世纪(shìjì)物理学史第一页，共99页 历史回忆一、经典物理学的成就和根本观念二、现代(xiàndài)物理学革命的序幕三、相对论的建立四、量子论的初期开展与量子力学建立五、原子结构理论的开展六、原子核物理的建立与开展七、传感及测量技术第二页，共99页 历史(lìshǐ)回忆〔I〕•1900年普朗克量子论•1905年爱因斯坦相对论•开辟了现代物理学的新纪元•研究范围在空间尺度上从亚核世界到整个(zhěnggè)字宙，在时间尺度上从小于10-21秒到宇宙年龄第三页，共99页 历史(lìshǐ)回忆〔II〕•—百多年前创立的麦克斯韦(mài kè sī wéi)电磁场理论为无线电、电视、雷达的技术创造和庞大的工业电力网络以及现代通汛系统的建立奠定了理沦根底•拉姆〔美国〕创造了微波技术，进而研究氢原子的精细结构；库什〔美国〕用射频束技术精确地测定出电子磁矩，创新了核理论，共同获得了1955年诺贝尔物理学奖•微波实验根本知识和实验4-1 反射式速调管的特性和波导工作状态的测量第四页，共99页 历史(lìshǐ)回忆〔III〕• 磁光效应指的是具有固有磁矩的物质在外磁场的作用下，电磁特性发生(fāshēng)变化，因而使光波在其内部的传输特性也发生(fāshēng)变化的现象。
1845年，Michael Faraday首先发现了磁光效应，他发现当外加磁场加在玻璃样品上时，透射光的偏振面将发生(fāshēng)旋转第五页，共99页 历史(lìshǐ)回忆〔IV〕•1877年John Kerr在观察偏振光从抛光(pāoguāng)过的电磁铁磁极反射出来时，发现了磁光克尔效应〔magneto-optic Kerr effect〕•实验2-3 法拉第效应•实验2-4 磁光克尔效应第六页，共99页 历史(lìshǐ)回忆〔V〕•本世纪20年代创立的量子力学理论(lǐlùn)为描述微观物体的行为提供了一个全新的框架，改变了我们最根本的测量原理，并为了解原子、分子和凝聚态物质的结构铺平了道路因而导致了诸如半导体、光通讯等新兴技术的崛起，并为研制奇异材料和激光器件开辟了道路第七页，共99页 历史(lìshǐ)回忆〔VI〕•1947年肖克莱、巴丁和布喇顿所发现的晶体管效应揭开了今天发生在我们周围的计算机革命的序幕没有人能够知道这场革命最终将会如何改变我们的生活和人类社会，但是它所显露出的信息社会的近期前景巳十分(shífēn)诱人•肖克利、巴丁、布拉顿因创造晶体管及对晶体管效应的研究共同获得了1956年诺贝尔物理学奖•计算机的根本技术，计算机的仿真技术，计算机的数值计算技术第八页，共99页。
历史(lìshǐ)回忆〔VII〕•实验实验5-4 5-4 计算机系统结构原理及组装调试 计算机系统结构原理及组装调试 • 实验实验•实验实验5-1 5-1 计算机虚拟仿真物理计算机虚拟仿真物理(wùlǐ)(wùlǐ)实验实验•实验实验5-2 5-2 计算机数值模拟实验〔混沌系统计算机数值模拟实验〔混沌系统• 模型的一个例子〕模型的一个例子〕第九页，共99页 一、经典(jīngdiǎn)物理学的成就和根本观念•〔一〕经典力学和机械决定论〔一〕经典力学和机械决定论•〔二〕热力学与能量和熵〔二〕热力学与能量和熵•〔〔三三〕〕经经典典电电动动力力学学和和“以以太太(yǐ tài)〞〞说说•〔四〕经典物理学的完成和局限〔四〕经典物理学的完成和局限第十页，共99页 •由伽利略(1564—1642)和牛顿(1642—1727)等人于17世纪创立的经典物理学，经过18世纪在各个根底部门的拓展到19世纪得到了全面、系统和迅速的开展到达了它辉煌的顶峰到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——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清楚晰和深刻的物理学根本观念，对人类(rénlèi)的科学认识也产生了深远的影响第十一页，共99页 〔一〕经典力学〔一〕经典力学(jīnɡ diǎn lì xué)和和机械决定论机械决定论•由牛顿把它概括在一个严密的统一理论中，实现了近代(jìndài)物理学开展史上第一次理论大综合在l687年出版的?自然哲学的数学原理?中，牛顿提出了动力学的三个根本原理和万有引力定律利用变分法的数学方法和“最小作用量原理〞的物理学根底建立起了和牛顿动力学方程等价的欧拉—拉格朗日方程，并最终于1834年由英国的哈密顿(1805—1865)提出了哈密顿原理和正那么方程，建立了“分析力学〞理论，实现了牛顿后力学理论的一个最大的飞跃第十二页，共99页 〔二〕热力学与能量〔二〕热力学与能量(néngliàng)和和熵熵•能量守恒原理的建立，使物理学思想和理论结构获得了辉煌的进展是19世纪自然科学上的一个伟大胜利也是近代物理学开展中的第二次理论大综合•熵原理的发现，实际上把演化(yǎnhuà)的思想带进了物理学，指出了自然过程的不可逆性和历史性第十三页，共99页。
