现代物理学革命

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1、世纪之交科学家眼中的物理学世纪之交科学家眼中的物理学19191919世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上汤姆森（一堂。会上汤姆森（一堂。会上汤姆森（一堂。会上汤姆森（W. Thomson, 1824-W. Thomson, 1824-W. Thomson, 1824-W. Thomson, 1824-1907190719071907）发表新年祝词。）发表新年祝词。）发表新年祝词。）发表新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物他在回顾

2、物理学所取得的伟大成就时说，物他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。1现代物理学革命世纪之交科学家眼中的物理学世纪之交科学家眼中的物理学 开尔文的世纪回顾：开尔文的世纪回顾：开尔文的世纪回顾：开尔文的世纪回顾： 1900190019001900年年年年4 4 4 4月月月月27272727日开尔文（日开尔文（日开尔文（日开尔文（Lord KelvinLord KelvinLord KelvinLord Kelvin）在皇家研）在皇家研）在皇家研

3、）在皇家研究所（究所（究所（究所（RIRIRIRI）发表了）发表了）发表了）发表了在热和光动力理论上空的在热和光动力理论上空的在热和光动力理论上空的在热和光动力理论上空的19191919世纪乌云世纪乌云世纪乌云世纪乌云的演讲。的演讲。的演讲。的演讲。其中说道其中说道其中说道其中说道“动力学理论断言，热和光都是运动的方式。在展望动力学理论断言，热和光都是运动的方式。在展望动力学理论断言，热和光都是运动的方式。在展望动力学理论断言，热和光都是运动的方式。在展望20202020世纪世纪世纪世纪物理学前景时，开尔文若有所思地讲道：动力理论肯定了热和光是运物理学前景时，开尔文若有所思地讲道：动力理论肯定

4、了热和光是运物理学前景时，开尔文若有所思地讲道：动力理论肯定了热和光是运物理学前景时，开尔文若有所思地讲道：动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，动的两种方式，但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，动的两种方式，但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，动的两种方式，但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了显得黯然失色了显得黯然失色了显得黯然失色了第一朵乌云出现在光的波动理论上，第二朵乌云第一朵乌云出现在光的波动理论上，第二朵乌云第一朵乌云出现在光的波动理论上，第二朵乌云第一朵乌云出现在光的波动理论上，第二朵

5、乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦出现在关于能量均分的麦克斯韦出现在关于能量均分的麦克斯韦出现在关于能量均分的麦克斯韦- - - -玻尔兹曼理论上。玻尔兹曼理论上。玻尔兹曼理论上。玻尔兹曼理论上。 正是这正是这正是这正是这“两朵乌云两朵乌云两朵乌云两朵乌云”和和和和“三大实验发现三大实验发现三大实验发现三大实验发现”引起了引起了引起了引起了“物理学革命物理学革命物理学革命物理学革命”。2现代物理学革命第一节第一节 1919、2020世纪之交物理学三大发现世纪之交物理学三大发现 vX射线的发现射线的发现 v放射性的发现放射性的发现 v电子的发现电子的发现3现代物理学革命现代物理学革命的开始v189

6、51895年，物理学已经有了相当的发展，几个主要部门年，物理学已经有了相当的发展，几个主要部门-牛牛顿力学、热力学和分子运动论、电磁学和光学，都已经建顿力学、热力学和分子运动论、电磁学和光学，都已经建立了完整的理论，在应用上也取得了巨大成果。这时物理立了完整的理论，在应用上也取得了巨大成果。这时物理学家普遍认为，物理学已经发展到顶了，以后的任务无非学家普遍认为，物理学已经发展到顶了，以后的任务无非是在细节上作些补充和修正而已，没有太多的事好做了。是在细节上作些补充和修正而已，没有太多的事好做了。vX X射线的发现唤醒了沉睡的物理学界。它像一声春雷，引发射线的发现唤醒了沉睡的物理学界。它像一声春

7、雷，引发了一系列重大发现，把人们的注意力引向更深入、更广阔了一系列重大发现，把人们的注意力引向更深入、更广阔的天地，从而揭开了现代物理学革命的序幕。的天地，从而揭开了现代物理学革命的序幕。4现代物理学革命关于阴极射线本性的争论关于阴极射线本性的争论1.X1.X1.X1.X射线的发现起源于对阴极射线的研究，射线的发现起源于对阴极射线的研究，射线的发现起源于对阴极射线的研究，射线的发现起源于对阴极射线的研究，1856185618561856年德国盖斯勒年德国盖斯勒年德国盖斯勒年德国盖斯勒放电管的发明为研究真空放电现象提供了实验手段；放电管的发明为研究真空放电现象提供了实验手段；放电管的发明为研究真

8、空放电现象提供了实验手段；放电管的发明为研究真空放电现象提供了实验手段；1859185918591859年德国普吕克发现了放电管阴极发出的绿色辉光，年德国普吕克发现了放电管阴极发出的绿色辉光，年德国普吕克发现了放电管阴极发出的绿色辉光，年德国普吕克发现了放电管阴极发出的绿色辉光，1876187618761876年年年年德国戈尔茨坦指出绿色辉光是由阴极的某种射线引起的，德国戈尔茨坦指出绿色辉光是由阴极的某种射线引起的，德国戈尔茨坦指出绿色辉光是由阴极的某种射线引起的，德国戈尔茨坦指出绿色辉光是由阴极的某种射线引起的，命名为命名为命名为命名为“阴极射线阴极射线阴极射线阴极射线”。2.2.2.2.围

9、绕阴极射线的本性究竟是光波还是粒子，德国和英国科围绕阴极射线的本性究竟是光波还是粒子，德国和英国科围绕阴极射线的本性究竟是光波还是粒子，德国和英国科围绕阴极射线的本性究竟是光波还是粒子，德国和英国科学家展开了争论，最终导致了物理学的三大实验发现。学家展开了争论，最终导致了物理学的三大实验发现。学家展开了争论，最终导致了物理学的三大实验发现。学家展开了争论，最终导致了物理学的三大实验发现。5现代物理学革命一、一、X X射线的发现射线的发现1895189518951895年年年年11111111月月月月10101010日，德国物理学家伦琴（日，德国物理学家伦琴（日，德国物理学家伦琴（日，德国物理学

10、家伦琴（RontgenRontgenRontgenRontgen，1854-19231854-19231854-19231854-1923）在做阴极射线实验时，偶然发现）在做阴极射线实验时，偶然发现）在做阴极射线实验时，偶然发现）在做阴极射线实验时，偶然发现了一种新的辐射，它能轻易穿透一些如纸张之了一种新的辐射，它能轻易穿透一些如纸张之了一种新的辐射，它能轻易穿透一些如纸张之了一种新的辐射，它能轻易穿透一些如纸张之类不透明的物质。伦琴把它叫做类不透明的物质。伦琴把它叫做类不透明的物质。伦琴把它叫做类不透明的物质。伦琴把它叫做X X X X射线射线射线射线。6现代物理学革命偶然性？偶然性？ X

