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1、近现代物理学引论由伽利略(15641642)和牛顿(16421727)等人于17世纪创立的经典物理学，经过18世纪在各个基础部门的拓展到19世纪得到了全面、系统和迅速的发展达到了它辉煌的顶峰。到19世纪末，已建成了一个包括力、热、声、光、电力、热、声、光、电诸学科在内的、宏伟完整的理论体系。特别是它的三大支柱经典力学、经典电动力学、经典热力学和统计力学经典力学、经典电动力学、经典热力学和统计力学已臻于成熟和完善，不仅在理论的表述和结构上已十分严谨和完美，而且它们所蕴涵的十分明晰和深刻的物理学基本观念，对人类的科学认识也产生了深远的影响。到19世纪末，经典物理学理论体系的大厦巍然耸立，使人们普遍
2、产生了一种错觉，认为物理学的发展已经完成，人们对物理世界的解释已经达到了终点，宇宙万物必然按照由精美的数学方程所表达的物理学定律永远运动下去。著名德国物理学家基尔霍夫曾表示：“物理学将无所作为了，至多只能在已知规律的公式的小数点后面加几个数字罢了。”在刚刚跨入20世纪的第一天，英国著名的物理学家开尔文在元旦献词中曾经说过：“在已经建成的大厦中，后辈物理学家只能做一些零碎的修补工作。”与众不同的是他又敏锐地发现，在物理学晴朗的天空里，还有两朵小小的令人不安的乌云，这两朵乌云指的是当时物理学无法解释的两个实验，一个是热辐射实验，另一个是迈克尔逊莫雷实验。（一）经典物理学的两朵乌云（一）经典物理学的
3、两朵乌云1900年4月27日，开尔文在英国皇家学会以19世纪热和光的动力理论上空的乌云为题所作的长篇演讲中，虽然认为物理学是万里晴空，但又说：“动力学理论断言热和光都是运动的方式，可是现在，这种理论的优美性和明晰性被两朵乌云遮蔽得黯然失色了。第一朵乌云是随着光的波动理论而开始出现的。菲涅耳和托马斯杨研究过这个理论，它包括这样一个问题：地球如何通过本质上是光以太这样的弹性固体而运动呢？第二朵乌云是麦克斯韦玻耳兹曼关于能量均分的学说。”这两朵乌云涉及到两方面的实验发现与力学、电磁学、气体分子运动论理论的困难1第一朵乌云“以太”学说相对性原理是经典力学的一个最基本的原理，这个原理认为，绝对静止和绝对
4、匀速运动都是不存在的，一切可测量的、因而也是有物理意义的运动，都是相对于某一参照物的相对运动。牛顿本人也充分意识到了确定“绝对运动”的困难，最后只能以臆测性的“绝对空间”的存在作为避难所麦克斯韦的电磁场理论获得成功之后，电磁波的载体以太，就成了物化的绝对空间，静止于宇宙中的以太就构成了一切物体的“绝对运动”的背景框架。既然以太也是一种物质存在，或者说它表征着物化了的绝对空间，当然就可以通过精密的实验测出物体相对于以太背景的绝对运动美国物理学家迈克尔逊（18521931）在1881年，他和莫雷（18381923）在1887年利用干涉仪所进行的精密光学实验，都未能观察到所预期的以太相对于地球的运动
5、第二朵乌云“紫外灾难”第二朵乌云涉及的是经典物理学另一分支，热力学和分子运动论中的一个重要问题。开尔文明确提到的是“麦克斯韦玻耳兹曼关于能量均分的学说”。实际上是指19世纪末关于黑体辐射研究中所遇到的严重困难为了解释黑体辐射实验的结果，物理学家瑞利和金斯认为能量是一种连续变化的物理量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。但是，这个公式推出，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，这和实验数据相差十万八千里，是根本不可能的。所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”20世纪初的这两朵乌云最终导致了物理学的一场大变革。第一朵乌云“以太”学说导致
6、了相对论的诞生。第二朵乌云“紫外灾难”导致了量子力学的产生。因此也可以说，对这两朵“乌云”的研究就标志着现代物理时代的到来（二）十九世纪末物理学的三大发现（二）十九世纪末物理学的三大发现自古到今，人们就在不断地思索，世界万物由什么构成的？它有最小结构吗哲学家亚里士多德等人则认为物质是连续的，世界万物由土、空气、水、火这四种元素组成的，而天则是第五种元素“以太”所组成的古希腊哲学家德谟克利特等人认为，物质是不连续的，分到最后将由一些不可再分的东西所组成，他把这种物质的基元命名为“atoms（“原子”）”，古希腊文的意思是“不可再分的东西”。英国科学家道尔顿是科学原子论的创始人，1807年他依据一
7、系列实验，提出“气体、液体和固体都是由该物质的不可分割的原子组成的”，“同种元素的原子，其大小、质量及各种性质都相同”，此后，大量实验事实证明了原子论的正确性。1895年年德国物理学家伦琴发现德国物理学家伦琴发现X射线射线，1896年年，法国物理学家贝克勒尔发现，法国物理学家贝克勒尔发现放射性放射性，1897年年英国物理学家汤姆逊，发现了英国物理学家汤姆逊，发现了电子电子，这三大发现揭开了原子存在内部结构，三大发现揭开了研究微观世界的序幕。1、X射线的发现X射线的发现也是起源于对阴极射线的研究德国维尔茨堡大学校长、物理学家伦琴于1895年11月8日，在做放电管实验时，为了避免可见光的影响，他用
8、黑纸将放电管包起来，而且在暗室中进行实验，他意外地发现在离管一米以外的涂有荧光物质的屏上闪耀着微弱的青绿色的荧光。12月22日，伦琴的夫人来到实验室，伦琴让夫人把左手放在用黑纸包着的照相底片上，然后用X射线照射，为她拍摄了一张带着戒子的左手手指骨骼照片，这是历史上第一张X光照片。伦琴夫人手的伦琴夫人手的伦琴夫人手的伦琴夫人手的X X片片片片1895年12月28日伦琴写出了一篇论文论一种新的射线，文章详细总结了新射线的性质：新射线来自于被阴极射线击中的固体，固体元素越重，产生出来的新射线越强；新射线是直线传播的，不被棱镜反射和折射，也不被磁场偏转；新射线对所有物体几乎都是透明的；新射线可使荧光物
9、质发光，使照相底片感光，当把手放在放电管和荧光屏之间时，由于肌肉对新射线的吸收比骨质弱得多，屏上便可看到手指的骨骼。X射线这个名称也是伦琴最先采用的，他在给孔特的信中说：“我终于发现了一种光，我不知道是什么光，无以名之，就把它叫做X光吧”，后人为了纪念他，又把它称为“伦琴射线”。伦琴的发现震惊了整个科学界，许多物理学家转向研究X射线，反应之迅速和强烈是物理学史上罕见的，仅1896年一年内，关于X射线研究的论文达1000多篇。在X射线发现3个月后，维也纳医院中首次利用X射线对人体进行拍片;半年后，英国出版了第一本研究X射线的专业杂志射线临床摄影资料;此后，J.J.汤姆逊和卢瑟福证实X射线能使气体
10、电离；1912年德国物理学家劳厄用晶体作光栅，得到X射线衍射图，证明X射线是一种波长很短（约在10102之间）的电磁波，同时证明了晶体具有空间点阵，劳厄因此获得了1914年度诺贝尔物理奖。X射线的发现使人们认识的“电磁波谱”朝着短波方向拓广了一大段；1906年，英国物理学家巴克拉发现每种金属都有自己的“特征X射线”，用它可以确定元素在周期表上的排位，巴拉克因此而获得了1917年的诺贝尔物理学奖；1915年诺贝尔物理学奖授予英国物理学家布拉格父子，表彰他们在劳厄工作的基础上，提出了布拉格公式，可以用它精确测定晶体的原子结构；1913年，英国年轻的物理学家莫斯莱发现一个重要的规律：各种元素的波长非
11、常有规律地随着它们在周期表中的排列顺序而递减，利用此规律可以准确地确定各元素的原子序数，并且发现它们恰好与核电荷数相等，他的发现对认识原子内部结构有很大的意义；瑞典物理学家西格本进一步发现了一系列新的X射线，并精确测定了各种元素的射线谱，建立了射线光谱学，西格本的工作对于揭开原子内电子壳层结构状况有重要的作用，他因此而荣获了1924年度的诺贝尔物理学奖。X射线分析法的应用：19531959年，小布拉格的两位助手佩鲁茨和肯德罗，用改进了的X射线分析法测定了肌红蛋白及血红蛋白的分子结构，为此获得1962年的诺贝尔化学奖。1962年诺贝尔生理学奖及医学奖授予英国生物物理学家克里克、威尔金森、美国生物
12、学家沃森，表彰他们发现DNA的双螺旋结构，这是20世纪生物学的最伟大成就，他们依靠的也是X射线分析法。因使用X射线分析法研究蛋白质、核糖核酸、青霉素、维生素等生物大分子、有机高分子结构而获诺贝尔化学、生理医学奖的科学家多达数10位。X射线也用于军事。“星球大战”中核心武器是高能X射线激光器，将它装在军事卫星上能远距离摧毁对方的洲际导弹。20世纪60年代，美国物理学家科马克和英国电气工程师洪斯菲尔德提出用计算机控制X射线断层扫描原理，并发明X射线断层扫描仪，使医生能看到人体内脏器官横断面图象，从而准确诊断病症，他们两人共享了1979年诺贝尔生物学及医学奖。值得一提的是在伦琴发现X射线之前，人们已
13、在实验室操作阴极射线管达30多年之久，也有一些人如克鲁克斯、勒纳德都曾碰到过阴极射线管附近的照片底片感光或物体发出荧光的现象，但是，他们都没有仔细审查这个奇怪的现象而失去了“机遇”，正如恩格斯所描述的：“当真理碰到鼻子尖上的时候还是没有得到真理”，在科学发展史上这类事实是屡见不鲜的。但是伦琴1869年苏黎世大学获博士学位，他治学严谨，一贯重视基本实验，从不放过任何一个可疑现象，发现苗子反复试验，终于发现了X射线。伦琴荣获1901年诺贝尔物理奖，成为诺贝尔物理奖的第一个获奖者，他是当之无愧的。第一张诺贝尔物理奖第一张诺贝尔物理奖(1901年伦琴年伦琴)2、电子的发现1858年德国物理学家普鲁克利
14、用盖斯勒放电管研究气体放电时发现了对着阴极的管壁上出现了美丽的绿色光辉；1876年德国物理学家哥尔德斯坦证实这种绿色光辉是由阴极上所产生的某种射线射到玻璃上产生的，他把这种射线命名为“阴极射线”。法国物理学家大多认为阴极射线是一种电磁波，英国物理学家则认为是一种带电粒子流，这一争论持续了一、二十年，促使许多物理学家进行很有意义的实验，推动了物理学的发展，这场争论最后由J.J.汤姆逊解决了。J.J.汤姆逊，1856年12月18日生于英国，1884年任卡文迪许实验室教授，这个实验室在他的领导下，成了全世界引人注目的物理实验中心，世界各地的科学家常来这里开展研究工作，其中有八位后来获得诺贝尔奖，如卢
15、瑟福、威尔逊、巴克拉）、G.P.汤姆逊等，如后表所示，这八位获奖者是他直接培养过的，卡文迪许实验室获得诺贝尔奖的共有25人次。获奖者获奖者获奖时间和奖项获奖时间和奖项获奖原因获奖原因E.卢瑟福卢瑟福1908化学奖化学奖研究元素蜕变和放射性化学研究元素蜕变和放射性化学W.H.布拉格布拉格1915物理学奖物理学奖用用X射线法分析晶体结构射线法分析晶体结构W.L.布拉格布拉格C.G.巴尔克拉巴尔克拉1917物理学奖物理学奖发现元素的特征发现元素的特征X射线辐射射线辐射F.W.阿斯顿阿斯顿1922化学奖化学奖研究原子的结构和辐射研究原子的结构和辐射C.T.R.威尔逊威尔逊1927物理学奖物理学奖用蒸汽
16、凝聚使带电粒子可见的方法用蒸汽凝聚使带电粒子可见的方法O.W.里查森里查森1928物理学奖物理学奖发发现现电电子子放放射射决决定定于于温温度度的的里里查查森森定律定律G.P.汤姆逊汤姆逊1937物理学奖物理学奖用用电电子子照照射射实实验验发发现现晶晶体体内内的的干干涉涉现象现象1897年，J.J.汤姆逊发现，不管怎样改变放电管中的气体的种类，也不管怎样改变电极的材料，阴极射线粒子的荷质比始终保持不变，这就意味着阴极射线是一种荷质比完全确定的粒子流所组成的，由此断定，这种粒子应是电极材料原子的基本组成部分。1897年8月，J.J.汤姆逊把他的发现写成论文“阴极射线”，10月发表在哲学杂志上。19
17、091917年间美国科学家罗伯特密立根在利用有名的油滴实验测定电子电荷量e值，他以严谨的科学态度和追求精确的测量而受到人们的赞誉。1909年年密密立立根根油油滴滴实实验验证证明明一一切切荷荷电电物物质质都都只只能能带带有有e的的整整数数倍倍的的电电量量，而而一一个个阴阴极极射射线线粒粒子子所所带带的的电电量量（e）是是负负电电荷荷的的最最小小单单位位，e/m是是不不变变的的，e也也不不变变，表表示示阴阴极极射射线线粒粒子子的的质质量量m也也是是确确定定的的，这这种种粒粒子子便便称称为为电电子子，因因此此阴极射线就是高速电子流。阴极射线就是高速电子流。电子的发现再一次否定了原子不可分的观念，电子
18、是第一个被发现的微观粒子，电子的发现对原子组成的了解起了极为重要的作用。J.J.汤姆逊由于发现电子而于1906年荣获诺贝尔物理学奖，J.J.汤姆逊被誉为“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。电子的发现在科学技术上诱发了电子时代的来临，1904年，A.弗莱明发明了二极电子管，1906年，L.德弗莱斯特(L.deForest)发明了三极管。真空管的发明，使电力通讯、控制合自动化生产很快发展。晶体管集成电路的发明，使人类进入微电子科技时代。3、放射性的发现在X射线发现不久，贝克勒尔对一种称为硫酸双氧铀钾的荧光物质进行了研究，他把这种铀化合物放在用黑纸包起来的照相底片上，然后放在太阳光下曝晒几