•在经典力学和电磁场理论中，根本物理定律中的时间都是对称的、可逆的，它们的根本方程对时间反演都是具有对称性的，运动对于过去和未来没有本质的区别，时间在那里仅仅是从外部描述运动的一个参量(cānliàng)，它的变化对运动的性质并无影响因而时间箭头在那里没有实质性的意义第十四页，共99页 •“统计力学〞这个名称是1884年由美国物理学家吉布斯(1839一1903)首先提出的吉布斯在麦克斯韦和玻耳兹曼思想的根底上，明确形成了“系综〞概念，创立了系综统计方法从而(cóng ér)将热学的唯象的和分子运动论的两个根本的研究方向统一到一个有机整体之中，完成了统计力学这个经典物理学的又一次理论大综合第十五页，共99页 〔三〕经典〔三〕经典(jīngdiǎn)电动力学和电动力学和“以太〞说以太〞说•1862年，麦克斯韦引入了一个电磁以太的准力学模型和“位移电流〞假设，1864年提出了电动力学方程组，预言了电磁波的存在，井揭示了光的电磁波动本性(běnxìng)麦克斯韦的方案使媒递接触观念得以完全实现，并使电磁学理论的全部物理根底得以奠定，成为近代物理学开展中的第三次理论大综合第十六页，共99页 〔四〕经典物理学的完成〔四〕经典物理学的完成(wán chéng)和局限和局限•大约到了1895年前后，以经典力学、经典热力学和统计力学、经典电动力学为三大支柱的经典物理学，结合成一座具有雄伟的建筑体系和动人心弦的“美丽的殿堂〞，到达(dàodá)了它的颠峰时期第十七页，共99页。
•在力学方面，与机械观相联系的绝对时间、绝对空间的概念以及关于质量的定义，都已受到普遍的批评，牛顿对于引力的本质问题也采取了回避(huíbì)的态度而牛顿力学的理论框架实际上必然要把引力看作是一种瞬时传递的超距作用，这与19世纪开展起来的场物理学是根本对立的第十八页，共99页 •在热学方面，熵增加原理揭示的与热现象有关的自然过程的不可逆性，反映出热力学原理与经典力学(jīnɡ diǎn lì xué)和经典电动力学原理之间深刻的内在矛盾，而统计力学中引入的概率统计思想以及热力学规律的统计性质，已使经典力学(jīnɡ diǎn lì xué)的严格确定性出现了缺口第十九页，共99页 •在光学和电磁学方面，作为光波与电磁波的传播媒介的“以太〞，其令人难以理解的特殊性质以及关于它的存在的检测，都使科学家们费尽心血而一筹莫展根据电磁学理论，可用空间坐标的连续函数描写(miáoxiě)的场，是具有能量的不能再简化的物理实在，这又与经典力学把运动的质点看作能量的唯一裁体的观点严重背离第二十页，共99页 二、现代物理学革命(gé〃mìng)的序幕〔一〕〔一〕19世纪末的三大发现世纪末的三大发现 1．．X射线的发现射线的发现 2．放射性的发现．放射性的发现 3．电子的发现．电子的发现〔二〕经典物理学的两朵乌云〔二〕经典物理学的两朵乌云(wūyún) 1．第一朵乌云．第一朵乌云(wūyún)“以太〞学说以太〞学说 2．第二朵乌云．第二朵乌云(wūyún)“紫外灾难〞紫外灾难〞第二十一页，共99页。
〔一〕〔一〕19世纪末的三大世纪末的三大(sān dà)发发现现第二十二页，共99页 伦琴〔Willhelm Konrad Rotgen, 1845---1923) 1901年，首届诺贝尔物理学奖授予德国物理学家伦琴以表彰(biǎozhāng)他在1895年发现的X射线 第二十三页，共99页 1．．X射线的发现射线的发现(fāxiàn)•1895年11月伦琴发现X射线(shèxiàn)，一种具有强穿透力的新的射线(shèxiàn)，它是由阴极射线(shèxiàn)打到玻璃管壁上所产生的；它可以穿透厚达一千页的书、几厘米厚的木板、15毫米厚的铝片，并可用照相的方法透过人体显示骨骼的轮廓和金属物体内部的缺陷•伦琴由于这一发现，理所当然地获得了1901年首届诺贝尔物理学奖第二十四页，共99页 劳厄 (Max von Laue ,1879-1960) 1914年诺贝尔物理学奖授予(shòuyǔ)德国法兰克福大学的劳厄以表彰他发现了晶体的X射线衍射第二十五页，共99页 亨利·布拉格 劳伦斯·布拉格 (William Henry Bragg ,1862-1942) 〔William Lawrence Bragg, 1890-1971〕 1915年诺贝尔物理学奖授予英国伦敦大学的亨利.布拉格和他的儿子英国曼彻斯特维克托利亚大学的劳伦斯.布拉格以表彰(biǎozhāng)他们用X射线对晶体结构的分析所作的奉献。