11、X X X射线的发现过程在物理学史上是一个必然性通射线的发现过程在物理学史上是一个必然性通射线的发现过程在物理学史上是一个必然性通射线的发现过程在物理学史上是一个必然性通过偶然性开辟道路的典型例证。过偶然性开辟道路的典型例证。过偶然性开辟道路的典型例证。过偶然性开辟道路的典型例证。在伦琴之前，英国克鲁克斯等人曾遇见过它，但在伦琴之前，英国克鲁克斯等人曾遇见过它，但在伦琴之前，英国克鲁克斯等人曾遇见过它，但在伦琴之前，英国克鲁克斯等人曾遇见过它，但均因疏忽而与重大发现擦肩而过。均因疏忽而与重大发现擦肩而过。均因疏忽而与重大发现擦肩而过。均因疏忽而与重大发现擦肩而过。伦琴因发现伦琴因发现伦琴因发现

12、伦琴因发现X X X X射线荣获射线荣获射线荣获射线荣获1901190119011901年的首次颁发的诺贝年的首次颁发的诺贝年的首次颁发的诺贝年的首次颁发的诺贝尔物理学奖。尔物理学奖。尔物理学奖。尔物理学奖。7现代物理学革命二、放射性的发现二、放射性的发现伦琴发现的伦琴发现的伦琴发现的伦琴发现的X X X X射线引起法国物理学家贝克勒尔射线引起法国物理学家贝克勒尔射线引起法国物理学家贝克勒尔射线引起法国物理学家贝克勒尔（A.H. Becquerel, 1852 -1908A.H. Becquerel, 1852 -1908A.H. Becquerel, 1852 -1908A.H. Becqu

13、erel, 1852 -1908）的兴趣。）的兴趣。）的兴趣。）的兴趣。因为伦琴是通过荧光材料所发出的荧光而发现因为伦琴是通过荧光材料所发出的荧光而发现因为伦琴是通过荧光材料所发出的荧光而发现因为伦琴是通过荧光材料所发出的荧光而发现X X X X射射射射线的，所以贝克勒尔想知道是否有荧光材料放出线的，所以贝克勒尔想知道是否有荧光材料放出线的，所以贝克勒尔想知道是否有荧光材料放出线的，所以贝克勒尔想知道是否有荧光材料放出X X X X射线。射线。射线。射线。8现代物理学革命太阳光下实验太阳光下实验1896189618961896年年年年2 2 2 2月，贝克勒尔把感光片包在黑纸里放到太阳月，贝克

14、勒尔把感光片包在黑纸里放到太阳月，贝克勒尔把感光片包在黑纸里放到太阳月，贝克勒尔把感光片包在黑纸里放到太阳下，再把荧光物质的晶体压在上面。下，再把荧光物质的晶体压在上面。下，再把荧光物质的晶体压在上面。下，再把荧光物质的晶体压在上面。他的设想是：他的设想是：他的设想是：他的设想是：太阳光照射晶体产生荧光，如果荧光中太阳光照射晶体产生荧光，如果荧光中太阳光照射晶体产生荧光，如果荧光中太阳光照射晶体产生荧光，如果荧光中有有有有X X X X射线，那么它就能穿透黑纸使底片暴光。射线，那么它就能穿透黑纸使底片暴光。射线，那么它就能穿透黑纸使底片暴光。射线，那么它就能穿透黑纸使底片暴光。结果：结果：结果

15、：结果：底片冲洗后，上面有了阴影。这证明有放射线底片冲洗后，上面有了阴影。这证明有放射线底片冲洗后，上面有了阴影。这证明有放射线底片冲洗后，上面有了阴影。这证明有放射线穿透了黑纸，贝克勒尔断定荧光确实放出穿透了黑纸，贝克勒尔断定荧光确实放出穿透了黑纸，贝克勒尔断定荧光确实放出穿透了黑纸，贝克勒尔断定荧光确实放出X X X X射线。射线。射线。射线。9现代物理学革命阴天的实验阴天的实验贝克勒尔只好把包好的底片放进抽屉，上面还是贝克勒尔只好把包好的底片放进抽屉，上面还是贝克勒尔只好把包好的底片放进抽屉，上面还是贝克勒尔只好把包好的底片放进抽屉，上面还是压着那块荧光物质的晶体。压着那块荧光物质的晶体

16、。压着那块荧光物质的晶体。压着那块荧光物质的晶体。结果：底片上有很多的阴影。显然，这阴影与太结果：底片上有很多的阴影。显然，这阴影与太结果：底片上有很多的阴影。显然，这阴影与太结果：底片上有很多的阴影。显然，这阴影与太阳无关、与荧光无关，而与晶体本身有关。阳无关、与荧光无关，而与晶体本身有关。阳无关、与荧光无关，而与晶体本身有关。阳无关、与荧光无关，而与晶体本身有关。贝克勒尔用的晶体是一种铀的化合物贝克勒尔用的晶体是一种铀的化合物贝克勒尔用的晶体是一种铀的化合物贝克勒尔用的晶体是一种铀的化合物硫酸双硫酸双硫酸双硫酸双氧铀钾，这样他便发现了铀能自发辐射出能量。氧铀钾，这样他便发现了铀能自发辐射出

17、能量。氧铀钾，这样他便发现了铀能自发辐射出能量。氧铀钾，这样他便发现了铀能自发辐射出能量。居里夫人在居里夫人在居里夫人在居里夫人在18981898年把这种现象命名为放射性。年把这种现象命名为放射性。年把这种现象命名为放射性。年把这种现象命名为放射性。10现代物理学革命X X X X射线和铀的放射性激发了居里夫人（射线和铀的放射性激发了居里夫人（射线和铀的放射性激发了居里夫人（射线和铀的放射性激发了居里夫人（Marie Marie Marie Marie CurieCurieCurieCurie，1867-19341867-19341867-19341867-1934）对放射线的研究兴趣。）对放

18、射线的研究兴趣。）对放射线的研究兴趣。）对放射线的研究兴趣。居里夫人首先证实了贝克勒尔关于铀盐辐射的强居里夫人首先证实了贝克勒尔关于铀盐辐射的强居里夫人首先证实了贝克勒尔关于铀盐辐射的强居里夫人首先证实了贝克勒尔关于铀盐辐射的强度与化合物中铀的含量成正比的结论，但她不满度与化合物中铀的含量成正比的结论，但她不满度与化合物中铀的含量成正比的结论，但她不满度与化合物中铀的含量成正比的结论，但她不满足于局限在铀盐，决定对已知的各种元素进行普足于局限在铀盐，决定对已知的各种元素进行普足于局限在铀盐，决定对已知的各种元素进行普足于局限在铀盐，决定对已知的各种元素进行普查。查。查。查。11现代物理学革命钋

19、和镭的发现钋和镭的发现1898189818981898年年年年7 7 7 7月居里夫妇从铀矿中分离出放射性比铀强月居里夫妇从铀矿中分离出放射性比铀强月居里夫妇从铀矿中分离出放射性比铀强月居里夫妇从铀矿中分离出放射性比铀强数百倍的物质。向巴黎科学院提交数百倍的物质。向巴黎科学院提交数百倍的物质。向巴黎科学院提交数百倍的物质。向巴黎科学院提交“论沥青铀矿中论沥青铀矿中论沥青铀矿中论沥青铀矿中的一种新物质的一种新物质的一种新物质的一种新物质”， 命名为命名为命名为命名为“钋钋钋钋” ” ” ” PoloniumPoloniumPoloniumPolonium（Poland)Poland)Poland