19、小时，把底片取出来进行冲洗，他发现了“荧光物质在底片上的黑色轮廓”，他又在荧光物质和纸之间放一块玻璃，继续进行试验，也得到了同样的结果。这就是最早发现的放射性现象，铀是贝克勒尔发现的第一个放射性元素。法国科学泰斗彭加勒在阅读伦琴发现X射线的实验报告后，脑子里浮现出一种想法：既然X射线发生在荧光现象特别强烈的地方，那么，一切强烈的荧光物质都可能发射X射线。贝克勒尔是在这种情况下去做实验的，但是，他不迷信权威，通过实验他发现彭加勒关于荧光物质产生X射线的理论是错误的。自然现象纷纭复杂，假象和真象交织，现象合本质对立，原因合结果互变，要探索它的规律，怎能一点也不犯错误？贝克勒尔的初衷也是证实彭加勒的
20、设想，后来却否定了它。因此，从错误的理论出发，通过实验，揭示错误，走向真理也是科学研究的一种正常模式。放射性发现公布后不久，玛丽居里很快投入了这一新的研究领域，她发现沥青铀矿中的放射性比已测得的铀的放射性强得多。她大胆假定沥青铀矿中存在一种比铀放射性强得多的未知元素。为了寻找这个未知元素，她的丈夫皮埃尔居里通过繁重的劳动，从大量的沥青矿渣中去提取那个未知元素，最后发现了两种新的放射性元素，一种取名为“钋”（Polorium），以纪念自己的祖国波兰，另一种取名为“镭”。用于发现镭与钋的沥青铀矿样品用于发现镭与钋的沥青铀矿样品居里夫妇继续奋斗了近四年，在简陋的工棚里，在原始的条件下，历尽千辛万苦，
21、终于在1902年3月，从数以吨计的沥青铀矿残渣中提炼出0.12克氯化镭，并测得了镭的原子量为225（现公认为226），其放射性比铀强200万倍。1903年，居里夫妇和贝克勒尔共享了诺贝尔物理奖。1910年完成了她的名著论放射性，由于她的杰出贡献，1911年又荣获了诺贝尔化学奖。居里夫人成了第一个两次获诺贝尔奖殊荣的人物，射线、射线和射线发现：放射性发现后不久，英国剑桥大学卡文迪许实验室的研究生卢瑟福也投入了对放射性的研究，在科学家的共同努力下，没几年就发现了天然放射性核素能够自发地放出各种射线，从而衰变为另一种核素，衰变方式很多，放出的射线也有多种，主要的有射线是带两个正电荷的氦核（）；射线是
22、带负电荷的高速电子流；射线是从原子核内放出来的电磁波，它实际上是一束能量极高的光子流，它的波长比X射线还要短，穿透本领比X射线更强。放射性应用：利用放射性钴源（60Co）的射线辐照，可以进行食品（如肉类、水果等）保鲜、辐照消毒（如对医疗器械、流通货币等）以及辐照育种等。尤其在医药上利用它来杀伤人体内的肿瘤细胞，这是目前治疗肿瘤的一种常用方法。在发达国家中放射性药物使用已相当普及。在发展中国家中，我国的核医药水平名列前茅。国内已有1000多家医院开展了放射性药物的诊治工作。三大发现，使物理学发生了深刻的变化：电子比最轻的原子氢原子还要轻1836倍；电磁波除有无线电波、红外线、可见光、紫外线，还有
23、波长更短的X射线；一个原子在化学变化中释放出来的能量只有几个电子伏特eV（），而天然放射性现象中一个原子放出的能量竟可达到几百万电子伏特MeV（）；化学变化不会引起原子性质的根本变化，然而原子经过放射或射线后却完全变了。（3）量子论和量子力学的诞生1热辐射与热辐射与“紫外灾难紫外灾难”一、基尔霍夫辐射定律黑体：理想的热辐射体是“绝对黑体”，简称“黑体”，它是在任何温度下都能全部吸收落在它上面的一切辐射的理想物体。1895年，维年，维恩首先指出，绝恩首先指出，绝对黑体可以用一对黑体可以用一个带有小孔的辐个带有小孔的辐射空腔（见图射空腔（见图)来实现来实现左图是黑体的单色发射本领与、T关系的实验曲
24、线。为了从理论上导出符合实验曲线的函数式，19世纪末，许多物理学家在经典物理的基础上作了相当大的努力，但是他们都遭到了失败，理论公式和实验结果不相符合、其中最典型的是维恩公式和瑞利一金斯公式：1维恩公式1896年，维恩通过半理论半经验的方法，得到一个黑体辐射的理论公式为维恩公式在短波方面与实验结果符合得很好，但是在长波方面则理论与实验不一致。2瑞利金斯公式1900年，瑞利和金斯根据经典物理中能量按自由度均分原则导出了黑体辐射的理论公式这公式在波长很长的情况下与实验曲线还比较相近，但是在短波紫外光区方面，按公式看来，将趋向无穷大，完全与实验曲线不符，这就是物理学史上著名的“紫外光灾难”。下图表示
25、出这两个公式（虚曲线）与实验值（用表示）的比较。二黑体辐射经验定律导致“紫外灾难”由于瑞利金斯公式完全是根据经典物理学的连续性原理推导出来的（经典物理学认为热的辐射和吸收都是完全连续的过程），因此，“紫外光灾难”说明经典物理学理论应用于热辐射问题上的失败并不是什么局部的失败，而预示着整个经典物理学连续性的灾难，因此，开尔文把“黑体辐射实验看作经典物理学晴朗天空中第二朵乌云”是很恰当的。2 普朗克的量子论普朗克的量子论一、普朗克的能量子德国著名物理学家麦克斯普朗克少年时就酷爱科学和艺术，中学毕业后对于人生道路的选择举棋不定，究竟是为科学奋斗终身呢，还是献身于音乐？普朗克几度徘徊，反复思考，最终还
26、是选定了科学。1900年10月19日，普朗克在德国物理学会上以维恩辐射定律的改进为题的论文中提出了新的辐射公式，称为普朗克公式，公式如下：式中c是光速，k是玻耳兹曼常数，其值为 h为普朗克常数，其值为普朗克公式与实验完全符合，而且它在短波区域可以近似化为维恩公式，而在长波区域则近似化为瑞利金斯公式。图中的热辐射曲线就是依照普朗克计及能量子假设而导出的辐射公式画成的，与黑体辐射实验结果相符合。1900年12月24日，普朗克在法国物理学会的圣诞会上宣读了题为关于正常光谱的能量分布定律的论文，提出了与经典物理学格格不入的能量量子化假设：辐射黑体是由带电的谐振子组成，这些谐振子的能量只能处于能量子的整
27、数倍，即,2,3,4,n n为正整数，称为量子数，对于频率为的谐振子来说，能量子为=hv，式中h是为普朗克常数。3 光的粒子性光的粒子性1905年，普朗克收到了爱因斯坦的一篇论文，题目叫做关于光的产生和转化的一个启发性观点，他在论文里提出了“光量子”对光电效应的一种新解释，普朗克看完论文之后，立即给这位素不相识的青年人写信表示祝贺，爱因斯坦的论文发表后，在物理学界再次引起很大震动。普朗克荣获1918年度诺贝尔物理学奖，爱因斯坦也因此荣获1921年度诺贝尔物理学奖。从此，人们对普朗克的量子论也另眼相待了。光电效应：当紫外光之类的光照射到锌板之类的金属板的表面上时，从金属里会有电子跑出来。随着研究
28、的深入，物理学家发现：被紫外光照射后锌板多少总能发射出一些电子来，不论紫外光的强度有多弱；同样一块锌板如果用红光去照射，不管红光有多少强，也别想打出一个电子来！按照经典物理学的观点，光能够把电子从金属原子中打出来，是因为光将自己的能量交给了电子，光的能量与光的强度的平方成正比，按此道理，红光比紫光强，它所携带的能量多，就应该打出更多、更快的电子来，可是，实验现象完全与此相反，这可把物理学家难住了。光子学说：爱因斯坦假定电磁场能量本身是量子化的，而且对于频率为 的电磁场的能量单位是h。这种一份一份的电磁辐射能，被称作“光子”。利用光子的能量关系式，光电效应就很容易解释了。光子的能量只与它的频率有
29、关，而与光的强度无关，紫外光频率高，能量大，能把电子打出来；红光频率低，能量小，它的光子的能量达不到打出电子的最低要求，所以红光强度再大也无济于事。4玻尔的量子理论一般以普朗克宣布其能量子概念的1900年12月14日作为量子物理的诞生日，拉开了量子革命的序幕。可以把量子论的发展历史划分成三个时期。旧量子论：1900年普朗克提出能量子概念，1905年爱因期坦发展而建立光量子理论，19131916年形成玻尔索末菲原子理论。1911年，著名英国物理学家卢瑟福提出了关于原子结构的行星式模型。但是，行星式原子模型存在两大困难：1 1、原子坍塌原子坍塌原子坍塌原子坍塌，电子绕核做椭圆运动，这是一种加速运，
30、电子绕核做椭圆运动，这是一种加速运，电子绕核做椭圆运动，这是一种加速运，电子绕核做椭圆运动，这是一种加速运动，按经典电动力学理论电子在运动过程中必然辐射动，按经典电动力学理论电子在运动过程中必然辐射动，按经典电动力学理论电子在运动过程中必然辐射动，按经典电动力学理论电子在运动过程中必然辐射能量，电子能量逐渐减少，轨道半径随之变小，只要能量，电子能量逐渐减少，轨道半径随之变小，只要能量，电子能量逐渐减少，轨道半径随之变小，只要能量，电子能量逐渐减少，轨道半径随之变小，只要1010-8-8秒，电子就会落到核上，发生坍塌；秒，电子就会落到核上，发生坍塌；秒，电子就会落到核上，发生坍塌；秒，电子就会落
31、到核上，发生坍塌；2 2、是在坍塌前原子连续辐射，应得、是在坍塌前原子连续辐射，应得、是在坍塌前原子连续辐射，应得、是在坍塌前原子连续辐射，应得连续的原子光谱连续的原子光谱连续的原子光谱连续的原子光谱。实际上，原子没有发生坍塌；实际上，原子没有发生坍塌；实际上，原子没有发生坍塌；实际上，原子没有发生坍塌；实验上，原子光谱是分实验上，原子光谱是分实验上，原子光谱是分实验上，原子光谱是分立的线光谱立的线光谱立的线光谱立的线光谱。卢瑟福原子结构的行星式模型卢瑟福原子结构的行星式模型按照经典电动力学，原子是不稳定的，电磁辐射谱线是连续，这些都违背客观事实。原子光谱是分立的线光谱原子光谱是分立的线光谱玻
32、尔原子理论中有三条假定：(1)定态假定：存在一系列原子定态，处在定态中的电子虽做相应的轨道运动，但不发射电磁波；(2)角动量量子化：做定态运动电子的角动量量子化了，其值只能为h2的整数倍；(3)频率假定：仅当原子中的电子从一定态跃迁到另一定态时，才能发射或吸收一个相应的光子。玻尔原子理论解决了原玻尔原子理论解决了原玻尔原子理论解决了原玻尔原子理论解决了原子的稳定性问题，以及光谱子的稳定性问题，以及光谱子的稳定性问题，以及光谱子的稳定性问题，以及光谱规律与原子结构的本质联系规律与原子结构的本质联系规律与原子结构的本质联系规律与原子结构的本质联系问题问题问题问题玻尔量子理论的缺陷在玻尔量子理论取得
33、辉煌成就的同时，遇到了越来越多的困难。困难1：玻尔量子论不能解释氦(He)原子光谱，不能解释反常塞曼效应，不能解释光谱线的亮度；困难2：玻尔量子理论带着鲜明的经典理论烙印，具有难以解脱的内在软弱性。玻尔将经典概念电子轨道引入原子中，却认为电子绕核运动不辐射能量，玻尔理论找不到不辐射能量的恰当理由；它说明了光子的起源，却无法说明光子的产生过程。5波粒二象性1924年德布罗意提出物质波假设：逻辑思维：自然界在许多方面是显著地对称的我们可以观察到的宇宙全是有光和实物组成的如果光具有波粒二重性，则实物或许也有这种二重性。物质波：物质波：光：光：德布罗意提及按照物质波假设，玻尔原子理论关于角动量的量子化
34、条件与驻波条件相等效；用驻波譬喻物质波之行状的方式带有早期用驻波譬喻物质波之行状的方式带有早期量子论的色彩，与玻尔原子理论一样是半经典量子论的色彩，与玻尔原子理论一样是半经典的；然而，用它来表明物质波概念综合描述了的；然而，用它来表明物质波概念综合描述了物质的连续性和分立性，还是相当形象化的。物质的连续性和分立性，还是相当形象化的。光的波粒二重性：光的波动性：光波有干涉、衍射等效应，光的粒子性：康普顿散射、光电效应等。爱因斯坦正因爱因斯坦正因他的光量子论能够他的光量子论能够很好地解释光电效很好地解释光电效应而获得诺贝尔奖应而获得诺贝尔奖。电子的波动性：1927年美国的戴维和革末进行电子的晶体衍
35、射实验；1928年英国的G.P.汤姆逊进行了一系列电子的晶体衍射实验。1961年，蒋森做了电子双缝衍射实验。1976年，梅尔里等人又做了电子双棱镜衍射实验。6量子力学简介一、矩阵力学与波动力学薛定谔接受物质波假设，并寻找“决定物质波的方程”；这就是著名的薛定谔方程，波动力学于1926年初建立；海森伯建立以海森伯方程为核心的矩阵力学（1925年1月）。薛定谔薛定谔薛定谔薛定谔海森伯海森伯海森伯海森伯量子力学要点罗列如下：前提物质波假设量子条件共轭力学量的不对易关系（玻恩，1925年）（例）力学量的测量特征海森伯不确定性原理（1927年）（例）形式体系矩阵力学、波动力学等力学量的数学表示算符及其矩
36、阵状态表示波函数运动方程一般采用薛定谔方程波函数的统计解释：波函数不能直接观测，那末其实际含义又如何？玻恩说：是电子（或其他粒子）出现的几率密度”。玻恩对波函数所作出的几率解释，他因此便获得了诺贝尔奖。此解释赋予微观粒子运动规律以至量子理论以统计性特色，使非决定论成为量子物理的新思想方法。原子内电子不是如玻尔原子理论所假定的那样在一些分立的轨道上作圆周运动，而是处于不同量子态的电子在原子内各处都有一定的几率分布，如图左边一些曲线所示。此几率分布形成一种对称而美观的“电子（几率）云”图象（见图）。电子双缝干涉实验图(a)中用经典粒子做双缝实验，以足球为例，足球由源点踢出，穿过双缝而落到屏S上，一
