家：亚里士多德：亚里士多德反对原子论；不承认有真空存在；他还认为物 体只有在外力推动下才运动，外力停止，运动也就停止；还认为作自由落 体运动的物体重的比轻的落得快 。（二）经典物理学时期十五世纪末叶，资本主义生产关系的产生，促进了生产和技术的大发展；席 卷西欧的文艺复兴运动，解放了人们的思想，激发起人们的探索精神。近代自然 科学就在这种物质的和思想的历史条件下诞生了。系统的观察实验和严密的数学 演绎相结合的研究方法被引进物理学中，导致了十七世纪主要在天文学和力学领 域中的“科学革命”。牛顿力学体系的建立，标志着近代物理学的诞生。整个十 八世纪，物理学处在消化、积累、准备的渐进阶段。新的科学思
5、想、方法和理论， 得到了传播、完善和扩展。牛顿力学完成了解析化工作，建立了分析力学；光学、 热学和静电学也完成了奠基性工作，成为物理学的几门基础学科。人们以力学的 模型去认识各种物理现象，使机械论的自然观成为十八世纪物理学的统治思想。 到了十九世纪，物理学获得了迅速和重要的发展，各个自然领域之间的联系和转 化被普遍发现，新数学方法被广泛引进物理学，相继建立了波动光学、热力学和 分子运动论、经典电磁场理论等完整的、解析式的理论体系，使经典物理学臻于 完善。由物理学的巨大成就所深刻揭示的自然界的统一性，为辨证唯物主义的自 然观提供了重要的科学依据。此阶段著名物理学家：牛顿：数学：牛顿与莱布尼茨独立
6、发展出了微积分学，并为之创造了各自独 特的符号。根据牛顿周围的人所述，牛顿要比莱布尼茨早几年得出他的方 法，但在 1693 年以前他几乎没有发表任何内容，并直至 1704 年他才给出 了其完整的叙述。其间，莱布尼茨已在 1684 年发表了他的方法的完整叙述。光学：牛顿认为光是由粒子或微粒组成的。力学：牛顿三大定律、万有引力定律等。晚年：晚年的牛顿在伦敦过着堂皇的生活，1705年他被安妮女王封为贵族。 此时的牛顿非常富有，被普遍认为是生存着的最伟大的科学家。他担任英 国皇家学会会长，在他任职的二十四年时间里，他以铁拳统治着学会。没 有他的同意，任何人都不能被选举。晚年的牛顿开始致力于对神学的研究
7、，他否定哲学的指导作用，虔诚地相信上帝，埋头于写以神学为题材的著作。当他遇到难以解释的天体运 动时，提出了 “神的第一推动力”的理论。他说“上帝统治万物，我们是他的 仆人而敬畏他、崇拜他”。1727年3月31日，伟大艾萨克牛顿逝世。同其他很多杰出的英国人样，他被埋葬在了威斯敏斯特教堂。他的墓碑上镌刻着：“让人们欢呼这样一位多么伟大的人类荣耀曾经在世界上存在”（三）现代物理学时期十九世纪末叶物理学上一系列重大发现，使经典物理学理论体系本身遇到 了不可克服的危机，从而引起了现代物理学革命。由于生产技术的发展，精密、 大型仪器的创制以及物理学思想的变革，这一时期的物理学理论呈现出高速发展 的状况。研
8、究对象由低速到高速，由宏观到微观，深入到广垠的宇宙深处和物质 结构的内部，对宏观世界的结构、运动规律和微观物质的运动规律的认识，产生 了重大的变革。在 19世纪末叶，有一个叫开尔文的物理学家，他当时有一个很 有名的话，就是“19 世纪的物理学，已经把所有的问题都解决了，好像是一片 晴朗的天空，但是在晴朗的天空上还有两朵乌云”。这两朵乌云指什么呢，一个 是指当时对以太的存在性，光速跟以太有没有关系的疑问；另外一个是关于黑体 辐射的，谱形没有得到很好的解释。相对论和量子力学的建立，克服了经典物理学的危机，完成了从经典物理学到现代物理学的转变，使物理学的理论基础发生 了质的飞跃，改变了人们的物理世界
9、图景。这是 19世纪物理学家说的话，没有 想到这就成为了 20世纪物理学发展的序幕。第一朵乌云的驱散，导致了狭义相 对论的诞生,另外一朵乌云的澄清。导致了量子力学诞生。这两朵乌云一澄清以 后，物理学就有飞速发展。我可以简要叙述一下狭义相对论的特点。狭义相对论 之所以提出来，是针对光速测量产生的。当时有好多实验，有的证明了以太是静 止不动的，还有的证明了以太是随着物质的运动而运动的，也有一些证明是以太 是随着物质的运动而部分地带运动的。所以这个以太就成为了一个“谜”。爱因 斯坦就深入分析了这个问题，从一个科学实验事实出发，实验说光的速度和发光 物质的运动状态无关，也就是说光不论在什么地方发射，光
10、源的速度是多少，观 察者，包括运动中的观察者，永远看到的是光的速度，大概是每秒30万公里在 运行。根据这样一个奇怪的事情，再加上了空间是均匀的，各向同性的假定，爱 因斯坦就提出了狭义相对论,这是人们对事件空间的观念的一个转变。在狭义相 对论中发现,牛顿力学需要有修正。牛顿力学中的力等于动量对时间的微分，其 中动量就是质量乘以速度，而相对论就是对这个动量作了修正，结果就是就是物 体在低速运动的时候仍然符合牛顿力学的规律，而在速度很大，接近光速的时候， 运动规律就有很大的修改。同时爱因斯坦的相对论还有一些很特殊性质的发现， 比如钟慢尺缩。20世纪另外一个重大的发现是量子力学,量子力学的发现是由于黑