20、)Poland)1898189818981898年年年年12121212月居里夫妇检测出了放射性更强的物质，月居里夫妇检测出了放射性更强的物质，月居里夫妇检测出了放射性更强的物质，月居里夫妇检测出了放射性更强的物质，并把它命名为镭。并把它命名为镭。并把它命名为镭。并把它命名为镭。 1902190219021902年他们经过了无数次的结年他们经过了无数次的结年他们经过了无数次的结年他们经过了无数次的结晶处理，终于成功地制出晶处理，终于成功地制出晶处理，终于成功地制出晶处理，终于成功地制出0.10.10.10.1克的克的克的克的镭镭镭镭。12现代物理学革命因对放射线的研究，因对放射线的研究，因对放

21、射线的研究，因对放射线的研究，1903190319031903年居里夫人和她的丈年居里夫人和她的丈年居里夫人和她的丈年居里夫人和她的丈夫、贝克勒尔分享了该年度的诺贝尔物理学奖；夫、贝克勒尔分享了该年度的诺贝尔物理学奖；夫、贝克勒尔分享了该年度的诺贝尔物理学奖；夫、贝克勒尔分享了该年度的诺贝尔物理学奖；1911191119111911年她又因发现两种新元素而获得诺贝尔化年她又因发现两种新元素而获得诺贝尔化年她又因发现两种新元素而获得诺贝尔化年她又因发现两种新元素而获得诺贝尔化学奖。学奖。学奖。学奖。13现代物理学革命放射性物质发现的重要意义放射性物质发现的重要意义一是要判明放出的射线是什么？一是

22、要判明放出的射线是什么？二是查清物质放出射线以后变成了什么？二是查清物质放出射线以后变成了什么？14现代物理学革命放射性物质发现的重要意义放射性物质发现的重要意义18981898年，卢瑟福年，卢瑟福(E. Rutherford)(E. Rutherford)通过吸收实验证明铀辐射穿通过吸收实验证明铀辐射穿透力弱的称为透力弱的称为射线，穿透力强的称为射线，穿透力强的称为射线。射线。18991899年，贝克勒尔证实年，贝克勒尔证实射线能被磁场偏转，其行为与阴极射线能被磁场偏转，其行为与阴极射线相似。射线相似。19001900年，法国化学家维拉德年，法国化学家维拉德(P.Villard)(P.Vil

23、lard)发现在铀辐射中还有发现在铀辐射中还有另一种成分，穿透力更强，称为另一种成分，穿透力更强，称为射线。射线。从从19021902年起，卢瑟福和索第年起，卢瑟福和索第(F(FSoddy)Soddy)等人研究。射线和放等人研究。射线和放射性物质的规律，终于导致射性物质的规律，终于导致原子核嬗变规律和原子核的发现原子核嬗变规律和原子核的发现。15现代物理学革命三、电子的发现三、电子的发现v阴极射线：大的波动还是带电粒子流？vJ.J.汤姆生(J.J.Thomson)直接测阴极射线携带的电荷 使阴极射线受静电偏转 用不同方法测阴极射线的荷质比 证明电子存在的普遍性 16现代物理学革命JJ汤姆生把联

24、到静电计的电荷接受器(法拉第圆桶)安装在真空管的一侧，平时没有电荷进入接收器。用磁场使射线偏折，当磁场达到某一值时，接收器接收到的电荷猛增，说明电荷来自阴极射线。直接测阴极射线携带的电荷17现代物理学革命使阴极射线受静电偏转 汤姆生重复了赫兹的静电场偏转实验，注意到在刚加上电压汤姆生重复了赫兹的静电场偏转实验，注意到在刚加上电压的瞬间，射束轻微摆动。这是由于残余气体分子在电场的作的瞬间，射束轻微摆动。这是由于残余气体分子在电场的作用下发生了电离，正负离子把电极上射线所带电荷的实验装用下发生了电离，正负离子把电极上射线所带电荷的实验装置的电压抵消掉了。显然这是由于真空度不够高的原因。置的电压抵消

25、掉了。显然这是由于真空度不够高的原因。他在实验室技师的协助下努力改善真空条件，并且减小极间他在实验室技师的协助下努力改善真空条件，并且减小极间电压，终于获得了稳定的静电偏转。电压，终于获得了稳定的静电偏转。18现代物理学革命用不同方法测阴极射线的荷质比用不同方法测阴极射线的荷质比 测量阳极的温升，因为阴极射线撞击到阳极，会引起阳极的温度升高。JJ汤姆生把热电偶接到阳极，测量它的温度变化。根据温升和阳极的热容量可以计算粒子的动能，再从阴极射线在磁场中偏转的曲率半径，推算出阴极射线的荷质比与速度。19现代物理学革命汤姆生还用不同的阴极和不同的气体做实验，所汤姆生还用不同的阴极和不同的气体做实验，所

26、得荷质比数量级相同，证明各种条件下的粒子流得荷质比数量级相同，证明各种条件下的粒子流都是相同的，不因电极材料和气体成分而异。都是相同的，不因电极材料和气体成分而异。ThomsonThomson被认为是电子的发现者，并因此获得被认为是电子的发现者，并因此获得19061906年诺贝尔物理学奖。此后他的七个助手先后都获年诺贝尔物理学奖。此后他的七个助手先后都获得过诺贝尔奖。得过诺贝尔奖。 证明电子存在的普遍性证明电子存在的普遍性20现代物理学革命三大实验发现诱发了经典物理学危机三大实验发现诱发了经典物理学危机v三大实验发现打开了经典物理学的缺口三大实验发现打开了经典物理学的缺口三大实验发现打开了经典

27、物理学的缺口三大实验发现打开了经典物理学的缺口原来认为原子是不可分割的最小质点现在从原子里发现了原来认为原子是不可分割的最小质点现在从原子里发现了原来认为原子是不可分割的最小质点现在从原子里发现了原来认为原子是不可分割的最小质点现在从原子里发现了电子、电子、电子、电子、X X X X射线和射线和射线和射线和射线；射线；射线；射线；原来认为元素是固定不变的，但放射现象表明一种元素可原来认为元素是固定不变的，但放射现象表明一种元素可原来认为元素是固定不变的，但放射现象表明一种元素可原来认为元素是固定不变的，但放射现象表明一种元素可蜕变为另一种元素；蜕变为另一种元素；蜕变为另一种元素；蜕变为另一种元

28、素；原来认为物质的质量与运动无关，现今电子的质量随运动原来认为物质的质量与运动无关，现今电子的质量随运动原来认为物质的质量与运动无关，现今电子的质量随运动原来认为物质的质量与运动无关，现今电子的质量随运动速度变化而变化，质量似乎不守恒了；速度变化而变化，质量似乎不守恒了；速度变化而变化，质量似乎不守恒了；速度变化而变化，质量似乎不守恒了；21现代物理学革命三大实验发现诱发了经典物理学危机三大实验发现诱发了经典物理学危机v三大实验发现打开了经典物理学的缺口三大实验发现打开了经典物理学的缺口三大实验发现打开了经典物理学的缺口三大实验发现打开了经典物理学的缺口原来认为能量守恒只存在于机械能、热能和电

29、能相互转化原来认为能量守恒只存在于机械能、热能和电能相互转化原来认为能量守恒只存在于机械能、热能和电能相互转化原来认为能量守恒只存在于机械能、热能和电能相互转化之中，现在一块静止的放射物质本身就是热源，即便没有之中，现在一块静止的放射物质本身就是热源，即便没有之中，现在一块静止的放射物质本身就是热源，即便没有之中，现在一块静止的放射物质本身就是热源，即便没有外力作用，能量也源源不断地向外界释放，能量好像也不外力作用，能量也源源不断地向外界释放，能量好像也不外力作用，能量也源源不断地向外界释放，能量好像也不外力作用，能量也源源不断地向外界释放，能量好像也不守恒了；守恒了；守恒了；守恒了；原来认为