37、个足球只可能通过一条缝，结果所有通过双缝的足球只能到达屏上X和Y处。图(b)，便是光波干涉实验，屏上出现条纹是可想而知的。若以电子代替足球和光，电子如果不具有波动性，那末穿过双缝的电子只能落在X和Y处；但当缝的宽度足够小时，即一旦可与电子的德布罗意波长相比拟时，屏上出现的亦是疏密相间的干涉条纹，与前图(b)所示的结果相仿佛。如果电子从源一个一个地射出，只要在相当长时间里有足够多的电子落到屏上，照样会呈现干涉条纹。因此可以说，微观粒子的运动，可用相应之几率波描述；几率波既体现了它的粒子性，又体现了它的波动性。即粒子在空间各处有一定的几率密度分布，此分布形成波的形式；在一定实验条件下，就呈现波动性
38、质。我们认为，几率波并不只是人为的解释，它就是一种以波粒二重性为主要特征的微观物理实在，与经典意义上的物理实在有本质的区别。二、不确定性关系如果以A、B代表两个可用矩阵表示的力学量算符，二者若不对易，则有海森伯不确定性（测不准）关系：该关系反映微观测量的限度；即表明一对不对易的共轭力学量在测量时不能同时确定，其不确定程度由普朗克常数给定。相反，在经典力学中，表示任何力学量都是彼此对易的，都能同时确定。例如动量p 和坐标q 是一对不对易共轭力学量，对于宏观粒子，其位置和动量可同时确定，即可同时测准；而对于微观粒子，位置和动量的不确定程度彼此相互制约。时间时间t 和能量和能量E 也是一对共轭量，也
39、是一对共轭量，测量时情况测量时情况亦然。亦然。三、狄拉克创立相对论量子力学正常塞曼效应：远在1896年，荷兰物理学家塞曼发现了原子光谱线在磁场作用下发生展宽现象，同时他在实验中观察到了光谱线分裂成二重线和三重线，后来人们称之为正常塞曼效应。正常塞曼效应用洛伦兹的经典电子论可以作出解释。反常塞曼效应：塞曼在1896年的后来实验中还观察到光谱线的四重线和六重线。光谱线在磁场中的多重分裂现象称为反常塞曼效应。反常塞曼效应长期得不到正确解释。泡利不相容原理1925年1月，物理学家泡利提出了不相容原理：即一切由自旋等于半整数的粒子费米子组成的系统中，不能有两个或两个以上的粒子处于完全相同的状态。这一原理
40、解释了原子的电子壳层结构和元素周期律，推动了电子自旋概念的确立。当年10月，美国物理学家乌伦贝克和古德斯密特在德国自然杂志上发表文章，明确地引入了电子自旋的概念。1928年年1月和月和2月，月，狄拉克狄拉克提出了描写电子运动并且满足提出了描写电子运动并且满足相对论不变性的波动方程相对论不变性的波动方程，将，将相对论、量子和自旋这些在从相对论、量子和自旋这些在从前看来似乎无关的概念和谐地前看来似乎无关的概念和谐地综合起来，完成了相对论量子综合起来，完成了相对论量子力学的创立工作。力学的创立工作。狄拉克狄拉克相对论量子力学与正电子预言如何使量子力学与相对论相结合？思路很简单，只要使其波动方程满足体
41、现相对性原理的洛伦兹变换不变性，并以相对论动力学的结论作为思考的出发点。相对论动力学中的能量与动量关系式：相应地出现正、负能态的波函数解。相应地出现正、负能态的波函数解。人们往往会人们往往会将负能根以至负能态解舍去将负能根以至负能态解舍去；狄拉克却非同寻常，；狄拉克却非同寻常，他果敢地将正、负能态解同样接纳、等量齐观。他果敢地将正、负能态解同样接纳、等量齐观。对于负能态解如何理解呢？狄拉克以“近乎疯狂的想象力”设想：电子有正能级、还有负能级，分别对应于方程的彼此对称的正、负能态解；而且在无限多负能级上已占满了电子，形成为一片深不见底的“电子海”。正电子预言：一旦电子海受到电磁辐射的激发，负能级
42、电子获取能量便跃迁到正能级上，相应地负能级上出现空穴。狄拉克把这空穴解释成具有正能量的“正电子”，并认定它乃是电子的电荷共轭粒子，除电荷与电子电荷反号外，其质量、自旋等俱与电子相同。这就是狄拉克由其相对论量子力学所作出的正电子预言。正电子预言被证实：正电子作为电子的反粒子，于1932年由安德森从宇宙线射入的云室中探测到（图为探测到的正负电子对的照片）。正电子被证实确认了反粒子概念：“电子海”图象拓展为囊括各种粒子的“粒子海”图象，任何粒子都有反粒子，那末，所谓的“真空”可真是有极为丰富的物质蕴藏；这“粒子海”可作为前述量子真空概念的一种形象化描绘，藉以可深化对真空本质的探讨。正电子预言的证实揭
43、开了客观世界物质性的另外一半涵义，反物质探索便成为一个活跃的研究领域崇尚数学形式的对称性，确实是狄拉克的美学风格；他断定，美的东西总是真的。从真空中正负电子对产生实际为光子变成电子的转化过程：正能级上的电子掉入负能级上的空穴，便有电磁辐射放出，此即电子对湮灭、转化成光子的过程：从正电子预言起始，正、反粒子对的产生和湮灭，成为粒子物理的中心概念之一。可以认为，这正是相对论与量子理论相结合的重要产物；二者尽管有不同的概念基础，但就形式体系的内部结构而言还是逻辑相洽的。狄拉克方法（量子论与相对论的结合）：连续性场的量子化：狄拉克使电磁场量子化，连同量子化的电子场一起构成量子电动力学体系。相对论的一些
44、结论作为发展量子理论的基本原则：因为相对性原理等极大地提高了量子理论形式体系的对称性。狄拉克在使量子论与相对论的有效结合方面建立了不朽的功勋。7光的微粒说与波动说的争论一、光的波动说法国哲学家、物理学家笛卡儿提出光是某种类似压力的东西，它从发光物体通过稀薄的媒质传向四面八方。他的这种思想，为关于光的波动说的创立奠定了基础。意大利的格里马第对一细束日光照射下的小物体进行观察，发现光并不严格走直线，因为小物体的阴影比假定光走直线预计的影子要宽一些，而且阴影的边缘外侧出现平行的色带。他还从光连续通过两个小圆孔后在屏上的影子，也发现类似现象，屏上的亮盘也比假定光走直线画出的直径要大。在这些观察的基础上
45、，他提出了光是一种能够作波浪状运动的精细流体。英国物理学家胡克在1665年出版的显微术一书中，主张光是一种振动。他写道：“在一种媒质中，这一运动在各个方面都以相等的速度传播。所以发光体的每一个脉动或振动都必将形成一个球面，这个球面将不断增大，就如同把一石块投入水中后在水面引起越来越大的环状波一样。由此可见，在均匀媒质中扰动起来的这些球面的一切部分都与射线成直角。”荷兰物理学家惠更斯是光的波动说的莫基人。提出了著名的“惠更斯原理”：二、光的微粒说：牛顿是微粒说的代表。三、光的波动说的复兴19世纪，由于英国物理学家托马斯杨和法国物理学家菲涅尔等人的工作，光的波动说又得以复兴。解释了托马斯杨两孔干涉
46、、牛顿环、细丝衍射、圆孔衍射、圆板衍射等现象。赫兹于18861888年，以实验证实了电磁波的存在，光是电磁波的一种形式，证明电磁波确实同光一样，能够产生反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象。光的波动说进入全盛时期，光的微粒说走向了衰败。四、光量子说爱因斯坦用“光量子”成功地解释了光电效应，恢复了光的粒子性。但是，光量子假说，并不是简单地回到牛顿的微粒说，也不是对波动说的全盘否定。1909年，爱因斯坦说：“不可否认的是，有关黑体辐射的实验说明，光所具有的一些基本性质从牛顿的微粒说去理解要比从波动说去理解容会的多。因此我认为，在理论物理发展的下一阶段，将会出现一种关于光的理论，根据这种理论，光可以被
47、看作是波动说和微粒说的融合，我们关于光的本性和光的结构的看法将有一个深刻的改变将是不可避免的了。”对于光的认识，不能把粒子性和波动性看成是此孤立的、互不相容的，应该全面地、辩证地认识光的本性。这也是关于光的本性争论历史所给予我们的启示。8 玻尔与爱因斯坦的争论玻尔与爱因斯坦的争论一、量子力学的“正统”解释哥本哈根学派：玻尔是举世瞩目的丹麦“玻尔理论物理研究所”的筹建者、领导人和一系列国际一流研究工作的组织者、鼓动人，他除其科学成就卓著昭彰外，更在指引、凝聚一代量子物理学家群体共同发展量子理论、探讨其物理诠释和哲学含义方面，表现出惊人的魅力和天才，从而以他为首形成科学史上具有十分突出的科学贡献、
48、非常深奥的思想意蕴的有名学派哥本哈根学派；这可算得是现代物理的一项特别成果。量子力学的“正统”解释的要点(1)可观察量是建立理论的基础和依据人们无法直接观察到原子、电子、光子的行为，而只能在人工安排的特殊条件下对微观客体的行为和特性作出实验观测，从而得出各种观测结果之间关系的规律。但是在人们用特意安排的实验仪器观察微观客体时，就不可避免地要产生干扰，因而可观察量表现出的正是实验环境中的客体的行为和性质。这使量子现象具有主体与客体的不可分性，人们观察到的并不是微观客体本身的行为，而是从宏观仪器上呈现出来的实验观测结果推断出来的结论。这在逻辑上就无法排除人们的主观成分，因此在量子理论中，既包含着客
49、观要素，也包含着主观要素。(2)量子跃迁是量子力学的最基本概念它赋予微观客体过程一个实质性的不连续性，这种不连续性构成了人们对微观客体认识的极限。在量子力学中，人们无法同时准确地知道一个微观粒子的位置和动量，遵循“不确定关系”。可以证明对于物理学中的其他“共轭”变量，例如能量与时间，也同样遵循“不确定关系”。同时精确地测定一对共轭正则变量是不可能的，因为原则上所能达到的精确度受到了作用量子的限制。(3)描述微观客体的波函数是一种几率波，粒子出现的几率由波幅的平方所决定。由此，在微观领域里，力学的因果律和决定论都遭到了破坏。根据量子力学理论，在同样的实验条件下，可以发生各种不能预期的个体量子过程
50、，因而观测的结果也可能是各种各样的。每次测量都会由于观测仪器与微观客体之间不可控制的相互作用而引进新的初始条件，使通常意义下的因果链被打断。所以在量子力学中，人们必须放弃力学意义上的因果律和决定论，而把几率性看成是本质的。(4)从实验中所观测到的微观现象，只能用通常的经典语言作出描述。微观客体的“波粒二象性”，即它的波动性和粒子性，正是用经典语言描述微观客体的结果。这两种图像既互相排斥，又必须同时用于对微观客体的统一性质的描述，所以它们又是互补的。这种互补的概念适用于整个物理学，甚至超越了物理学界而成为有普遍意义的一个哲学原理。二、爱因斯坦的观点哥本哈根学派的观点，引起了爱因斯坦、薛定谔、德布
51、罗意等一些著名的物理学家的质疑，其中以爱因斯坦的观点最具代表性。爱因斯坦的观点：1、坚持完全的因果性，对统计因果律持有异议；2、对观察到的是“物理实在”，而非“客观实在”的观点持有异议，他曾说过一句充分表达内心信念的名言：“你相信掷骰子的上帝，我却相信客观存在的世界中的完备定律和秩序。”三、论战的爆发1926年9月，薛定谔应玻尔的邀请，到哥本哈根介绍他的波动力学。在结束时，薛定谔提出应该放弃量子跃迁的概念，而代之以三维空间的波来描述微观客体的行为。玻尔与薛定谔争论着。他们的争论可以看作是爱因斯坦与玻尔争论的序幕。1927年9月，在意大利科摩召开了一次纪念意大利科学家伏打逝世一百周年的会议上，玻
52、尔第一次公开了他提出的互补原理。这使到会的科学家们感到震惊。薛定谔和劳厄并不赞成玻尔的观点，尤其是不同意把物理学建立在不确定关系或其他不确定的统计解释上。1927年年10月在布鲁塞尔召开了月在布鲁塞尔召开了第五次索尔维会议第五次索尔维会议玻恩和海森伯作了关于矩阵力学的报告，他们在报告的最后提出：“我们主张量子力学是一种完备的理论，它的基本物理假说和数学假说是不能进一步被修改的。”这番话无疑是向不同意见提出了挑战。会议主席洛伦兹也提出疑义。洛伦兹请玻尔阐述他的互补原理，玻尔发言重复了他在科摩会议上的观点，但是，爱因斯坦一直没有发言，直到玻恩直接问到爱因斯坦的意见，他才起来发言。爱因斯坦表示赞同量
53、子力学的系综几率解释，而不赞成把量子力学看成是单个过程的完备理论的观点。在当时大多数人都赞成量子力学几率解释的情况下，爱因斯坦的发言掀起了波浪从而引发了他和玻尔之间就量子力学诠释问题的公开争论。争论举例1、“单缝衍射”的理想实验：玻尔指出不能避免在测量时仪器对电子不可控制的相互作用，即电子与狭缝边缘的相互作用。2、“双狭缝干涉实验”。可测出电子的准确径迹，显示出电子的粒子性。从而克服了单缝实验时测不准的困难。对此，玻尔经过仔细地思考反驳说，如果我们关闭狭缝M或N中的任何一个，实验状态就完全改变了。这样，玻尔就把爱因斯坦用来反驳互补原理的理想实验，反而变成了用互补原理来说明波粒二象性的例子。四、
54、争论的高潮在1930年10月召开的第六届索尔维会议上，爱因斯坦又提出了一个“光子箱”理想实验:在t里，让一个光子飞出；t可通过计时装置精确测定；飞出光子而引起的整个箱子的质量改变m也可精确地测定，并由E=mc2计算出箱内的能量变化E。这样，t和E就可同时测定，不确定关系不再成立。爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦“ “光子箱光子箱光子箱光子箱” ”玻尔的回答采用了爱因斯坦玻尔的回答采用了爱因斯坦玻尔的回答采用了爱因斯坦玻尔的回答采用了爱因斯坦自己创立的广义相对论自己创立的广义相对论自己创立的广义相对论自己创立的广义相对论，使得爱，使得爱，使得爱，使得爱因斯坦不能不承认玻尔的结论是因斯坦不能不承认