11、体辐射 问题很难得到一个统一的解决而产生出的问题。这一件事情，当时有一个大物理 学家叫做普朗克，他在1900年12月14日发表了一篇很重要的文章来解释黑体 辐射。普朗克引进了一个假说，也就是光的能量的传播，不是连续的释放和吸收， 而是以一个一个光量子的形态来出现,这个光量子形态也就是普朗克常数乘以光 的频率。这个假说很好的解释了黑体辐射问题。这是物理学中第一次引进了光能 的吸收和释放是不连续的概念。爱因斯坦进一步用普朗克假说解释了光电效应， 进一步爱因斯坦又提出光子除了具有能量之外,还具有动量，这个动量就是普朗 克常数h乘以振动频率再除以光速c。光子就不再简单看作电磁波的振动，也看 作是粒子，
12、这个粒子既有能量又有动量。后来康普顿和吴有训先生在实验上证明 了这样一个光子打到电子以后，光子运动的频率和运动方向都会发生改变，而这样一个改变的后果就象是光子作为一个具有确定动量的小球，打在一个静止的电子上面，然后光子再通过弹性散射到另外一个方位上去，这样的改变完全遵守牛顿力学中的弹性碰撞定律，这样就让人们看得很清楚，就是光子既是波，又是粒子，这就是波粒二象性。进一步，法国人德布洛意提出波粒二象性不仅是光子具 有的，而是任何一种粒子都具有的。也就是光子看起来是波，其实也是粒子；而 普通称为粒子的电子，中子，质子，甚至分子，原子，这些看起来是粒子的也有波动性，因此他把光子的波粒二象性扩展成粒子的
13、波粒二象性。这就是德布洛意 子力学。量子力学出来以后，引起了人们对微观世界认识的一场大革命。波假说。进一步，到了薛定鄂、海森堡就把德布洛意的观念更加普遍化，变成此阶段著名物理学家简介爱因斯坦(18791955)，1879 年3月14 日诞生在德国乌尔姆的一 个犹太人家中。 1894 年举家迁居意大利米兰。 1900 年毕业于瑞士苏黎世 工业大学。 1901年入瑞士国籍； 1914年任柏林大学教授， 1933年因受纳 粹迫害而移居美国， 1940 年入美国国籍， 1955 年 4月 18 日逝世。爱因斯坦被认为是最富于创造力的科学家，他不但创立了相对论，还提出了光量子的概念，得出了光电效应的基本
14、定律，并揭示了光的 波粒二重性本质，为量子力学的建立奠定了基础。 为此荣获 1921 年度的诺 贝尔物理学奖。同时，他还证明了热的分子运动论，提出了测定分子大小 的新方法。然而就是这样一位光彩夺目的人物，爱因斯坦年幼时也未显出智力超群，相反，到了四岁多还不会说话，家里人甚至担心他是个低能儿。在整个中小学时代却常常被斥为“生性孤僻、智力迟钝”，“心不在焉，想入 非非”。中学毕业前夕，校方甚至断言他未来将“一事无成”，勒令他退 了学。16 岁那年，他以同等学历报考大学，尽管物理。数学成绩很好，但由于需要死记硬背的科目考砸了锅，只得名落孙山。第二年进入大学后， 他擅自“刷掉了”很多课程，只以“极大的
15、兴趣”去听某些课和在家里自 学。曾被数学教授称为“懒狗”，曾因做实验出事故受到处分，还曾被物 理教授认为不适宜学物理而应当改行。大学毕业时几位同窗好友都留校当了助教， 他却因得不到教授们的赏识 而遭到了“毕业即失业”的命运。这种种亲身经历，使爱因斯坦对教育的 总体印象一直不佳。正因为如此，成名后的爱因斯坦通过自身的体验和长 期的观察，形成了一种与众不同的教育观点。“知识是死的；而学校却要为活人服务。”这是爱因斯坦对于学校教育 的基本看法。他反对把学校仅仅看做是传授知识的工具， 更反对把学生 “当 作死的工具来对待”。他认为：“学校的目的始终应当是：青年人在离开 学校时，是作为一个和谐的人，而不
16、是作为一个专家。”1955 年 4月18 日因主动脉瘤破裂逝世于普林斯顿。遵照他的遗嘱，不发讣告，不举行公开葬礼，不建坟墓，不立纪念碑。火化时按照他的书 面遗嘱：免除所有花卉布置以及所有音乐典礼。骨灰撒在永远对人保密的 地方，为的是不使任何地方成为圣地。遗嘱执行者用歌德悼念席勒的诗结 束了那朴素的葬礼：我们全都获益不浅，全世界都感谢他的教诲；那专属他个人的东西，早已传遍广大人群。 他像行将陨灭的彗星，光华四射，把无限的光芒同他的光芒永相连结。他的主治医生贺维博士认为如此伟大的大脑，应该进行研究，所以他便把爱因斯坦的大脑保留了下来，并切成 200 片带走。但至今没有结论。二、物理学在医学中的应用医学物理学可归纳为物理学应用的一个支脉，它是将物理学的理论、方法 和技术应用于医学而形成的一门新兴边缘学科。换句话说，医学物理学系结合物 理学、工程学、生物学