30、质量和能量不搭界，现在放射性物质因能量不断原来认为质量和能量不搭界，现在放射性物质因能量不断原来认为质量和能量不搭界，现在放射性物质因能量不断原来认为质量和能量不搭界，现在放射性物质因能量不断释放，质量也不断减小。释放，质量也不断减小。释放，质量也不断减小。释放，质量也不断减小。22现代物理学革命v三大实验发现猛烈地冲击着牛顿力学的物质质三大实验发现猛烈地冲击着牛顿力学的物质质三大实验发现猛烈地冲击着牛顿力学的物质质三大实验发现猛烈地冲击着牛顿力学的物质质量、能量、动量等基本概念，经典物理学中质量、能量、动量等基本概念，经典物理学中质量、能量、动量等基本概念，经典物理学中质量、能量、动量等基本

31、概念，经典物理学中质量守恒、能量守恒、运动定律等基本定律也面量守恒、能量守恒、运动定律等基本定律也面量守恒、能量守恒、运动定律等基本定律也面量守恒、能量守恒、运动定律等基本定律也面临严峻考验。临严峻考验。临严峻考验。临严峻考验。v面对物理学危机，一些抱残守缺的物理学家悲面对物理学危机，一些抱残守缺的物理学家悲面对物理学危机，一些抱残守缺的物理学家悲面对物理学危机，一些抱残守缺的物理学家悲观失望，唯心主义趁虚而入。观失望，唯心主义趁虚而入。观失望，唯心主义趁虚而入。观失望，唯心主义趁虚而入。三大实验发现诱发了经典物理学危机三大实验发现诱发了经典物理学危机23现代物理学革命第二节第二节 量子物理学

32、的研究量子物理学的研究量子理论（扎扎实实的科学作风）量子理论（扎扎实实的科学作风）量子力学（现代高科技的基石之一）量子力学（现代高科技的基石之一） 24现代物理学革命原子模型原子模型汤姆逊原子模型汤姆逊原子模型 正正电荷背景电子（正电电荷背景电子（正电荷背景（正电荷均匀分荷背景（正电荷均匀分布），电子镶嵌）布），电子镶嵌） 卢瑟福原子模型卢瑟福原子模型 （行星（行星模型或核式模型）模型或核式模型） 一、原子模型与量子理论一、原子模型与量子理论25现代物理学革命原子模型原子模型玻尔原子模型玻尔原子模型( (玻尔假说玻尔假说) )：原子核外电子各自在原子核外电子各自在固定轨道上绕核转动，固定轨道上

33、绕核转动，且无电磁辐射；当电子且无电磁辐射；当电子从一轨道跃迁到另一轨从一轨道跃迁到另一轨道时，放出（或吸出）道时，放出（或吸出）能量为的光子能量为的光子, , 其中其中为光子频率。为光子频率。h = 6.6310-34焦耳秒 普朗克常数26现代物理学革命二、量子论的发展过程二、量子论的发展过程 普朗克黑体辐射假说：普朗克黑体辐射假说：电磁辐射的能量交换是量电磁辐射的能量交换是量子化的，即子化的，即 ，n = 1n = 1，2 2，3 3，光电效应光电效应（爱因斯坦,1905年）：光是由无静止质光是由无静止质量的微粒（光子）组成的。量的微粒（光子）组成的。 德布罗意波粒二象性假说德布罗意波粒二

34、象性假说 ：任何微观粒子既是一任何微观粒子既是一种粒子，又是一种波动。种粒子，又是一种波动。27现代物理学革命（一）量子论的初期 1、普朗克能量子假说19001900年普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难，年普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难，引入了引入了能量子概念能量子概念，为量子理论奠下了基石。，为量子理论奠下了基石。 “紫外灾难紫外灾难”：科学家们致力于建立辐射强度与光波长之间科学家们致力于建立辐射强度与光波长之间的函数关系。但在长波区和实验结果符合，而当波长接近紫的函数关系。但在长波区和实验结果符合，而当波长接近紫外时，计算出的能量为无限大外时，计算出的能量为无限大!

35、 ! 普朗克认为物体在发射辐射和吸收辐射时，能量是不连续的，普朗克认为物体在发射辐射和吸收辐射时，能量是不连续的，这种分离变化不是随意的，它有最小的能量单元，该单元称这种分离变化不是随意的，它有最小的能量单元，该单元称为能量子或者量子。物体发射和吸收的能量只能是能量子的为能量子或者量子。物体发射和吸收的能量只能是能量子的整数倍。整数倍。28现代物理学革命2、爱因斯坦光量子论、爱因斯坦光量子论爱因斯坦针对爱因斯坦针对光电效应实验光电效应实验与经典理论的矛盾，提出了光量与经典理论的矛盾，提出了光量子假说，并在固体比热问题上成功地运用了能量子概念，为子假说，并在固体比热问题上成功地运用了能量子概念，

36、为量子理论的发展打开了局面。量子理论的发展打开了局面。 爱因斯坦认为，能量的不连续性可以推广到辐射的空间传播爱因斯坦认为，能量的不连续性可以推广到辐射的空间传播过程。光在传播时，能量不连续地分布于空间，由分离的能过程。光在传播时，能量不连续地分布于空间，由分离的能量子组成，这些能量子称为光量子。量子组成，这些能量子称为光量子。爱因斯坦认为他的光量子理论是波动及发射理论的一种融合。爱因斯坦认为他的光量子理论是波动及发射理论的一种融合。19091909年他进一步指出光不仅具有粒子性而且具有波动性，即年他进一步指出光不仅具有粒子性而且具有波动性，即光具有波粒二象性。光具有波粒二象性。29现代物理学革

37、命3、玻尔的原子理论玻尔的原子理论 19131913年，玻尔在卢瑟福有核模型的基础上运用量子年，玻尔在卢瑟福有核模型的基础上运用量子化概念，提出化概念，提出玻尔的原子理论玻尔的原子理论，对氢光谱作出了满，对氢光谱作出了满意的解释，使量子论取得了初步胜利。随后，玻尔、意的解释，使量子论取得了初步胜利。随后，玻尔、索末菲和其他物理学家为发展量子理论花了很大力索末菲和其他物理学家为发展量子理论花了很大力气，却遇到了严重困难。旧量子论陷入困境。气，却遇到了严重困难。旧量子论陷入困境。 30现代物理学革命（二）量子论的建立 19231923年，德布罗意提出了物质波假说，将年，德布罗意提出了物质波假说，将

38、波粒二象性波粒二象性运运用于电子之类的粒子束，把量子论发展到一个新的高度。用于电子之类的粒子束，把量子论发展到一个新的高度。19251925年年-1926-1926年薛定谔率先沿着物质波概念成功地确立了年薛定谔率先沿着物质波概念成功地确立了电子的波动方程，为量子理论找到了一个基本公式，并电子的波动方程，为量子理论找到了一个基本公式，并由此创建了由此创建了波动力学波动力学。几乎与薛定谔同时，海森伯写出了以几乎与薛定谔同时，海森伯写出了以“关于运动学和力关于运动学和力学关系的量子论的重新解释学关系的量子论的重新解释”为题的论文，创立了解决为题的论文，创立了解决量子波动理论的矩阵方法。量子波动理论的