55、玻尔的结论是因斯坦不能不承认玻尔的结论是因斯坦不能不承认玻尔的结论是无可指责的。爱因斯坦精心设计无可指责的。爱因斯坦精心设计无可指责的。爱因斯坦精心设计无可指责的。爱因斯坦精心设计的的的的“ “光子箱光子箱光子箱光子箱” ”理想实验非但没有理想实验非但没有理想实验非但没有理想实验非但没有难倒玻尔，反而成了不确定原理难倒玻尔，反而成了不确定原理难倒玻尔，反而成了不确定原理难倒玻尔，反而成了不确定原理的一个绝好例证。爱因斯坦企图的一个绝好例证。爱因斯坦企图的一个绝好例证。爱因斯坦企图的一个绝好例证。爱因斯坦企图推翻不确定关系的尝试再一次失推翻不确定关系的尝试再一次失推翻不确定关系的尝试再一次失推翻
56、不确定关系的尝试再一次失败。败。败。败。EPR佯谬：第六届索尔维会议之后，爱因斯坦承认了海森伯的不确定原理和量子力学理论在逻辑上的自洽性，但是他仍然坚持认为量子力学是不完备的。1935年5月，爱因斯坦和美国物理学家波多尔斯基、罗森合作发表的能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗?一文对量子力学理论的完备性提出了有力的反驳，这就是著名的以三位作者的姓的第一个字母简称的“EPR佯谬”。EPR认为判断一种物理学理论成功与否的两个判据1、“完备”理论的必要条件：物理实在的每一要素在理论中都必须具有对应的部分；2、“实在”要素的充分条件：不干扰这个体系而能够对它作出确定的预测。EPR认为在量子力学中，
57、由于不确定关系的结果，对于这一对共轭的物理量在下述两个判断中只能选择一个：或者认为量子态对于实在的描述是不完备的；或者对应于这两个不能对易的算符的物理量不能同时具有物理的实在性。EPR设想了一个理想实验，设想了一个对物理体系不进行任何干扰的测量方法。总之，爱因斯坦等人通过他们所提出的理想实验的讨论而得到结论：量子力学的波函数只能描述多粒子组成的体系(系综)的性质，而不能准确地描述单个体系(如粒子)的某些性质；但是一个完备性的理论应当能描述物理实在(包括单个体系)的每个要素的性质，所以不能认为量子力学理论描述是完备的。玻尔对EPR的批评立即作出回答，他认为不可能以毫不含糊的方式来确定EPR所指的
58、那些物理量，因为物理量本来就同测量条件和方法紧密联系着，确定物理量的这些条件使EPR所作的关于“实在”的定义在本质上含糊不清了。玻尔认为任何量子力学测量结果的报道给我们的不是关于客体的状态，而是关于这个客体浸没在其中的整个实验场合。这个整体性特点就保证了量子力学描述的完备性。五、没有结尾的尾声由于二战，爱因斯坦与玻尔之间的论战平息了一个时期。直到40年代，他们才有机会再次重申各自的观点。1948年，爱因斯坦对EPR佯谬又做了一次深入的讨论。1949年，玻尔在纪念爱因斯坦70寿辰的文集爱因斯坦：哲学家科学家一书中发表了就原子物理学的认识论问题和爱因斯坦进行的商榷的长篇论文，全面系统地阐述了自己的
59、观点，总结了他和爱因斯坦的论战。爱因斯坦在于同一年写的对批评的回答一文中，针对玻尔的文章作了回答，批评了哥本哈根学派的实证主义倾向。爱因斯坦与玻尔之间持续了多年的争论，使得量子力学的意义不断地得到澄清，一次次争论也就是一步步地揭示了量子力学的本质含义。可以说，这场争论也是量子力学理论发展的一个组成部分。在深层次上，这场争论是两位物理学大师的哲学思想的交锋。这里的一个中心论题就是科学规律本质上应是因果性的，抑或可以是概率性的?还特别应提到的是，争论并没使这两位伟大的科学家之间产生什么不愉快。他们相互尊重，保持了友谊，为后人树立了榜样。像爱因斯坦和玻尔之间的这场论战，是不能以简单的胜负判决作结论的
60、。正如当代物理学家惠勒所说：“我确实不知道哪里还会再出现两个更伟大的人物，在更高的合作水平上，针对一个更深刻的论题，进行一场为时更长的对话。我向往有一天，诗人、剧作家、雕塑家将会表现这一题材。”玻尔互补原理玻尔，哥本哈根学派（简称哥派）的首领，在对于量子理论的物理诠释方面取得圆满的成就，其非凡的互补原理影响深远，成为哥派以至当今大部分物理学家信奉的思想原则，甚至扩展成所谓的互补哲学，受到各界人士的青睐。玻尔以中国的阴阳太极图(见图)作为哥派的族徽，以标示这貌似简单、实为诡秘的互补原理。互补原理：微观物质体系的波动性和粒子性并非同时出现，即“不论注意对现象描述的连续性一面或不连续一面，我们总会丢
61、掉一方面”；就是说，二者是互斥的，得此而失彼。例如：不确定性原理，表明任何一对共轭量（可观测力学量）测量时的准确程度，亦有得此失彼、互相排斥的情况。玻尔认为要改变此局面，可加以互补性说明：两个互斥的方面又是互相补充的，必须同时兼顾，二者共同构成对同一客体的完备描述。这就是互补原理。玻尔对互补性的解释：经典理论以可观测物理量的时空微分方程（例如牛顿运动方程）为核心，表示宏观体系服从严格的因果律，所以它们是时空模型理论。量子力学的薛定谔方程乃波函数的时空微分方程，但代表量子态的波函数并非可观测量（可在时空中直接呈现），该方程不是客体本身在时空中运动的因果律。所以玻尔把互补性解释为：客体运动服从严格
62、的因果律与凭依时空描绘客体的一切现象这两项经典要求不可能同时满足。 就波粒二重性而论，它并不真的表明微观客体本来有此二重性质，其实是既非经典的粒子，又非经典的波；这两种形态只是微观客体运动在不同的实验安排下呈现于宏观仪器上的不同图象，人们不得不以经典概念粒子性和波动性，才对其作出互为补充的全面描述。 玻尔说：“观测能用经典物理的概念描绘，观测能用经典物理的概念描绘，这几乎是实验的本质这几乎是实验的本质”；然而；然而“这就是量子理这就是量子理论的整个佯谬论的整个佯谬”。因为一方面，必须建立起不。因为一方面，必须建立起不同同于于经典物理定律的量子物理定律；另一方面，每当观测，便不得不毫无保留地使用
63、原来的经典概念。正是这个佯谬，促使玻尔提出互补原理。互补原理常常有为下面不同表述：两种物理图象(粒子图象和波动图象)互斥互补；两类可观测力学量（比如彼此共轭的位置和动量、时间和能量等）的经典概念也互斥互补，且两类力学量的测量准确度之间有得此失彼的不确定性关系。“两大类不同的实验场合（或称观测方式）也互斥互补”。玻尔强调，表观上互斥之两个方面的物理图象、经典概念、实验场合“综合起来，才揭示一切关于原子客体的明确知识”。可见，互补原理给出了上述佯谬的一种自圆其说的妥贴解释。玻尔认为，在某种意义上说，量子力学的形式体系正就是对此佯谬、即对借用经典物理概念描述在一定的实验安排下所得之观测结果的统计征状
64、的理解；而互补原理阐明了这种理解。因此，互补原理是量子力学的重要内容；尽管它只是一种解释，不能用数学公式表示。并且，玻尔还认为，互补原理是对经典物理关于物质运动最基本的规则因果原理的“一个合理的推广”：涉及因果定律，又补充以原子（和亚原子）现象观测上的不确定性。我们以为，这种推广是认定观测概念的自然结果。互补性解释还是一种可以推广的观念，玻尔把它用于许多场合，超出物理学领域、超出自然科学领域；凡两难的局面，把两种不同的甚至对立的概念用来描述同一对象的两个侧面，并使二者相互补充，共同构成关于所考察对象的完整说明。所以，玻尔的互补原理便扩展成为一种观念上与传统哲学思想甚有差别的互补哲学。爱因斯坦不
65、很赞赏互补原理，他崇尚统一、而非补充，爱氏把互补哲学看成为一种绥靖哲学，就此对哥派提出质疑。玻尔当然不认为自己给出的是一种绥靖哲学式的解释，他说明实验上的“一切困难，都可以通过互补原理来消除掉”；同时认真地考虑爱氏批评的意义，由此深入地论证了互补原理确实是一条普遍有效的哲学原理。经过双方反复的论争，爱因斯坦承认互补原理提供了“一条漂亮的捷径”。哥派的观念，主要包括不确定性原理、几率解释、互补原理等，最终成为量子力学的正统解释。9 薛定谔猫佯谬薛定谔猫佯谬薛定谔于1935年设计了“杀猫实验”。把一头猫和一只盛有极毒的氢氰酸的小瓶置于密闭的钢箱里；另有一盖革计数器内放了少许放射性物质，其量甚少，以
66、致在一个小时里可能只有一个原子衰变，也可能不发生衰变。体系的总体体系的总体波函数代表猫波函数代表猫既活又死的混既活又死的混合状态。这以合状态。这以常识而论是荒常识而论是荒谬的，猫似当谬的，猫似当非死即活非死即活。薛定谔以其“杀猫”的理想实验提出质疑：量子力学并不能预言猫的死和活。哥本哈根学派以为：把箱盖打开观看，即可知猫是死是活。薛定谔以为：猫在开箱之前死活已定，确实与观测者打开箱盖观看这个步骤无关。因为猫是宏观物体，所处之死活状态是确定的非死即活、非活即死，故不必以活态和死态之混合作为它的总体状态。然而，薛定谔似乎混淆了宏观与微观的界限，他以宏观物体的情况抨击描述微观体系的量子力学的非决定论
67、特征；诚然，他只是以猫作为譬喻罢了。可是，爱因斯坦肯定此譬喻巧妙地反驳了哥派的观点，证明了诸如包含活猫部分和死猫部分那样的波函数“不是物理实在的完备描述”，甚或“并不表示实在的状态，而只是表示我们关于状态知识的容量”；他还指责玻尔关于“凡意欲探究某种与观测无关而独立存在着的东西，即想问猫在对它观察之前的某一特定时刻到底是否活着，都不科学”之说法，认为玻尔是在散布“温和的迷雾”。其实，“杀猫实验”未必驳倒了哥派的观点，但“猫佯谬”的生动性引起人们对观察、测量问题的广泛兴趣。90年代有人以某种原子（或离子）作为“量子猫”，按薛定谔的设计方案进行“杀猫”实验，已可望这微观尺度的“量子猫”的确处于不同
68、定态的混合态，并通过某实验操作使其按一定的几率跃迁到其中某一定态。此类实验中，观测成为“死态”、“活态”同时兼蓄的“量子猫”得以“死绝”或“全活”的关键；而“量子猫”的统计特征毕露无遗。爱因斯坦确认能量子为“一种直接的实在”、并将其当成独立于知觉主体之外的微观客体的基本属性，至于从实验仪器观测原子（和亚原子）现象，只是取得对于客体的间接经验；经验与实在是两码事。玻尔把对物理实在的定义作了根本性修改，他的实在即为经验实在，乃以量子概念为修改之基本依据；他强调作用量子的存在，是着眼于引起仪器和客体之间不可消除的有限相互作用，故而将实验观测呈现的原子（和亚原子）现象就认作知觉主体的直接经验，亦即具备
69、固有统计性质的微观物理实在，此实在起始于观测，并不独立于主体之外。所以说，爱因斯坦等人与哥派的对立，可归结于对物理实在的不同哲学见解；爱因斯坦等人追求物理理论的决定论性时空模型，认为量子力学对于微观客体而言是非完备的理论，哥派则认为量子力学已提供微观物理实在以完备的描述。爱氏就不满足于哥派对量子概念涵义的阐解；以为自己思考了五十年，依然未弄明白光量子究为何物、量子跃迁的机制究竟如何；更会觉得若以量子概念作为理论的主要概念基础，便有违于他的场论研究纲领。（四）相对论的创立（四）相对论的创立一“以太漂移”实验和相对论的先驱1.“以太”:该词原于希腊,意思为高空.1664年笛卡尔首先把它用于科学;胡
70、克、惠更斯等人都假设“以太”存在，并用以解释光学现象；19世纪，科学家们把它当做光、电、磁现象的传播媒介而上升为物理学的中心研究课题，其代表人物为开尔文，该学派认为，“以太”是一种有弹性、可压缩的无引力、静止的固体。牛顿、麦克斯韦都借助于“以太”来完成他们的理论体系。2“以太”遇到的困难：其一，既然“以太”是弹性固体，那么，行星沉浸在“以太”中进行运动总会受到阻滞作用，但是天文观测却从没有察觉出天体受到这种阻滞作用。其二，既然静止的“以太”充满了宇宙空间，那么，处于“以太”海洋中的地球要以每秒30公里的速度绕太阳运行，势必受到“以太”的阻力，地球上的人就应该感到有每秒30公里的“以太风”迎面吹
71、来。相对论就诞生于对“以太”遇到的困难的克服之中。3寻找“以太”：18761887年，美国实验物理学家迈克尔逊（18521931）在美国化学家、物理学家莫雷的协助下，作了搜索“以太风”的实验迈克尔逊-莫雷实验。该实验的精确度高达40亿分之一，观察了5年，丝毫没有“以太漂移”迹象。4“以太”的命运：假如放弃“以太”说,又难以解释麦克斯韦的电磁波理论;假如承认“以太”说,又找不到证据.对此科学家们采取了两种不同的态度：一派仍维护“以太”假说，但要找一个办法能使其自圆其说，两全其美；另一派则抛弃“以太”说，另辟蹊径。但两派的工作结果实际上趋于一至。维护“以太”说的科学家有荷兰物理学家洛伦兹（1853
72、1928）及爱尔兰物理家家斐兹杰惹（18511901）等人。主张抛弃“以太”说的科学家有彭加勒（18541921）和爱因斯坦。二狭义相对论（新时空观）的创立两个基本假设：第一个假设是相对性原理，即物体运动状态的改变与选择任何一个参照系无关；第二个假设是光速不变原理，即对任何一个参照系而言，光速都是相同的。爱因斯坦从两个基本假设及“同时性”的相对性出发，得出了新的结论狭义相对论。狭义相对论第一，一个物体相对于观察者是静止的时候，它的长度测量值最大；如果相对于观察者以速度v运动时，那么沿相对运动方向上，它的长度要缩短，速度越快，缩短越大，即运动着的尺子要缩短，其长度收缩公式为：第二，时钟对于观察者
73、静止时，走得快，如果它相对于观察者以速度v运动时，那么它就变慢了，即运动着的时钟要变慢，其时钟变慢公式为：狭义相对论的相关内容（1）宇宙没有标准钟和标准尺，时间、空间都与运动状态有关，随着物质运动速度的变化而改变。（2）在任何惯性系中，物体的运动速度都不能超过光速。（3）如果物体的运动速度比光速小很多（ ）相对论变成了牛顿力学，即牛顿力学作为一个特例包括于相对论之中，也就是说相对论力学比牛顿力学更具有普遍意义。 （4）物体的质量是它所含能量的量度，即：上述公式说明：利用很少的物质就能产生巨大的能量。这一公式奠定了原子能的理论基础。狭义相对论的重大意义：第一，它从根本上抛弃了经典力学中牛顿的绝对
74、时空观，牛顿把时空与物质运动割裂开来，认为空间“是与外界任何事物无关”的“绝对空间”，时间是“与任何其他外界事物无关”的“均匀的”、“流逝着”的绝对时间。爱因斯坦认为时间、空间不仅与物质不可分割，而且随物质运动状态而改变，为辩证唯物主义关于时间、空间是物质的存在方式的原理提供了坚实的自然科学的证明。第二，它否定了“以太”的存在。第三，它揭示了时间、空间不可分割性，证明了时空存在着内在的、本质的联系。爱因斯坦的遗嘱:后事不发讣告,不建坟墓,不立纪念碑,免除花卉布置和音乐典礼,把骨灰洒在不为人知的地方.火葬仪式上,他的遗嘱执行人,宣读了德国诗人歌德为他的亡友席勒写的一首诗,以表对他的评价和怀念.这
75、首诗是:“我们都获益不浅，全世界都感谢他的教诲；那属于他个人的东西，早已传遍广大人群，他像行将陨灭的慧星，光华四射，把无限的光芒同他的光芒永相结合。”三广义相对论的创立广义相对论的实质：一种引力理论广义相对论的主要思想：第一，现实的物质空间不是平直的欧几里德空间，而是弯曲的黎曼空间第二，它的弯曲度取决于物质在空间的分布情况物质密度大的地方，引力场的强度也大，空间弯曲得也厉害，时间也要相应地变慢。广义相对论的意义：它进一步否定了牛顿的绝对时空观，再一次证明时空的相对性、可变性，即时空不仅随物质运动状态的改变而改变，而且与物质分布的密度，即引力场强度密切相关。为辩证唯物主义的时空是物质的存在方式的
76、原理提供了雄辩的证明。 （五）（五） 激光激光基于受激发射放大而产生的一种相干光辐射。能够发射出激光的实际技术装置，称之为激光器。1发展简史早在1917年，爱因斯坦为解释黑体辐射定律，首先提出了关于光的发射与吸收可经由受激吸收、受激辐射与自发辐射三种基本过程的假设。直到40年代末和50年代初，才首次注意到利用物质体系特定能级间的粒子数分布反转和相应的受激辐射过程，来对入射的微波电磁辐射信号进行相干放大的可能。在此设想的推动下，美苏两国科学家小组分别独立地在1954年前后，研制成功第一批微波激射器装置。1960年美国首次研制成功第一台激光器红宝石激光器。以后不久，人们又相继成功地研制出一系列其他
77、种类的激光器。1、原子与光子的相互作用、原子与光子的相互作用(1)受激吸收受激吸收：能级：能级E1的原子吸收一个的原子吸收一个h的光子而跃迁到能级的光子而跃迁到能级E2。hE2E1E1E22产生激光的基本原理(2)受激辐射受激辐射：能级：能级E2的原子在的原子在h光子作光子作用下放出用下放出h的光子而跃迁的光子而跃迁到能级到能级E1。hE2E1hhE1E2(3)自发辐射自发辐射：在不受外来激发的情况下，：在不受外来激发的情况下，能级能级E2的原子自发地放出的原子自发地放出一个能量为一个能量为h的光子而跃的光子而跃迁到能级迁到能级E1。跃迁能级和辐射频率之间满足玻尔频率条件：跃迁能级和辐射频率之
78、间满足玻尔频率条件：E2E1hE2E1h=E2-E12、激光产生条件、激光产生条件在平衡时，在平衡时，原子在能级上的分布是麦克斯韦原子在能级上的分布是麦克斯韦- -玻玻耳兹曼分布。耳兹曼分布。 若若g1=g2，有：有：N2/N1=e-(E2-E1)/kT可以看出，可以看出，温度不太高时，绝大部分原子都处在基态，温度不太高时，绝大部分原子都处在基态，且且N2N1。即：即：激发态原子数激发态原子数受激辐射受激辐射宏观上结果呈净吸收光宏观上结果呈净吸收光若能实现使激发态的原子数多于基态的若能实现使激发态的原子数多于基态的原子数，即：原子数，即：N2N1，则此时原子体系所则此时原子体系所处的状态不是统
79、计平衡态，处的状态不是统计平衡态，这时的绝对温度这时的绝对温度是负的，即：是负的，即：TN1情形称为情形称为粒子数反转粒子数反转或或反转分布。反转分布。此时此时受激吸收受激吸收受激辐射受激辐射宏观上结果呈净辐射光宏观上结果呈净辐射光所以少量入射光能激发出大量的光辐射，表所以少量入射光能激发出大量的光辐射，表现为光放大，这种现为光放大，这种受激辐射光的放大简称激受激辐射光的放大简称激光光(LASERLightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的缩写的缩写)。E1E2基态基态激发态激发态HeE1E3基态基态亚稳态亚稳态NeE2光泵光泵非稳态非稳
80、态碰撞交换碰撞交换(共振共振)h例：例：He-Ne激光器原理示意图激光器原理示意图E1E2基态基态激发态激发态HeE1E3基态基态亚稳态亚稳态NeE2光泵光泵自发辐射自发辐射632.8nm慢慢快快非稳态非稳态碰撞交换碰撞交换(共振共振)h例：例：He-Ne激光器原理示意图激光器原理示意图球面反射镜球面反射镜(100%反射反射)球面反射镜球面反射镜(98%反射反射)阳极阳极阴极阴极放电管放电管布儒斯特窗布儒斯特窗布儒斯特窗布儒斯特窗He-Ne激光器结构示意图激光器结构示意图3激光的特点1、高定向性：（一般为10-510-8球面度）向前传输。2、高单色性单色性的表征量/可高达10101013数量级
81、；较好的单色光源的单色性量值只有106数量级左右。3、高亮度例如光源太阳，其发光亮度值大约为L103瓦/(厘米2.球面度)数量级左右；而目前大功率激光器的输出亮度,可高达L10101017瓦/（厘米2.球面度）数量级左右。对太阳而言,可见光(5000埃左右)附近的单色亮度值L10-12瓦（厘米2.球面度.赫）量级左右；目前大功率激光器输出亮度值可高达L104107瓦/（厘米2.球面度.赫）量级左右。4、高光子简并度每个量子状态内的平均光子数，定义为光子简并度，它表示有多少个性质全同的光子（它们具有相同的能量、动量和偏振）共处于一个量子状态之内。太阳：在可见光谱区的光子简并度大约为10-310-
82、2数量级左右；人造光源：光子简并度数值也远小于1。激光器：由于光学共振腔对激光振荡模式有较强的限制作用，从而可使输出激光辐射的光子简并度达到较高的数值；例如对于大功率激光器而言，输出光子简并度可高达10141017数量级。5、高相干性空间相干性：由其高定向性所决定；时间相干性：由其高定向性和高单色性所决定。4激光的应用一、工业上的应用目前比较成熟的应用有激光打孔、激光焊接、激光切割、激光划片、激光表面处理和激光印刷、激光信息存储等。图图6-3-2激光全息测量装置激光全息测量装置在化学工业中，利用激光的高亮度、高单色性和可调谐等特点，可以对特定的化学反应进行控制，从而实现光学催化、光学聚合、光学
83、合成、光学提纯和光学分离等过程。目前，利用激光分离同位素的研究工作已经取得了很大的进展。利用激光合成各种特殊的化学物质，在技术上也取得不少的成功。在大型装备和建筑施工中，激光准直与定向技术有广泛而富有成效的应用。例如，利用氦氖激光器制成的激光指向仪、激光铅直仪、激光水准仪和激光经纬仪等，在大型船舶制造、大型建筑和筑路施工、管道和电缆铺设以及隧道开凿和矿井掘进等工程中，应用效果都很好。二、农业、生物学和医学上的应用农业：可选择和培育优良品种；可研究植物各种基本过程以及光合作用的基本机理；研究病虫害的发生发展规律及防治方法，各种农副产品的保管方法。医学：激光临床治疗包括辐照、烧灼、汽化、焊接、光刀
84、切割以及光针针灸等；激光作为研究人或动物体上的各种生物学效应；利用激光来研究细胞的组成、分裂、生长和转化等，从而可加深人们对新陈代谢、遗传和发育等生命基本过程的理解。此外，借助于激光技术还可以制成各种新型诊断和测量分析仪器，如激光显微光谱分析仪、激光扫描显微镜、激光显微解剖刀、激光血球计数仪等装置，可在医学和生物学研究中发挥出特殊的效用。图图图图6-3-3YAG6-3-3YAG激光手术器激光手术器激光手术器激光手术器激光与文化界激光焰火晚会；激光舞台；激光光盘（CD、VCD、DVD）；激光电视、电影；激光在战争中激光雷达；激光制导；超强激光武器：用于拦截飞机和洲际导弹甚至破坏军用卫星的超强激光
85、武器；三、激光通信激光是一种光频波段的相干电磁波辐射，因此自然可以利用激光作为光频电磁载波而传递各种信息。激光通信的原理与普通的无线电通信相类似；所不同的是，无线电通信是把声音、图像或其他信号调制到无线电载波上发送出去，而激光通信则是把声音、图像或其他信息调制到激光载波上发送出去。激光通信的优点主要是：传送信息容量大、通信距离远、保密性高以及抗干扰性强。激光通信可分为地面大气通信、宇宙空间通信和光学纤维通信等几大类。60年代美国完成了世界上最好的高速公路网1993年美国决定开展“国家信息基础结构计划”，也就是建造美国信息高速公路网；我国也已经开始信息高速公路网的建设，作为第一步，首先建设“三金
86、工程”。“金桥工程”全国金融系统的网络；“金关工程”全国海关网络；“金卡工程”全国信用卡网络。1、信息高速公路：实际上包括：计算机控制系统、卫星传输系统、光纤传输系统、多媒体图象通讯系统和数字通讯系统等。计算机控制系统是信息高速公路的管理系统，就像公路上的交通警察；卫星传输系统和光纤传输系统则是信息高速公路的骨干，就像公路的路面；多媒体图象通讯系统和数字通讯系统则是讯号的发送系统，就像公路上的各种车辆。电子信箱、传真通信、移动电话、宽带可视电话、宽带会议电视。2、光纤网络传输1966年，英籍华人高锟提出可以用光纤作为通信的传输线，但是当时制作的光纤损耗高达1000dB/km，实际上还无法付诸实
87、用。1980年，日本利用轴向沉积法生产出了损耗仅为0.2dB/km的石英光纤，使光纤通信技术获得飞速的发展。80年代后期，美国电话电报公司铺设了大西洋和太平洋的海底光缆，将欧、美、亚三洲连接起来。90年代，第3代越洋光缆取代了1、2代光缆。光缆的容量大大增大，每对光纤有32万个通道，是第1代的16倍，相当于8个通讯卫星的容量，每秒可传输相当于30卷大英百科全书的信息量。90年代中开始铺设一条最长的光缆，从英国经大西洋、地中海、红海、印度洋、太平洋直到东亚，一路上经过11个国家和地区。上海的光纤网与之相连接。而上海的光纤主干网络已把各个电话局、长话局、电视台和东方明珠塔等重要通信点连接起来了。光
88、纤网通讯具有速度快、容量大、抗干扰能力强等优点，而且它的寿命可达20年以上，远长于通讯卫星。四、激光雷达和激光精密测量激光技术出现后，利用高亮度、高定向性和脉冲持续时间十分短的激光束来代替普通雷达的微波或无线电波射束，可以大幅度提高测距和测方位精度。激光雷达与测距的另一个优点，是可以不受地面假回波影响而测量各种地面和低空目标，从而填补了普通雷达的低空盲区空白。此外，激光雷达与测距完全不受各种电磁干扰，不但使目前已有的各种雷达干扰手段完全失效，而且还可突破诸如导弹再入弹头周围等离子体层的屏蔽作用，或者核爆炸产生的电离云的干扰作用。 在激光技术出现以前，普通干涉测长方法受到所使用的普通光源单色性的
89、限制，最大量程不超过一米左右，最小的测量误差也只能达到零点几微米左右。但若采用激光干涉测长技术，量程范围在原则上可扩大到几百米到几十公里以上，而测长的精度可成千上万倍地改善。在计量标准方面，利用单色性和频率稳定性极高的特殊激光器系统，还可建立起以激光为基础的长度、时间和频率的国际新标准。比如，用单色和稳频精度为10-13量级的激光器作为光频计时标准，它在一年长时间里所给出的计时误差不超过一微秒，大大超过了目前采用的微波频段原子钟的计时精度。（六）（六） 核物理与核技术核物理与核技术1核物理简介核物理是原子核物理学的简称，是20世纪新建的一个物理学分支。它研究核的结构和变化规律。1896年，贝可
90、勒尔发现天然放射性，这是人们第一次观察到的核变化。1911年，E.卢瑟福等人利用射线轰击各种原子，观测射线所发生的偏折，从而确立了原子的核结构，并提出了原子结构的行星模型。1919年，卢瑟福等又发现用粒子轰击氮核会放出质子（氢原子的原子核），这是首次用人工实现的核蜕变(核反应)。在20世纪30年代中，人们还通过对宇宙线的研究发现了正电子和介子（后来称为子，是一种轻子），这些发现是粒子物理学的先河。1939年，哈恩和斯特拉斯曼发现了核裂变现象哈恩哈恩费密费密1942年，费密建立了第一个链式裂变反应堆。第一个链式裂变反应堆第一个链式裂变反应堆通过高能和超高能射线束和原子核的相互作用，人们发现了上百
91、种短寿命的粒子，即重子、介子、轻子和各种共振态粒子。庞大的粒子家族的发现，把人们对物质世界的研究推进到一个新的阶段，建立了一门新的学科粒子物理学，有时也称为高能物理学。2核技术应用一、同位素示踪同位素示踪是用放射性核素或稀有稳定核素作为示踪剂，研究化学、生物或其他过程的方法。示踪原子(又称标记原子)，是其核物理特征易于探测的原子。含有示踪原子的化合物称为标记化合物。在特殊情况下，有时也采用标记的细胞、微生物、动植物等各类标记物。1912年G.C.de赫维西首先试用同位素示踪技术，并陆续作了许多工作。由于其开创性贡献赫维西1943年获得了诺贝尔化学奖。1、在生命科学中的应用在生命科学中，示踪方法