39、矩阵方法。31现代物理学革命德布罗意于德布罗意于19241924年提出，微年提出，微观粒子也具有波动性，根据观粒子也具有波动性，根据光波与光子之间的关系，把光波与光子之间的关系，把微观粒子的粒子性质（能量微观粒子的粒子性质（能量E E和动量和动量p p）与波动性质（频）与波动性质（频率率和波长和波长）用所谓德布）用所谓德布罗意关系联系起来了，即罗意关系联系起来了，即 E= E= hh，p=p=h/h/。 波粒二象性波粒二象性32现代物理学革命（二）量子论的建立 19251925年年9 9月，玻恩与另一位物理学家约丹合作，将海森伯月，玻恩与另一位物理学家约丹合作，将海森伯的思想发展成为系统的矩阵

40、力学理论。不久，狄拉克改的思想发展成为系统的矩阵力学理论。不久，狄拉克改进了进了矩阵力学矩阵力学的数学形式，使其成为一个概念完整、逻的数学形式，使其成为一个概念完整、逻辑自洽的理论体系。辑自洽的理论体系。19261926年薛定谔发现波动力学和矩阵力学从数学上是完全年薛定谔发现波动力学和矩阵力学从数学上是完全等价的，由此统称为量子力学，而薛定谔的波动方程由等价的，由此统称为量子力学，而薛定谔的波动方程由于比海森伯的矩阵更易理解，成为量子力学的基本方程。于比海森伯的矩阵更易理解，成为量子力学的基本方程。 33现代物理学革命三、量子力学基本方程薛定谔方程 适用于一切微观低速物理现象：适用于一切微观低

41、速物理现象： 原子结构，元素周期律，分子结构，化学反应，原子分子原子结构，元素周期律，分子结构，化学反应，原子分子光谱，激光，超导，晶体管，介观纳米物理，原子激光光谱，激光，超导，晶体管，介观纳米物理，原子激光. . 34现代物理学革命四、量子理论的科学思想四、量子理论的科学思想 量子论是现代物理学的两大基石之一。量子论是现代物理学的两大基石之一。量子论给我们提供了新的关于自然界的表述方法和思考方法。量子论给我们提供了新的关于自然界的表述方法和思考方法。量子论揭示了微观物质世界的基本规律，为原子物理学、固体量子论揭示了微观物质世界的基本规律，为原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学奠定了

42、理论基础。物理学、核物理学和粒子物理学奠定了理论基础。它能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性它能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收与辐射等。质、光的吸收与辐射等。 35现代物理学革命四、量子理论的科学思想四、量子理论的科学思想扎扎实实的科学作风，扎实基础，扎扎实实的科学作风，扎实基础， 厚积广积，切莫急功近利厚积广积，切莫急功近利 ！科学研究有其自身的规律：科学研究有其自身的规律：先基础先基础，后突破后突破，成就以基础为前成就以基础为前提提，在成就突破过程中完善和丰厚研究者的基础。基本功扎实在成就突破过程中完善和丰厚研究者的基础。基本功扎实的程度直接

43、决定了突破的可能性和成就的分量；反之，从成就的程度直接决定了突破的可能性和成就的分量；反之，从成就的分量也可以一目了然地看出研究者基本功的扎实程度。的分量也可以一目了然地看出研究者基本功的扎实程度。科学的否定观：科学的否定观：量子力学在低速微观领域中对牛顿力学的否定，量子力学在低速微观领域中对牛顿力学的否定，用事实证实了观点，客观、扬弃和创新。用事实证实了观点，客观、扬弃和创新。36现代物理学革命第三节第三节 相对论与时空观相对论与时空观Albert Einstein in 1916 37现代物理学革命1、伽利略相对性原理、伽利略相对性原理1632年伽利略关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话。

44、对于力学规律来说一切惯性系都是等价的。不可能在惯性系内部进行任何力学实验来确定该系统作匀速直线运动的速度。一、狭义相对论一、狭义相对论38现代物理学革命2、“以太”概念的消除光速不变经典物理学绝对空间的根基：以太1887年迈莫实验出现零结果。1889年，菲茨杰拉德提出物体长度沿运动方向收缩。1892年，荷兰物理学家洛仑兹也独立地提出了类似的假说，并给出了著名的洛仑兹变换。 1905年，爱因斯坦：以太概念不必要，光速不变，同时性是相对的 。39现代物理学革命狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 光速不变：光速不变：光在光在不同介质中的传不同介质中的传播速度是可以不播速度是可以不一样的一样的

45、相对性：相对性：所有的物理所有的物理规律在不同的惯性参规律在不同的惯性参照系中是一样的照系中是一样的 40现代物理学革命3、相对论时空观同时的相对性运动的钟变慢运动的长度缩短 41现代物理学革命同时的相对性同时的相对性 时间延缓时间延缓 4、狭义相对论的主要推论、狭义相对论的主要推论 42现代物理学革命4、狭义相对论主要推论相对论质量在任何惯性系中，物体的运动速度不能超越光速。光速是物质运动的极限速度。如果物体运动速度比光速小很多，相对论力学就还原为牛顿力学。质能关系m= g m0 粒子的总能量为：E=mc2粒子的静止能量为：E0=m0c243现代物理学革命质能关系 在化学反应中，例如氢与氧结

46、合生成水，水的质量等于在化学反应中，例如氢与氧结合生成水，水的质量等于参加反应的氢和氧的质量之和。在反应中放出的热量，参加反应的氢和氧的质量之和。在反应中放出的热量，被认为是氢和氧原子中储存的化学能，在整个反应过程被认为是氢和氧原子中储存的化学能，在整个反应过程中，能量和质量分别守恒。中，能量和质量分别守恒。爱因斯坦要使物体运动定律既满足相对性原理，又要求爱因斯坦要使物体运动定律既满足相对性原理，又要求低速下与牛顿定律一致，得到了一个令人意外的结果低速下与牛顿定律一致，得到了一个令人意外的结果。44现代物理学革命二、广义相对论物质存在的现实空间不是平坦的，而是弯曲的，空间弯曲的程度（曲率）取决

47、于物质的质量及其分布状况；空间曲率体现为引力场的强度。它实质上是一种引力理论，认为万有引力的产生由于物质的存在和一定的分布状况使时间和空间的性质变得不均（即时空弯曲）所致。45现代物理学革命1、广义相对论的基本原理 等效原理等效原理非惯性系与一个引力场等效。非惯性系与一个引力场等效。 （引力场对物体的引力作用和物体的加速运动（引力场对物体的引力作用和物体的加速运动是等效的。是等效的。 ）广义相对论原理广义相对论原理自然法则自然法则（物理学基本规（物理学基本规律）在所有的参考系中都是相同的。律）在所有的参考系中都是相同的。 46现代物理学革命2、广义相对论的主要结论、广义相对论的主要结论47现代

48、物理学革命3 3、广义相对论的验证、广义相对论的验证48现代物理学革命4、相对论的实际应用、相对论的实际应用 全球定位系统（全球定位系统（GPSGPS）：）：GPS卫星星座、地面监控系统和用户设备。 49现代物理学革命4、相对论的实际应用、相对论的实际应用北京时间北京时间20032003年年5 5月月2525日零时日零时3434分，我国在西昌卫星发射分，我国在西昌卫星发射中心用中心用“长征三号甲长征三号甲”运载火箭，成功地将第三颗运载火箭，成功地将第三颗“北斗北斗一号一号”导航定位卫星送入太空。导航定位卫星送入太空。 欧盟于年提出了旨在建立全球卫星定位导航系统欧盟于年提出了旨在建立全球卫星定位