92、主要用于测定组织的成分、研究物质在生物体内的转移以及物质代谢转变三个方面。组织成分的测定；物质在生物体内的转移；物质的代谢转变2、在工业上的应用在工业生产中，示踪原子为使用多种高效能的检验方法及生产过程自动控制的方法提供了可能性，解决了不少技术上和理论上的问题。下面列举几种主要应用。确定扩散速度；测定机械磨损；测定流体流速；合金结构分析：3、在医学上的应用(1)放射性同位素在医疗上的应用同位素诊断：这种诊断方法一般具有灵敏、简便、安全、无损伤等优点，用途非常广泛，几乎所有组织器官或系统的功能检查,都可应用。最常用的同位素诊断可分为三类。第一，体外脏器显像。 照相机用于临床实验照相机用于临床实验
93、照相机用于临床实验照相机用于临床实验第二，脏器功能测定。第三，体外放射分析。治疗：(2)放射性同位素在药学上的应用药物作用原理：药物活性：药物分析：辐射消毒钴钴-60治疗机治疗机4、在农业及畜牧业上的应用辐射育种：辐射保藏食品：辐射灭虫：同位素示踪：5、同位素地质年代学6、其他应用超薄厚度的测定：溶解度的测定：化学反应的历程：环境污染的检查：水利学考察：3核裂变与核聚变一、核裂变:一个重原子核分裂成为两个（或更多个）中等质量碎片的现象。1934年，费密等人用中子照射铀，企图使铀核俘获中子，再经过衰变得到原子序数为93或更高的超铀元素，这引起了不少化学家的关注。1938年，哈恩和斯特拉斯曼做了一
94、系列严格的化学实验来鉴别这些放射性产物，结论是：所谓的镭和锕实际上是原子量远比它们为小的镧和钡。对这种现象，只有假设原子核分裂为两个或两个以上的碎块才能给予解释。这种分裂过程被称为裂变。1939年,迈特纳和弗里施首先建议用带电液滴的分裂来解释裂变现象。同年玻尔和惠勒在原子核液滴模型和统计理论的基础上系统地研究了原子核的裂变过程，奠定了裂变理论的基础。19401940年年年年，彼得扎克和弗廖罗夫观察到铀核会自行发生，彼得扎克和弗廖罗夫观察到铀核会自行发生，彼得扎克和弗廖罗夫观察到铀核会自行发生，彼得扎克和弗廖罗夫观察到铀核会自行发生裂变，从而发现了一种新的放射性衰变方式裂变，从而发现了一种新的放
95、射性衰变方式裂变，从而发现了一种新的放射性衰变方式裂变，从而发现了一种新的放射性衰变方式自发自发自发自发裂变。裂变。裂变。裂变。1962年，波利卡诺夫等发现了自发裂变同质异能态。1967年，斯特鲁金斯基提出了在液滴模型基础上加壳修正的“宏观-微观”方法,导出了双峰裂变势垒，这是裂变研究史上的又一新成果。19471947年年年年，钱三强等发现了三分裂，钱三强等发现了三分裂，钱三强等发现了三分裂，钱三强等发现了三分裂（即分成三个碎片，第三个可以（即分成三个碎片，第三个可以（即分成三个碎片，第三个可以（即分成三个碎片，第三个可以是是是是 粒子，也可以是和另外两粒子，也可以是和另外两粒子，也可以是和另
96、外两粒子，也可以是和另外两个碎片质量相近的碎片）。个碎片质量相近的碎片）。个碎片质量相近的碎片）。个碎片质量相近的碎片）。19551955年年年年，玻尔根据原子核的集体，玻尔根据原子核的集体，玻尔根据原子核的集体，玻尔根据原子核的集体模型提出了裂变道的概念，把裂模型提出了裂变道的概念，把裂模型提出了裂变道的概念，把裂模型提出了裂变道的概念，把裂变理论推进了一步。变理论推进了一步。变理论推进了一步。变理论推进了一步。（1）核裂变过程（以235U为例）：当235U核吸收一个中子后，就会形成复合236U核，而236U核是不稳定的，它很快发生形变由椭球形进而变成不对称的哑铃形，然后发生断裂，成为两个略
97、有大小差异的产物核，同时放出若干个中子，下图为复合核裂变示意。裂变后的初级产物往往是不稳定的，它们会通过衰变逐步变成稳定的核。一次重核裂变所释放的核能大约为200兆电子伏，其分配如下：碎片动能170兆电子伏中子动能5兆电子伏和的动能15兆电子伏中微子动能10兆电子伏其中除和中微子将逃逸外，其余粒子的能量约180兆电子伏均可利用。1000克235U全部裂变所释放的能量相当于2500吨标准煤完全燃烧所放出的能量。核燃料主要有235U(铀)、239Pu(钚)和233Th(钍)。235U：天然铀中235U含量仅为0.72%，其余都是与中子反应几率很小的238U，因此通常需要对天然铀进行浓缩，以增加23
98、5U的含量，这样的铀称为浓缩铀。239Pu：与中子反应几率大且放出的中子多，是一种优质的核燃料，但它不存在于天然状态中，只能通过增殖反应堆或原子能发电站人工制造，主要是通过中子轰击238U而产生。233Th：与中子反应效率低，主要用在增殖反应堆中制造核燃料239Pu。(2)链式反应与临界质量链式反应：重核的裂变是通过中子的轰击实现的，因而要用核裂变来取得大量能量必须不断有中子作为轰击燃料核的“炮弹”。幸好核裂变过程中就有中子产生，如果用这种“次级中子”再去轰击重核引起另一次裂变，然后再产生中子，这样就可以形成一种核裂变的“链条”，使得裂变反应一直延续下去，这种连续不断的裂变反应就叫做“链式反应
99、”。临界质量：因此对于一种核燃料以及一种核燃料区的形状，例如球形、柱形或其它，都有一相应的最小体积（或质量）使中子逃逸几率足够小以致能维持核燃料区内的链式反应，这个体积（或质量）就称为临界体积（或临界质量）。核燃料的质量达到临界质量是维持链式反应的必要条件。临界质量的大小除了与核燃料区的形状直接相关外，还与核燃料的性质（浓缩度、材料密度）密切相关。（3）原子弹原子弹利用的是不加控制的链式裂变反应，从而在瞬时间可以形成雪崩式的裂变反应，使大量核燃料在极短时间内“燃烧”释放出大量能量，造成极端严重的杀伤和破坏。美国科学家在开始制造原子弹时采用了两种方法使一个核燃料的次临界系统转换成超临界系统，从而
100、使中子大量增殖而形成雪崩式的连式反应。其一是“枪法”，这是把两块次临界的裂变材料放在“枪筒式”的机械装置内，用化学爆炸将两块核材料迅速合并成一块，使之成为超临界系统。1945年，美国投在广岛的外号“瘦子”的第一颗原子弹就是用这种方法制成的。下图表示“枪式”原子弹的示意图。其二是“内爆法”，这是将一块处于次临界状态的核燃料（一般为球形），通过化学聚心爆炸将核材料压缩成高密度状态，使之转变成超临界系统。1945年，美国投在长琦的外号“胖子”的第二颗原子弹就属这一类。下图为“内爆式”原子弹的原理图。一般认为内爆一般认为内爆法可以获得更高法可以获得更高的超临界度，具的超临界度，具有更大的优越性。有更大
101、的优越性。我国科学家在研制原子弹时一开始就采用了技术复杂但较先进的内爆法。1964年10月爆炸了我国的第一颗原子弹（当量为2万吨TNT）。1966年12月成功地进行了减当量的氢弹原理试验；1967年6月抢在法国之前爆炸了我国的第一颗氢弹（当量为300万吨TNT）。成为继美、苏、英以后第四个拥有氢弹的核大国，从而打破了美苏两霸的核垄断，为实际制止核战争的爆发作出了重大贡献。中国第一颗氢弹爆炸中国第一颗原子弹爆炸中国第一颗原子弹爆炸原子弹（氢弹）的破坏力表现在三方面：1、光辐射：当核弹爆炸后，最先看到的是极强的光。这种强光可以引发近处的一切物体的燃烧，即使对距离很远处的人或动物也可以导致眼睛失明。
102、2、中子和辐射：这种强粒子辐射可以立即使人和动物死亡，也可能使人患放射病。3、冲击波：它可推倒建筑物、杀伤人员。（4）核电站链式反应的控制原子弹是一种不加控制的裂变反应器，它在极短时间内释放出大量核能，极具破坏性，很难被作为能源来利用。因此裂变能的和平利用，首先要解决链式反应的控制，一是要控制其超临界度，不能让它发生雪崩式的反应；二是要使它在超临界和次临界状态间随意转换。链式反应的控制方法通过快速的机械手段由吸收或不吸收缓发中子来调节系统达到超临界的条件。让快中子在某些特定的介质中通过碰撞损失其能量而变成热中子（慢中子），这个过程称为慢化，而那些特定介质就称为慢化剂。重水是最好的慢化剂，石墨也
103、是一种良好的慢化剂，1944年，费米就是用它作成世界上第一个反应堆的。控制热中子：采用镉（48Cd）作为热中子反应堆的控制棒。核裂变发电站概貌核电站组成：核反应堆、热交换器和发电装置。核反应堆通常采用热中子堆，常用的有压水堆、重水堆、石墨堆等。反应堆的堆心是原子能发电站的心脏，其中有燃料棒、慢化剂、冷却剂和控制棒（镉棒）。当镉棒插入时，堆心处于次临界状态，镉棒拔出时堆心就处于超临界状态，于是控制镉棒就可以控制反应堆的运行。冷却剂用来冷却燃料棒，并通过热交换器将热量送到无放射性的发电部分，供发电使用。研究性重水反应堆研究性重水反应堆中国中国1980年建成的高年建成的高通量工程试验堆堆芯通量工程试
104、验堆堆芯秦山核电站的原理示意图秦山核电站鸟瞰秦山核电站鸟瞰核电站的发展现状1954年，前苏联建成了世界上第一座热中子核电站，而后被世界各国广泛推广。目前现状：世界上已经投入运行的热中子核电站已有428座，在建的有61座，遍布各大洲34个国家和地区，总装机容量已达4亿多千瓦，约占世界发电总量的1/5。美国占首位，约占世界的1/3，其次为法国、日本、德国和俄罗斯。法国已有57座核电站在运行，发电量占其全国总发电量的77%，为世界之最。我国目前仅有秦山核电站和大亚湾核电站两座，装机容量仅占总装机容量的1%左右。核电虽然造价较高，但运行成本低于火电，环境污染也比火电小得多，作为一种极好的能源，将来会在
105、全世界广泛推广使用。早在1951年美国就建成了快中子堆的核电站，但由于技术复杂，不易控制，后来未能推广。但是快堆核电站能够再生核燃料，即用快中子轰击238U产生230Pu，从而大大降低了运行成本，具有商业价值，所以快中子堆开始从完全军用（生产核弹用钚）进入民用，但真正实用还得假以时日。二、核聚变能的应用1、原子核的聚变聚变反应：轻核在一定高温条件下融合成较重的核，所以又称热核反应。聚变的自持条件：从核聚变释放出来的能量，除去各种损失后，剩余的能量能在足够长的时间内维持能使核聚变反应继续进行的温度和密度。1957年，英国物理学家劳森把它归结为： n=1020s/m，kT=10keV（劳森判据）其
106、中n 是轻核的粒子密度， 是温度和密度的维持时间，kT 是温度的另一种表达方法，10keV相当于一亿度左右的高温。在这样高的温度下，原子已经完全电离，形成物质的第四态等离子体。从聚变反应可推算，1克氘发生热核聚变时放出的能量为10万千瓦时，也就是10万度电能。地球上共有175亿亿吨海水，其中含氘35万亿吨，如果都能用来发电，可以想象足够人类用上几百亿年，再也不会有什么“能源危机”了。2、氢弹自持核聚变首先是在氢弹中实现的。在氢弹中主要采用的核聚变反应是DT反应，因为DT反应释放的能量较多而要求的温度条件又较低。氢弹中的主要燃料是氘化锂。氢弹中热核反应所需要的高温高密度条件一开始是由一颗原子弹提
107、供的，这个原子弹被称为氢弹的“扳机”，然后，由热核反应产生的能量的在一定时间内继续维持热核反应所必须的条件。于是氢弹就能在短时间内释放大量能量，形成比原子弹威力大几百倍的大规模毁灭性武器。美国物理学家泰勒首先提出制造氢弹的思想和建议，但是氢弹原理被严格保密起来，究竟如何用一个原子弹来创造自持热核反应条件至今仍是一个秘密。中国科学家自力更生突破了这个难关，并且从制成原子弹后仅用了2年时间，这比美国（用了7年）、前苏联（用了5年）要快得多，证明了中国人民聪明能干、坚毅不拔的民族性格。而且我国仅仅进行了几十次核试验就完成了研制、定型、改进和装备的全过程，这就远少于美国和前苏联。3、磁约束聚变氢弹中释
108、放的能量是爆炸式的，虽然在其中实现了自持热核反应，但无法用于民用能源，所以，要用热核反应作为能源，首要之事是寻找能实现自持的方式和条件：上亿度高温+不导热容器。太阳给了我们启发：太阳是一团进行自持热核反应的高温等离子体，它又是缓慢地释放能量的，那么它是靠什么容器把等离子体约束在一起不致飞散的呢？它靠的是太阳极其巨大的质量所产生的巨大的引力。太阳的引力场就是太阳的高温等离子体的“容器”。地球上不可能有这样强的引力场，但是可以利用其它的场。目前约束高温等离子体的方法：磁约束：利用强磁场约束等离子体，因为等离子体由带负电的电子和带正电的原子核组成，它们在磁场中受磁力作用；惯性约束：利用介质被压缩时粒
109、子的惯性，将等离子体约束在一个小区域中。在这样条件下进行的热核反应就称为“受控热核反应”。最受人们青睐的磁约束装置是环流器(托卡马克)，下图是它的结构示意图，图中：1产生环场的线圈盘2变压器线圈3等离子体电流4变压器铁芯5金属外壳6螺旋场7环场8角场环状真空室中冲入氘环状真空室中冲入氘环状真空室中冲入氘环状真空室中冲入氘气或氘气或氘气或氘气或氘 氚混合气体氚混合气体氚混合气体氚混合气体目前美国、日本、欧洲和俄罗斯等国都已经建成大型的托卡马克装置，我国也于1984年建成一座中型的托卡马克环流1号。有的装置已接近达到劳森条件，正在努力实现“点火”，即自持反应。美、英、俄三国正在合作建设一座功率为6