49、导航系统的的“伽利略伽利略”计划。该系统由颗运行卫星和颗预备计划。该系统由颗运行卫星和颗预备卫星组成，可以覆盖全球，预计将在年投入使用。卫星组成，可以覆盖全球，预计将在年投入使用。“伽利略伽利略”计划的投资总额估计高达亿欧元。计划的投资总额估计高达亿欧元。 50现代物理学革命三、相对论的时空观三、相对论的时空观 牛顿的绝对时空观认为时间和空间是绝对的、均匀的，牛顿的绝对时空观认为时间和空间是绝对的、均匀的，相互独立的。相互独立的。根据相对论根据相对论, ,时间和空间是相对的。即在不同的参照系时间和空间是相对的。即在不同的参照系时间是不同的，物体的形状，质量等都是不同的。时间是不同的，物体的形状

50、，质量等都是不同的。 “横看成岭侧成峰，远近高低各不同。横看成岭侧成峰，远近高低各不同。”（苏轼（苏轼题题西林壁西林壁）51现代物理学革命三、相对论的时空观三、相对论的时空观 时间与空间不仅是相对的、相互关联的。时间与空间不仅是相对的、相互关联的。而且与物质存在有关，与观察者的运动状态有关而且与物质存在有关，与观察者的运动状态有关一个参照系中的所有钟都校准了，即相互同步的，一个参照系中的所有钟都校准了，即相互同步的，在另一参照系看这些不同地点的钟都不同步了。在另一参照系看这些不同地点的钟都不同步了。52现代物理学革命四、相对论四、相对论:演绎法的典范演绎法的典范 从一般到特殊的逻辑过程。从一般

51、到特殊的逻辑过程。从一般的原理推知某个从属于该类事物的特殊事物的新知。从一般的原理推知某个从属于该类事物的特殊事物的新知。相对论的基本原理相对论的基本原理是从更高层次的基本理念出发的假设，是是从更高层次的基本理念出发的假设，是在极少量的实验事实的启发下，依据其对世界、宇宙的认识在极少量的实验事实的启发下，依据其对世界、宇宙的认识理念（如世界的可认识性、客观规律的简单性、对称性或美理念（如世界的可认识性、客观规律的简单性、对称性或美学原则等）得出的学原则等）得出的53现代物理学革命第四节第四节 物理学在未来科技和社会中的作用物理学在未来科技和社会中的作用 （1 1）纯物理学）纯物理学研究物质的存

52、在及其运动规律。 目的：认识世界研究新物质、发现新现象、发展新概念、建立新理论-开拓新的学科领域54现代物理学革命第四节第四节 物理学在未来科技和社会中的作用物理学在未来科技和社会中的作用(2)(2)应用物理学应用物理学 已发现的规律已发现的规律-应用物理应用物理-开发开发-工程工程力学力学-机械学、结构学机械学、结构学 （建筑，桥梁设计）（建筑，桥梁设计）电学电学-电工学电工学-电气化电气化光学光学-应用光学应用光学-光学工程光学工程电子学电子学-电子工程电子工程-信息科学信息科学量子论，相对论量子论，相对论-核物理核物理-原子弹、核能的利用交叉作用、原子弹、核能的利用交叉作用、发展发展 5

53、5现代物理学革命物理学物理学 =应用物理学=工程技术工程技术 物理学物理学 =自然科学 =社会科学社会科学 20 世纪物理学的辉煌56现代物理学革命一、物理学与核能工程技术一、物理学与核能工程技术 57现代物理学革命19世纪末，相继发现了世纪末，相继发现了x射线、放射性和电子射线、放射性和电子 1911年卢瑟福提出了原子的核式模型年卢瑟福提出了原子的核式模型 1913年玻尔完善了原子结构理论年玻尔完善了原子结构理论 1905年爱因斯坦提出了相对性理论；提出了四维时空的年爱因斯坦提出了相对性理论；提出了四维时空的新概念新概念 ;提出了质能关系及其著名表达式提出了质能关系及其著名表达式E=mc2

54、20世纪初叶，是物理学革命的年代世纪初叶，是物理学革命的年代。原子核物理学的新发现与核工程技术原子核物理学的新发现与核工程技术58现代物理学革命1932年，查德威克发现中子年，查德威克发现中子;海森堡和伊凡宁柯分别海森堡和伊凡宁柯分别独立提出了原子核由质子和中子组成的模型独立提出了原子核由质子和中子组成的模型 1934年约里奥年约里奥-居里夫妇成功地用人工方法产生了放射性同位素居里夫妇成功地用人工方法产生了放射性同位素 1939年哈恩和斯特拉斯曼在实验上发现中子轰击年哈恩和斯特拉斯曼在实验上发现中子轰击下的铀核裂变以及梅特纳和弗里什的理论解释下的铀核裂变以及梅特纳和弗里什的理论解释 原子核物理

55、学的新发现与核工程技术原子核物理学的新发现与核工程技术59现代物理学革命u对核结构和质量的研究，使人们认识到原子核结合对核结构和质量的研究，使人们认识到原子核结合能随原子量变化的规律能随原子量变化的规律：一个重核分裂成两个中等质量的核时，会释放能量；一个重核分裂成两个中等质量的核时，会释放能量；某些轻核聚合成一个较重的核时，会释放能量；某些轻核聚合成一个较重的核时，会释放能量；lE= MC2 M-质量亏损，质量亏损，l一次核聚变时放出的能量要比核裂变时大四倍以上。一次核聚变时放出的能量要比核裂变时大四倍以上。原子核物理学的新发现与核工程技术原子核物理学的新发现与核工程技术60现代物理学革命原子

56、核物理的发现，奠定了原子核物理的发现，奠定了裂变核能裂变核能与与聚变核聚变核能能应用的基础。应用的基础。核能应用的实现还必须进一步解决一系列核能应用的实现还必须进一步解决一系列应用应用物理学物理学和和工程技术工程技术上的问题。上的问题。 原子核物理学的新发现与核工程技术原子核物理学的新发现与核工程技术61现代物理学革命二、物理学和激光技术与工程二、物理学和激光技术与工程 62现代物理学革命光物理的基础研究孕育了激光器的诞生光物理的基础研究孕育了激光器的诞生19世纪的科学家们进行了关于电磁波的卓越的研究世纪的科学家们进行了关于电磁波的卓越的研究1905年爱因斯坦提出了光量子和光电效应的概念，年爱

57、因斯坦提出了光量子和光电效应的概念，揭示了辐射的波粒二象性揭示了辐射的波粒二象性 1916年爱因斯坦提出了受激辐射的概念年爱因斯坦提出了受激辐射的概念1900年普朗克引入的能量量子的概念年普朗克引入的能量量子的概念 基础性、探基础性、探索性研究索性研究63现代物理学革命激光走向新技术的开发和工程应用阶段激光走向新技术的开发和工程应用阶段1954年研制成第一台微波激射器年研制成第一台微波激射器 1958年美国的汤斯和苏联的巴索夫及普罗霍洛夫等人提出了激光年美国的汤斯和苏联的巴索夫及普罗霍洛夫等人提出了激光的概念和理论设计的概念和理论设计 1960年美国的梅曼研制成功第一台红宝石激光器；贾万年美国