110、2万千瓦的国际聚变反应堆，希望使其输出能量超过输入能量，以实现聚变发电的可能性。此外，也有人在尝试研制聚变裂变混合堆，以充分利用聚变放出的大量中子并减低自持聚变点火的难度。估计到二十一世纪中叶，磁约束核聚变发电站会有投入使用的可能。中国环流中国环流1号号4、惯性约束聚变惯性约束聚变是依赖于燃料质量的惯性对等离子体进行约束从而实现自持聚变的一种途径。同时这种方法也可以进行氢弹的模拟试验，实际上就是氢弹的微型化，从而把氢弹实验从大气层或地下转移到实验室，并且可以大大节省试验的开支。因此惯性约束聚变深受世界各主要国家的重视。惯性约束聚变的基本思想：a、氢弹燃料区小型化，使得燃烧后产生的能量可以用安全
111、的热交换方式取出来。所以通常用装有热核燃料的靶丸（一般为球形壳层小丸），在驱动场引发的聚心冲击波作用下被压缩，达到高温、高密度状态；b、驱动方式改成驱动方式改成激光、粒子束等激光、粒子束等，靶丸依靠电子传导靶丸依靠电子传导（称直接驱动）或（称直接驱动）或X射线（称间接驱射线（称间接驱动）向内输运能量，动）向内输运能量，驱动内爆。驱动内爆。直接驱动：激光束(或带电粒子束)直接入射靶丸外层，激光能量传递给电子生成内爆冲击波。但要求激光光斑必须整形成接近于球形，因此需要建立高功率的多路激光装置。美国劳伦兹美国劳伦兹利佛莫尔利佛莫尔国家实验室的国家实验室的NOVA激光器激光器(20路激光束路激光束)的
112、装置的装置中国上海光中国上海光机所用于直机所用于直接驱动的六接驱动的六路激光装置：路激光装置：“神光神光”激激光器光器间接驱动：驱动能量（来自激光束或离子束）首先被包围靶丸的由高原子序数材料制成的壳体（黑腔）所吸收，这种吸收了大量能量的材料发射X射线去驱动靶丸内爆。对于最佳设计的靶，7080%的驱动能量可以转换成X射线。由于降低了对激光束均匀性的要求并降低了对由于驱动能量分布不均匀而引起的流体力学不稳定性的敏感度，目前世界各国已经将惯性约束聚变计划更加倾向于间接驱动方案。三、围绕冷核聚变的争论1989年3月21日下午1时，在美国犹他大学化学系主任斯坦利庞斯教授和英国南安普敦大学的马丁弗莱希曼教
113、授宣布，他们在室温下的钯电极中实现了持续的核聚变(后被称为冷聚变)。他们的实验是用99.5的重水和0.5的普通水，加入少量的氘氧化锂，制成电解液；用铂(Pt)作正极，用钯(Pd)作负极，在室温下进行电解。在实验过程中，测到了热效应(输出能量大于输入能量)和核产物(射线和中子)。庞斯弗莱希曼实验装置示意图3月30日，美国伯明翰杨大学的斯蒂文琼斯教授3月31日，匈牙利的拉乔斯科苏特大学实验物理系的两位物理学家久洛奇考伊和泰勃斯陶里奇考伊4月1日，日本农工大学的小山升教授4月10日上午，美国得克萨斯AM大学的10人小组。4月11日，美国乔治亚理工学院4月12日，前苏联莫斯科大学物理系固体物理实验室4
114、月17日，捷克考美纽斯大学数学物理系4月18日，美国斯坦福大学的罗伯特哈吉斯教授，4月18日，意大利国家替代能源委员会的以弗莱西斯科斯卡拉莫为首的研究小组，4月19日，原民主德国德累斯顿工业大学的研究小组4月22日，北京师范大学和中国工程物理研究院核物理与化学研究所。然而，也有许多研究小组没有能够重复出庞斯和弗莱希曼的实验结果，特别是一些世界著名的研究机构发布了一些不利于庞斯和弗莱希曼的实验结果。4月25日，美国乔治亚理工学院正式发表声明，撤回他们以前的关于测到中子的结果。他们解释：这是由于中子测试仪对温度的敏感性导致了错误的结论。5月，在美国物理学会年会上，出席会议的大多数科学家都认为庞斯和
115、弗莱希曼的实验结论不可靠。6月15日，英国政府的主要核聚变研究中心哈韦尔实验室宣布了他们的实验结果。这一实验室的10位科学家花了约3个月的时间，耗资50万美金重复了庞斯和弗莱希曼的实验，结果既没有观察到热，也没有发现中子。而且，他们的实验是在与弗莱希曼的合作下进行的。怀疑冷聚变原因：根据核物理理论，发生显著聚变反应的温度需108K，对庞斯和弗莱希曼等人的实验以及解释是令一些科学家难以接受的。关于冷聚变的争论围绕着几个问题：1关于冷聚变的热效应问题有的科学家认为庞斯和弗莱希曼所观察到的热效应并不是来自核反应2关于射线的测量问题认为庞斯和弗莱希曼的实验中的所谓射线很可能是一个假信号。3关于中子的测
116、量问题4关于冷聚变的理论解释问题关于冷聚变的最大争议：冷聚变是否是“伪科学”或“病态科学”。国内有人认为冷聚变是病态科学的典型，国外有的科学刊物提出要给庞斯和弗莱希曼颁发“可耻诺贝尔奖”。所谓病态科学的主要特征：实验效应很弱，没有显著的因果关系；常是低统计的事例；惊人的高精密度；背离原有理论；发现者沉醉于所得结论，否认任何批评；等等。有人总结出冷聚变具有上述特征：实验重复性差；超额热与核产物不匹配；中子数据在检测极限，与现有的核理论相违背；许多论文发表前未经评审等等。当然，另一方依然认为冷聚变是可信的，它打破了传统观念，就如同科技史上许多在开始时不被人们承认的发现和发明一样。1993年10月，
117、在日本的名古屋召开了第三届国际冷聚变会议，与会者一致认为：冷聚变不是是否存在而是如何存在的问题。关于冷聚变的争论，涉及的问题比较多。由于核聚变研究是探索新能源，它的成功与否对人类社会的影响非常之大。所以，冷聚变就更为世人所瞩目。无论是肯定它，还是否定它都应该比较慎重。现在还一下子分辨不清，就让科学发展本身去评判。4核磁共振核磁共振是在恒磁场中，磁矩不为零的原子核受射频场的激励，发生磁能级间共振跃迁的现象。1946年E.M.珀塞耳和F.布洛赫等人分别在实验上实现了固体石蜡和液体水分子中氢核的共振吸收。此后核磁共振技术迅速发展，目前，核磁共振已成为波谱学中的一个重要分支。（七）粒子物理学与粒子标准
118、模型1粒子物理学简介粒子物理学又称高能物理学或基本粒子物理学，物理学的一个分支学科。它研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构性质和在很高的能量下，这些物质相互转化的现象，以及产生这些现象的原因和规律。它是一门基础学科，是当代物理学发展的前沿之一。粒子物理学是以实验为基础，而又基于实验和理论密切结合发展的，它大致经历了三个阶段。一、第一阶段(1897年1937年)1897年，J.J.汤姆孙在实验上发现了电子，1911年，卢瑟福证实了带正电的原子核的存在，1932年，查德威克发现了中子。1905年，爱因斯坦提出电磁场的基本结构单元是光子，1922年，康普顿等人的实验证实光子是一种“基本粒子”。
119、查查德德威威克克康康普普顿顿1931年，泡利又从理论上假设存在一种没有静止质量的粒子中微子1932年，安德森利用放在强磁场中的云室记录宇宙线粒子时发现的。安德森安德森二、第二阶段(1937年1964年)1、子的发现1934年，汤川秀树为解释核子间强作用，提出子。1936年，安德森和尼德迈耶实验上确认子。2、介子和奇异粒子的发现1948年由张文裕直接的证明用子存在。汤汤川川秀秀树树张张张张文文文文裕裕裕裕世界上第一台回旋加速器美国费密国家加速器实验室美国斯坦福直线加速器中心日本 KEK 加速器实验室德国DESY加速器实验室德国达姆施塔特重离子加速器欧洲核子中心（CERN）欧洲核子中心UA1强子量
120、能器 中国第一台回旋加速器 中国第一台电子辐射加速器中科院10MeV质子直线加速器中科院加速器的加速腔中科院7 5 0 keV预注入器中科院 90MeV 加速器全貌3、新粒子大发现和强作用SU(3)对称性的建立1959年，中国的王淦昌发现反超子1961年，由盖耳曼及奈曼提出的，用强相互作用的SU(3)对称性来对强子进行分类的“八重法”。盖盖耳耳曼曼王王淦淦昌昌4、量子场论和重正化理论的发展施温格、朝永振一郎、费因曼和戴森等人的努力，解决了量子电动力学中出现的发散困难5、探索强作用的基本理论、探索强作用的基本理论1955年，发现了年，发现了 - 之谜。之谜。1956年年，李李政政道道和和杨杨振振
121、宁宁提提出出在在弱弱作作用用中中宇宇称称是不守恒的，也不存在是不守恒的，也不存在 - 之谜。之谜。1957年年，吴吴健健雄雄小小组组在在极极化化原原子子核核60Co的的衰衰变的实验中，证实了宇称不守恒。变的实验中，证实了宇称不守恒。费费因因曼曼李政道和杨振宁吴健雄三、第三阶段(1964)1、夸克假说的提出1961年，在实验上发现了不少共振态。1964年，已发现的基本粒子（包括共振态）的种类增加到上百种，因而使得盖耳曼和兹韦克提出，产生SU(3)对称性的基础就是构成所有强子的构造单元,它们一共有u、d、s三种，并命名为夸克(quark)。60年代以来，在宇宙线中、加速器上以及在岩石中，都进行了对
122、夸克的实验找寻，但迄今还没有被确证为成功的报道。由于大量的实验没有找到自由夸克，目前理论上流行的看法是需要作无穷大的功才能把两个夸克完全分开。从而夸克不能以自由的状态出现，这种性质，叫做夸克囚禁。不过这仅仅是在实验上及理论上尚未得到完全证实的假说。2、强子内部结构的实验证据在60年代和70年代，虽然在加速器上没有找到夸克。但却得到了间接的，更有力地说明夸克存在的证据。1967年泰勒、弗里德曼、肯德尔和12位同事开始用斯坦福直线福加速器（SLAC）加速高能电子轰击质子以探测来质子的内部结构，发现质子内部有着几乎是自由的点状的结构。类似的实验后来也在中子上进行，得到了相同的结论。泰勒弗里德曼肯德尔
123、SLAC的巨型电子探测器3、第四种和第五种夸克1974年，丁肇中、里希特等分别在质子加速器和正负电子对撞机的实验中发现了一种新粒子J；它的质量很大，而寿命却比大部分共振态小一万倍，这必须解释为它是由一个新的夸克c和它的反粒子所构成。这种新的夸克c，具有一种新的量子数粲数C，它的电荷是2e/3。第第四四种种夸夸克克及及粲粲数数的的存存在在，不不久久便便因因新新粒粒子子 、 、D、F、c等等的的发发现现而而得得到到进进一一步步的的证证实实。1977年，莱德曼等发现了第五种夸克，年，莱德曼等发现了第五种夸克，丁肇中丁肇中4、轻子的新发现自从1962年利用大型火花室，在实验上证实了两类中微子分成e和之
124、后，长时间内已知的轻子就只有四种：(e,e)和(,)，但是到了1975年佩尔等在e+e-对撞实验中发现了一个新的轻子，它的质量很大，达质子的两倍，所以又叫重轻子。与它相应，普遍相信应有另一种中微子存在。的发现使轻子增加到三代：(e,e)，(,)，(,)。不少物理学家对中微子的存在并不怀疑，这种对称性强烈地意味着一种新的夸克第6种夸克t的存在，它应当带有2e/3的电荷和一种新的量子数顶数T。1984年在欧洲核子中心(CERN)发现了可能存在有第六个夸克的迹象，这种夸克称为顶夸克。据1994年报道，实验中找到了顶夸克。表6-5-1夸克与轻子的性质夸克夸克duscbt质量质量(GeV)0.340.3
125、30.541.54.5175电荷电荷-1/32/3-1/32/3-1/32/3轻子轻子e质量质量(GeV)0.5110-51060.51784160电荷电荷-10-10-105、电弱统一理论的建立1961年，格拉肖提出电磁相互作用和弱相互作用的统一理论。这个理论的基础，是杨振宁和密耳斯在1954年提出的非阿贝耳规范场论。格拉肖提出，电磁相互作用规范场粒子是光子；弱相互作用规范场粒子有三种：W+、W-和Zo。在这个理论中，两种相互作用是统一的，两种耦合常数有着确定的关系。但是在这个理论里，W和Zo粒子是否具有静止质量、理论上如何重正化等问题，没有得到解答。19671968年，温伯格、萨拉姆阐明了
126、作为规范场粒子的W，Zo是可以有静止质量的，还算出这些静止质量同弱作用耦合常数以及电磁作用耦合常数的关系。这个理论中很重要的一点是预言弱中性流的存在。1973年，美国费密实验室和欧洲核子中心在实验上相继发现了弱中性流，1983年，鲁比亚实验组发现W和Zo规范粒子，质量(mW80GeV，mZ90GeV)及特性同理论上期待的完全相符，萨萨拉拉姆姆温温伯伯格格6、强相互作用研究的进展1973年，由于非阿贝耳定域规范场理论的进展，霍夫特、格罗斯等人发展了强相互作用的量子色动力学理论。认为夸克之间的强相互作用则是由于交换胶子（没有静止质量，带有电荷）而产生的。2粒子标准模型1、物质世界是由62种粒子构成
127、13种规范玻色子，其中8种胶子g、还有光子、W+,W-,Z和引力子各1种；48种费密子，其中6种轻子（e-、e、-、-、），18种夸克6种夸克（d、u、s、c、b、t）、每种夸克有3色及其它们的反粒子；1种Higgs粒子（自旋为零的粒子，不带电）。这62种粒子中，实验上现在还没得到存在的直接证据是Higgs粒子和引力子2种粒子。其中引力子作用太弱，不能直接观测。唯一的应该能找到但还没有找到的粒子是Higgs粒子。2.粒子之间的四种基本相互作用(1)色相互作用：媒介粒子为胶子g；(2)电弱相互作用：媒介粒子为,W+,W-,Z。能量低于250GeV时分解为性质和行为很不相同的两种相互作用：电磁相互
128、作用，其媒介粒子为；弱相互作用，其媒介粒子为W+,W-,Z。(3)引力相互作用：媒介粒子为引力子。(4)Higgs粒子汤川相互作用：媒介粒子为Higgs粒子。图6-4-28温伯格 图6-4-29萨拉姆（八）纳米技术1纳米科技的基本概念和内涵早在1959年，美国著名的物理学家，诺贝尔奖获得者费曼就设想：“如果有朝一日人们能把百科全书存储在一个针尖大小的空间内并能移动原子，那么这将给科学带来什么？”这正是对纳米科技的预言，也就是人们常说的小尺寸大世界。纳米科学技术基本涵义是在纳米尺寸(10-910-7m)范围内认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创制新的物质。纳米科技是研究由尺寸在0.11
129、00nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。纳米科技主要包括：(1)纳米体系物理学；(2)纳米化学；(3)纳米材料学；(4)纳米生物学；(5)纳米电子学(6)纳米加工学；(7)纳米力学.纳米新科技重要进展：(1)利用扫描隧道电子显微镜直接操作原子(2)纳米材料的奇异特性(3)纳米生物学基因工程(4)纳米微机械和机器人2纳米技术研究的对象和发展的历史一、纳米技术研究的对象纳米颗粒限制到1100nm范围。纳米材料的基本单元可以分为三类：(i)0维，指在空间三维尺度均在纳米尺度，如量子点、纳米尺度颗粒、原子团簇等；(ii)1维，指在空间有两维处于纳米尺度
130、，如量子线、纳米丝、纳米棒、纳米管等；(iii)2维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如量子阱、超薄膜，多层膜；超晶格等。纳米材料可分为人工制备与天然天然：天体的陨石碎片，人体和兽类的牙齿蜜蜂：蜜蜂的体内存在磁性的纳米粒子，具有“罗盘”的导航作用，并利用这种“罗盘”来确定其周围环境在自己头脑里的图像而判明方向。了解螃蟹的进化历史：螃蟹原先并非“横行”运动，而是前后运动，这是因为亿万年前的螃蟹第一对触角里有几颗用于定向的磁性纳米微粒小指南针。螃蟹的祖先靠这种“指南针”前进后退。后来，由于地球的磁场发生了多次剧烈的倒转，使螃蟹体内的小磁粒失去了原来的定向作用，于是使它失去了前后行动的功能，变成了横
131、行。大海龟：海龟的头部有磁性的纳米微粒，起导航作用。二、纳米技术发展简史1000多年前。中国古代墨、染料；中国古代铜镜表面的防锈层，证实为纳米氧化锡颗粒构成的一层薄膜；约1861年，对直径为1100nm的粒子系统即所谓胶体的研究1962年，久保及其合作者针对金属超微粒子的研究，提出了著名的久保理论1963年，Uyeda及其合作者用气体冷凝法，对单个的金属超微颗粒的形貌和晶体结构进行了透射电子显微镜研究。1970年，江崎与朱兆祥首先提出了半导体超晶格的概念，张立纲和江崎等在实验中实现了量子阱和超晶格，观察到了极其丰富的物理效应。20世纪70年代末到80年代初，对一些纳米颗粒的结构、形态和特性进行
132、了比较系统的研究。描述金属颗粒费米面附近电子能级状态的久保理论日臻完善，在用量子尺寸效应解释超微颗粒的某些特性时获得成功。1984年，德国萨尔大学的G1eiter教授等人首次制备了纳米粒子，加压成纳米固体，并提出了纳米材料界面结构模型。随后发现CaF2纳米离子晶体和TiQ2纳米陶瓷在室温下出现良好韧性，使人们看到了陶瓷增韧的新的战略途径。1985年，Kroto等采用激光加热石墨蒸发并在甲苯中形成碳的团簇C601990年7月在美国巴尔的摩召开了国际第一届纳米科学技术学术会议，正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支公布于世，这标志着纳米材料学作为一个相对比较独立学科的诞生。1994年在美国波
133、士顿召开的MRS秋季会议上正式提出纳米材料工程。并决定出版纳米结构材料、纳米生物学和纳米技术的正式学术刊物。纳米材料发展的3个阶段第一阶段(1990年以前)：主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。研究的对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这类纳米材料称纳米晶或纳米相材料。第二阶段(1994年前)：热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料，通常采用纳米微粒与纳米微粒复合，纳米微粒与常规块体复合及发展复合纳米薄膜，国际上通常把这类材料称为纳米复合材料。第三
134、阶段(从1994年到现在)：纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注或者称为纳米尺度的图案材料。3纳米材料与其他学科的交叉、渗透纳米材料凝聚态物理纳米材料半导体材料纳米材料化学纳米材料复合材料纳米材料医学药物4纳米材料在高科技中的地位以单电子隧道效应为基础的单电子晶体管（日本）高速数据处理提供分子电子器件及阵列（德国）开始用分子电子器件、量子效应器件开发生物计算机（日本）。21世纪电子工业的关键材料都具有纳米结构比例芯片中的各个元件之间的耦合，纳米尺寸的开关材料、敏感材料、纳米级半导体/铁电体、纳米级半导体/铁磁体、纳米金属/纳米半导体集成的超结构材料、单电子晶体管材
135、料、用于存储的巨磁阻材料、超小型电子干涉仪所需材料、电子过滤器材料、智能材料、新型光电子材料等。5纳米结构和纳米材料的应用一、纳米结构的应用1、量子磁盘与高密度磁存储2、高密度记忆存储元件3、高效能量转化纳米结构(1)高效再生锂电池：(2)太阳能电池：(3)热电转化量子磁盘量子磁盘扫描电镜像扫描电镜像4、微型传感器(1)气体传感器(2)红外线传感器(3)湿敏传感器：5、纳米结构高效电容器阵列AuAu超微粒膜红外传感器超微粒膜红外传感器超微粒膜红外传感器超微粒膜红外传感器超微粒气体感应超微粒气体感应超微粒气体感应超微粒气体感应膜的结构模型膜的结构模型膜的结构模型膜的结构模型二、纳米材料的应用1、
136、陶瓷增韧2、磁性材料(1)巨磁电阻材料：所谓巨磁阻就是指在一定的磁场下电阻急剧减小。巨磁电阻效应是1986年德国的Grnberg教授首先发现的新现象。应用器件：读出磁头、测量位移传感器、角度传感器、微弱磁场探测器、超微磁场探测器、超导量子相干器件、超微霍尔探测器、随机存储器(MRAM)：1995年报道自旋阀型MRAM记忆单位的开关速度为亚纳秒级，256Mbit的MRAM芯片亦已设计成功，成为可与半导体随机存储器(DRAM，SBAM)相竞争的新型内存储器。(2)新型的磁性液体旋转轴的动态密封新型的润滑剂增进扬声器功率作阻尼器件(3)新型的磁记录材料磁性纳米微粒由于尺寸小，具有单磁畴结构，矫顽力很
137、高的特性，用它制作磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量三、在生物和医学上的应用1、细胞分离2、细胞内部染色：容易分辨各种组织3、表面包敷的磁性纳米粒子在药物上的应用纳米微粒的磁性导航，使其移向病变部位，达到定向治疗的目的。磁性纳米粒子在分离癌细胞和正常细胞方面经动物临床试验己获成功包覆聚苯乙烯Fe3O4纳米微粒分离小鼠骨髓液癌细胞实验示意图四、光学应用1、红外反射材料纳米微粒用于红外反射材料上主要制成薄膜和多层膜来使用。红外线反射膜的构造主要红外线反射膜的组成、材料、制造方法形形式式组组成成材材料料制造方法制造方法金属薄膜金属薄膜Au，Ag，Cu金属金属真空蒸镀法真空蒸镀法透明导电膜透明导电
138、膜SnO2，In2O3金属金属氧化物氧化物其他化合物其他化合物真空蒸镀法真空蒸镀法溅射法溅射法喷雾法喷雾法多层干涉膜多层干涉膜(1)(电介质电介质-电介质电介质)ZnS-MgF2TiO2-SiO2Ta2O3-SiO2有机金属化合有机金属化合物物氧化物氧化物其他化合物其他化合物真空蒸镀法真空蒸镀法CVD法法浸渍法浸渍法多层干涉膜多层干涉膜(2)(电介质电介质-金属金属-电介电介质质)TiO2Ag-TiO2TiO2-MgF2-Ge-MgF2氧化物氧化物金属金属真空蒸镀法真空蒸镀法溅射法溅射法红外线反射膜的特点金属金属-电解质复电解质复合膜合膜导电膜导电膜电解质多层膜电解质多层膜光学特性光学特性优优
139、中中良良耐热性耐热性差差良良优优成本成本中中低低高高2、优异的光吸收材料(1)紫外吸收Al2O3粉掺合到稀土荧光粉吸收185nm，提高日光灯管使用寿命。防晒油、防止塑料、树脂和橡胶类的高聚物老化、油漆脱落(2)红外吸收：红外线进行屏蔽增加保暖作用3、隐身材料五、在其他方面的应用纳米抛光液纳米静电屏蔽材料纳米微粒消毒杀菌纳米导电浆料纳米助燃剂、阻燃剂纳米印刷油墨提高橡胶耐磨性改善了玻璃的脆性、提高Al合金的强度和韧性（九）天体物理与宇航工程（九）天体物理与宇航工程 17世纪开普勒通过计算，发现行星沿椭圆轨道运行等世纪开普勒通过计算，发现行星沿椭圆轨道运行等开普勒三定律开普勒三定律 1957年年1
140、0月苏联成功发射了世界上第一颗人造卫星，月苏联成功发射了世界上第一颗人造卫星，这是人类航天历史上的一个里程碑这是人类航天历史上的一个里程碑17世纪牛顿力学形成体系，认识了万有引力定律世纪牛顿力学形成体系，认识了万有引力定律 20世纪初叶，齐奥尔科夫斯基给出了三个宇宙速度的世纪初叶，齐奥尔科夫斯基给出了三个宇宙速度的概念并精确计算了它们的数值。概念并精确计算了它们的数值。航天有赖众多关键技术的突破和集成，是复杂的系统工程航天包括运载火箭、应用卫星和卫星应用、载人航天和深空探测等几大方面。应用卫星又包括资源卫星、气象卫星、通信卫星、导航卫星及各类科学实验卫星和军用卫星等多种。除大型卫星外，还在开发
141、微小卫星技术，以及卫星组网和编队飞行技术。航天有赖众多关键技术的突破和集成，是复航天有赖众多关键技术的突破和集成，是复杂的系统工程杂的系统工程每类卫星涉及一系列关键技术，例如：每类卫星涉及一系列关键技术，例如：p卫星结构设计卫星结构设计p姿态控制技术姿态控制技术p变轨技术变轨技术p热控制技术热控制技术p电源技术电源技术 “亚洲蜂窝卫星系统”卫星p卫星测控技术卫星测控技术p卫星回收技术卫星回收技术p有效载荷技术有效载荷技术p卫星总体技术，包括总体设计、总装测试、环卫星总体技术，包括总体设计、总装测试、环境模拟等。境模拟等。p配套的基础设施，如卫星发射基地，卫星测控配套的基础设施，如卫星发射基地，
142、卫星测控网站和应用站等网站和应用站等 航天有赖众多关键技术的突破和集成，是复航天有赖众多关键技术的突破和集成，是复杂的系统工程杂的系统工程航天有赖众多关键技术的突破和集成，是复航天有赖众多关键技术的突破和集成，是复杂的系统工程杂的系统工程随着航天技术的发展，卫星的应用将产业化、规模化，而新一代高水平的航天器将陆续出现，并走上更远的征程，探索太阳系其它星球、银河系乃至更深远处宇宙的未知。航天工程技术和遥感技术为物理学的研究开辟新天地关于宇宙起源学：宇宙存在3oK温度背景的微波辐射、哈勃红移的测量、宇宙中氦元素丰度的测量，这三条为宇宙大爆炸理论提供了支持。尽管有待研究的问题还很多。航天工程技术和遥
143、感技术为物理学的研究开航天工程技术和遥感技术为物理学的研究开辟新天地辟新天地探月和登月探月和登月，大大增加对，大大增加对月球物理环境的了解；月球物理环境的了解；美国的美国的“勇气勇气”号和号和“机机遇遇”号对号对火星火星的探测，为的探测，为火星的研究提出了更多课火星的研究提出了更多课题，也对地球物理的研究题，也对地球物理的研究有新的启示；有新的启示；航天工程技术和遥感技术为物理学的研究开航天工程技术和遥感技术为物理学的研究开辟新天地辟新天地 搭载在卡西尼号土星探测器上的惠更斯土卫六探测器，正在揭开土卫六的奥秘，还可能对生命起源探索提供线索；“伽利略”号探测器对木星的探测和所获取的木星的信息，是
144、科学技术史的另一曲凯歌。航天大大开阔了人类认识世界的眼界。航天大大开阔了人类认识世界的眼界。 借助航天航宇工程和探测技术研究一系列物理学尚不明白的重大问题：寻觅宇宙中的反物质，弄清暗物质和暗能量的起寻觅宇宙中的反物质，弄清暗物质和暗能量的起源和本质等；源和本质等；利用外空的微重力、高真空、超洁净环境，研究利用外空的微重力、高真空、超洁净环境，研究微重力科学，对地球、太阳、宇宙天体及外空环微重力科学，对地球、太阳、宇宙天体及外空环境进行全新的观测研究；境进行全新的观测研究；提供关于提供关于“空间空间”和和“时间时间”的新的认识，为物的新的认识，为物理学乃至哲学的发展开拓新的天地。理学乃至哲学的发展开拓新的天地。 航天工程技术和遥感技术为物理学的研究开航天工程技术和遥感技术为物理学的研究开辟新天地辟新天地（十）科技发展面临的问题举例（十）科技发展面临的问题举例科技发展到今天,仍然还有很多问题没有解决,甚至人类的生存都将面临着危机.比如,空气质量和大气:酸雨、二氧化碳、臭氧层衰竭、地球变暖-海平面上升、病毒的威胁、水资源:废物处理、河口(港湾)合理开发利用、供应、分配、地下水污染、肥料污染等.人类健康和疾病:传染和非传染病、紧张、噪声、饮食和营养、锻炼.水污染空空气气污污染染2003年10月一罐内的三氯化磷泄漏 谢 谢