58、的梅曼研制成功第一台红宝石激光器；贾万等人研制成氦氖激光器。等人研制成氦氖激光器。我国的第一台激光器我国的第一台激光器于于1961年在长春光机所创制成功年在长春光机所创制成功 光物理的基础研究孕育了激光器的诞生光物理的基础研究孕育了激光器的诞生64现代物理学革命绚丽多彩的激光绚丽多彩的激光应用：应用：金属加工、医疗、武器、通讯、光盘信息存储、全息技术、科研 65现代物理学革命激光的高方向性例：例：口径为口径为1 mm 1 mm 的激光器，发散角的激光器，发散角 7.7107.710-4-4弧度，弧度， 如将其扩束到如将其扩束到5m5m，则，则 1.5101.510-7-7弧度。弧度。 66现代

59、物理学革命1960年人类第一支激光器诞生（谐振腔光放大 ）比太阳亮度高8个数量级(几千万倍）高亮度高亮度67现代物理学革命原子发光的量子理论原子发光的量子理论闪光法（氪灯闪光法（氪灯 ），气体放电（氦氖激光器），气体放电（氦氖激光器）激光的颜色极纯-单色性强68现代物理学革命 四十多年来，激光器的品种迅速增加：四十多年来，激光器的品种迅速增加：半导体激光器半导体激光器固体激光器（固体激光器（半导体激光泵浦半导体激光泵浦）化学激光器（化学激光器（HF/DFHF/DF激光、氧碘化学激光器、激光、氧碘化学激光器、COCO2 2激光、激光、燃料激光、氦氖激光燃料激光、氦氖激光）自由电子激光器自由电子激

60、光器x x射线激光器射线激光器准分子激光器准分子激光器金属蒸气激光器等。金属蒸气激光器等。激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响铜蒸气激光69现代物理学革命 激光器的输出水平不断提高：激光器的输出水平不断提高：中、小功率器件中、小功率器件 高功率、高能量激光器；高功率、高能量激光器； 脉冲体制从连续波、准连续波到各种短脉冲、超短脉冲脉冲体制从连续波、准连续波到各种短脉冲、超短脉冲的激光。的激光。u连续的高能激光单次输出能量已达百万焦耳以上；连续的高能激光单次输出能量已达百万焦耳以上；u超短脉冲：纳秒超短脉冲：纳秒 皮秒皮秒 费秒费秒 阿秒阿秒 脉冲功率密度则可

61、高达脉冲功率密度则可高达1020瓦瓦/cm2以上以上。 激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响70现代物理学革命p输出激光的频率覆盖着越来越广的范围：输出激光的频率覆盖着越来越广的范围：长至亚毫米（太赫兹）长至亚毫米（太赫兹）短至短至x射线射线激光也在探索中，分立的激光谱线达几千条；激光也在探索中，分立的激光谱线达几千条；p输出激光的光束质量，好的可达近衍射极限。输出激光的光束质量，好的可达近衍射极限。 激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响71现代物理学革命 激光应用的开创性表现在激光应用的开创性表现在 ： 激光光谱技术比传

62、统的分辨率提高了百万倍，灵敏度提激光光谱技术比传统的分辨率提高了百万倍，灵敏度提 高了百亿倍；高了百亿倍； 激光为信息技术开拓了丰富的频率资源；激光为信息技术开拓了丰富的频率资源；布满全球的光纤网，加上卫星通信布满全球的光纤网，加上卫星通信网，形成了信息高速公路的基础；网，形成了信息高速公路的基础；光存储、激光全息、激光照排、打光存储、激光全息、激光照排、打印及条码扫描技术等，提供了全新印及条码扫描技术等，提供了全新的多样化的信息服务。的多样化的信息服务。 激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响72现代物理学革命 激光可在很小的区域上聚焦很高的功率密度：激光可

63、在很小的区域上聚焦很高的功率密度：在工业制造中可进行精确的切削和表面改性在工业制造中可进行精确的切削和表面改性做精密的医疗手术做精密的医疗手术作用于微型靶实现激光核聚变。作用于微型靶实现激光核聚变。激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响73现代物理学革命 激光技术开辟了崭新的军事应用，包括：激光技术开辟了崭新的军事应用，包括：激光瞄准、制导、测距激光瞄准、制导、测距激光雷达激光雷达激光陀螺激光陀螺激光引信激光引信激光致盲传感器激光致盲传感器高能强激光武器等。高能强激光武器等。 激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响74现代物理

64、学革命三、物理学与宇航工程三、物理学与宇航工程 75现代物理学革命物理学为宇航奠定理论基础 宇航学的开端与物理学的进展密不可分。正宇航学的开端与物理学的进展密不可分。正是物理学的基础和现代技术的发展才使是物理学的基础和现代技术的发展才使“嫦嫦娥奔月娥奔月”的佳话和的佳话和“万户万户”航天的理想得以航天的理想得以变为现实。变为现实。76现代物理学革命17世纪世纪开普勒开普勒通过计算，发现行星沿椭圆轨道运行等通过计算，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10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

65、天历史上的一个里程碑 17世纪世纪牛顿力学牛顿力学形成体系，认识了万有引力定律形成体系，认识了万有引力定律 物理学为宇航奠定理论基础物理学为宇航奠定理论基础 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。 77现代物理学革命u 低温物理的一个光辉篇章是超导体的研究。低温物理的一个光辉篇章是超导体的研究。四、物理学与其他工程技术四、物理学与其他工程技术1911年发现超导现象年发现超导现象20世纪的最后十几年，高温超导研究取得重要进展世纪的最后十几年，高温超导研究取得重要进展1957年年BCS超导

66、理论问世超导理论问世1、物理学与超导技术、物理学与超导技术78现代物理学革命超导超导（1911年，K. Onnes） 当温度T降到一定值以下，通过各自和原子的相互作用，电子和电子之间可形成具有吸引力的电子对（Cooper pairs），导体 超导体79现代物理学革命零电阻零电阻 80现代物理学革命材料临界温度TC(K)水银(Hg)钨(W)锌(Zn)锡(Sn)铅(Pb)铌(Nb)铌三锗（Nb3Ge）4.2（1911年）0.0120.8443.727.2019.2623(1986年）81现代物理学革命迈斯纳效应（完全抗磁性）迈斯纳效应（完全抗磁性） 第一类超导体：第一类超导体： 超导内部磁场超导内

67、部磁场B B0 0 第二类超导体：第二类超导体： 磁力线在超导体内部，磁力线在超导体内部，呈点阵形式排列呈点阵形式排列 82现代物理学革命应用：v超导线（超导线（10104 4 10 105 5 安培安培/ /毫米毫米2 2）v超导电机（发电机，电动机，变压器等）超导电机（发电机，电动机，变压器等）v强磁场强磁场 15 15 特斯拉特斯拉 （核磁共振仪，加速器等）（核磁共振仪，加速器等）v磁悬浮磁悬浮 2020公斤厘米公斤厘米2 2 . . v超导计算机超导计算机 开关时间开关时间 10 10-9-9 秒秒 v广泛运用于航天、军事、生命科学等领域。广泛运用于航天、军事、生命科学等领域。 83现

68、代物理学革命 超导技术的应用：电能输送加速器应用贮能超导磁悬浮列车生物磁学医学等领域1、物理学与超导技术、物理学与超导技术84现代物理学革命2、物理学与晶体管、物理学与晶体管晶体管：晶体管：一种固体半导体器件，可以用于检波、一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。它功能。 晶体：晶体：原子按某一规律周期性地排列原子按某一规律周期性地排列 半导体：半导体：导电能力介于导体（如金、银、铜等）导电能力介于导体（如金、银、铜等）和绝缘体和绝缘体 ( (如陶瓷、橡胶、塑料等）之间的物如陶瓷、橡胶、塑料等）之间的物质。质。四

69、、物理学与其他工程技术四、物理学与其他工程技术85现代物理学革命86现代物理学革命 3 3、物理学与纳米技术、物理学与纳米技术u纳米科技是在物理与技术紧密结合的过程中发展的一个重要领域，并且很典型地体现了从量变到质变的哲学。 物理学与其他工程技术物理学与其他工程技术87现代物理学革命介质物理学介质物理学（纳米物理学） 当物理系统（或元器件）的尺寸接近电子波长时，电子的波动性开始显现，此时的电子具有相互干涉、衍射、相位记忆、自旋取向等特征，从而导致明显的量子效应。 介观系统:尺寸约10-710-9 米 （可人工制备） 88现代物理学革命u 物理学同其它学科的交叉：物理学同其它学科的交叉：l生物物

70、理学生物物理学是一个重要的研究方向。是一个重要的研究方向。l物理学与计算数学和计算机技术的交叉结合，还产生了物理学与计算数学和计算机技术的交叉结合，还产生了计计算物理学算物理学。l量子理论与信息科学与技术的交叉导致量子理论与信息科学与技术的交叉导致量子通信量子通信的概念、的概念、量子调控技术量子调控技术和和量子信息论量子信息论的产生，并迅速走向技术，包的产生，并迅速走向技术，包括新的光通信技术括新的光通信技术量子通信、光学量子计算等。量子通信、光学量子计算等。五、物理学在其他自然科学及高新技术中的应用五、物理学在其他自然科学及高新技术中的应用89现代物理学革命五、物理学在其他自然科学及高新技术

71、中的应用五、物理学在其他自然科学及高新技术中的应用 物理学与生命科学物理学与生命科学 20世纪最伟大的发现之一-DNA的双螺旋结构就是英国剑桥大学的物理学家克里克和沃森发现的。医院里最先进的设备往往也是物理学刚刚发展的技术，例如 X光机，B超，CT（计算机X射线断层扫描成像技术），核磁共振扫描仪，检测的精度越来越高。最近又有正电子成像技术；软X射线直接观察组织切片技术等。 90现代物理学革命五、物理学在其他自然科学及高新技术中的应用五、物理学在其他自然科学及高新技术中的应用 二十一世纪的计算机二十一世纪的计算机 量子计算机量子计算机 ：利用量子效应而研制的计算机，目利用量子效应而研制的计算机，

72、目前的方案：利用原子与光腔相互作用、冷阱束缚前的方案：利用原子与光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操做、超导量离子、电子或核自旋共振、量子点操做、超导量子干涉等。子干涉等。20002000年年8 8月美国月美国IBMIBM公司、斯坦福大学公司、斯坦福大学及卡加利大学的研究人员联合研制成以及卡加利大学的研究人员联合研制成以5 5个原子个原子作处理器及记忆体的实验性量子计算机。作处理器及记忆体的实验性量子计算机。 91现代物理学革命五、物理学在其他自然科学及高新技术中的应用五、物理学在其他自然科学及高新技术中的应用 二十一世纪的计算机二十一世纪的计算机 光学计算机：光学计算机：利

73、用光信号进行处理，所以具有并利用光信号进行处理，所以具有并行处理能力，速度更快，由于光信号对电磁脉冲行处理能力，速度更快，由于光信号对电磁脉冲的抗干扰性比电信号强，可以抵抗电磁脉冲炸弹的抗干扰性比电信号强，可以抵抗电磁脉冲炸弹的影响。目前已经研制成了它的雏形。的影响。目前已经研制成了它的雏形。模拟人脑功能的模拟人脑功能的神经网络计算机神经网络计算机 92现代物理学革命五、物理学在其他自然科学及高新技术中的应用五、物理学在其他自然科学及高新技术中的应用 二十一世纪的通讯、能源与交通 国际互联网国际互联网InternetInternet和信息高速公路发展迅猛，已成为世和信息高速公路发展迅猛，已成为

74、世界上最大的信息交流和资源利用系统界上最大的信息交流和资源利用系统 光弧子通讯技术光弧子通讯技术最有希望成为二十一世纪的主要通讯技术。最有希望成为二十一世纪的主要通讯技术。已经实现了二万公里以上无中继站的光弧子通讯，脉冲间已经实现了二万公里以上无中继站的光弧子通讯，脉冲间隔可小于飞秒（即隔可小于飞秒（即10-1510-15秒），单位时间的信息传输量是秒），单位时间的信息传输量是传统光纤通讯的十万倍以上。传统光纤通讯的十万倍以上。 93现代物理学革命五、物理学在其他自然科学及高新技术中的应用五、物理学在其他自然科学及高新技术中的应用 物理学与国防现代化物理学与国防现代化 姜子牙姜子牙司马法司马法

75、：国虽大，好战必亡；天下虽安，忘战必危。：国虽大，好战必亡；天下虽安，忘战必危。二十一世纪国防现代化的概念非常广泛，包括核子武器的小型化，二十一世纪国防现代化的概念非常广泛，包括核子武器的小型化，纯聚变核武器的发展以及核武器的防护；高新技术武器的发展，如纯聚变核武器的发展以及核武器的防护；高新技术武器的发展，如军用航天技术（含弹道导弹、军用卫星、导弹防御）、精确制导武军用航天技术（含弹道导弹、军用卫星、导弹防御）、精确制导武器（雷达制导、红外制导、激光制导、巡航导弹）、隐身和反隐身器（雷达制导、红外制导、激光制导、巡航导弹）、隐身和反隐身对抗（雷达波隐身、红外隐身、声波隐身）等；新概念武器，如

76、强对抗（雷达波隐身、红外隐身、声波隐身）等；新概念武器，如强激光武器、高功率微波武器、电磁炮、等离子体武器、粒子束武器、激光武器、高功率微波武器、电磁炮、等离子体武器、粒子束武器、反物质武器等。反物质武器等。 94现代物理学革命s思考题思考题1.1.1.1.简述简述简述简述19191919世纪末物理学三大实验发现的过程及其主要内容。世纪末物理学三大实验发现的过程及其主要内容。世纪末物理学三大实验发现的过程及其主要内容。世纪末物理学三大实验发现的过程及其主要内容。2.2.2.2.从物理学的发展中，我们可以得到哪些启示？从物理学的发展中，我们可以得到哪些启示？从物理学的发展中，我们可以得到哪些启示？从物理学的发展中，我们可以得到哪些启示？3.3.3.3.物理学对其他自然科学或高新技术的发展有哪些影响？物理学对其他自然科学或高新技术的发展有哪些影响？4.4.简述量子力学的基本理论观点简述量子力学的基本理论观点 5.5.牛顿绝对时空观和相对论时空观有什么区别？牛顿绝对时空观和相对论时空观有什么区别？ 6.6.简述狭义相对论和广义相对论的基本原理。简述狭义相对论和广义相对论的基本原理。 95现代物理学革命