第二十六页，共99页 •1912年，德国物理学家劳厄才从晶体衍射的新发现判定X射线是频率极高的电磁波不久以后，莫塞莱证实它是由原子(yuánzǐ)中内层电子跃迁所发出的辐射•劳厄〔德国〕发现晶体中的X射线衍射现象获得了1914年诺贝尔物理学奖•W·H·布拉格、W·L·布拉格〔英国〕因用X射线对晶体结构的研究共同获得了1915年诺贝尔物理学奖•实验4-2 微波布拉格衍射第二十七页，共99页 贝克勒尔〔Antoine Henri Becquerel ,1852 -1908〕 1903年诺贝尔物理学奖一半授予法国(fǎ ɡuó)物理学家亨利·贝克勒尔以表彰他发现了自发放射性；另一半授予法国(fǎ ɡuó)物理学家皮埃尔·居里〔Pierre Curie ,1859 -1906〕和玛丽·斯可罗夫斯卡·居里〔Marie Sklodowska ,1867 - 1934〕,以表彰他们对贝克勒尔发现的辐射现象所作的卓越奉献 居里(jū lǐ)夫妇第二十八页，共99页 2．放射性的发现(fāxiàn)•贝可勒尔发现底片上有铀盐包的清晰的廓影贝可勒尔推想，感光必定是由于铀盐自身发出的某种神秘射线所致，实验证明，辐射只与铀元素的存在有关，而且纯金属铀的辐射比铀化合物强许多倍，铀辐射不但能使底片感光，还能使气体电离变成导体•波兰出生的物理学家玛丽·居里当时(dàngshí)选择了放射性物质作为她博士论文的题目第二十九页，共99页。
•她首先证实了铀的辐射强度同铀的数量成正比，而同其化学形式无关，随后，她和德国的施米特同时发现了钍也具有这种性质，她建议把物质的这种性质称为“放射性〞，以区别于一般的射线(shèxiàn)以后钋和镭的发现，动摇了长期以来科学家们所信守的根本理论居里夫妇和贝可勒尔共同获得了1903年诺贝尔物理学奖第三十页，共99页 •元素衰变理论是一个革命性的理论，它打破了自古以来一直认为的原子永远不能破坏和消灭的传统观念，证明一种元素的原子可以变成另一种元素的原子这个理论虽然受到了门捷列夫和开尔文等科学泰斗的剧烈反对(fǎnduì)，但终因实验事实的不断证实而得到科学界的成认•实验5-3 盖革—弥勒计数器特性和放射性核衰变统计规律的模拟实验〔碳14〕第三十一页，共99页 〔Sir Joseph Thomon,1856-1940〕 1906年诺贝尔物理学奖授予(shòuyǔ)英国剑桥大学的J.J.汤姆孙爵士以表彰他对气体导电的理论和实验所作的奉献 第三十二页，共99页 3．电子(diànzǐ)的发现•英国物理学家J.J.汤姆逊支持带电微粒说于1897年对阴极射线进行了周密的实验考察用磁场使阴极射线发生偏转而进入法拉第筒，证明负电荷确实(quèshí)来自阴极射线。
他通过阴极射线在电场和磁场中分别发生偏转时偏转量的测定，计算出了阴极射线的荷质比和速度，发现其荷质比的数值大约是氢离子的千分之一，而其速度大约在109厘米/秒的数量级第三十三页，共99页 •约瑟夫·汤姆生〔J.J.汤姆逊〕〔英国〕对气体放电理论(lǐlùn)和实验研究作出重要奉献并发现电子而获得了1906年诺贝尔物理学奖第三十四页，共99页 〔二〕经典〔二〕经典(jīngdiǎn)物理学的两物理学的两朵乌云朵乌云•1900年4月27日，开尔文在英国皇家学会以?19世纪(shìjì)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三十五页，共99页 •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(zhè ge)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第三十六页，共99页 1．第一朵乌云(wūyún)“以太〞学说•相对性原理是经典力学的一个(yī ɡè)最根本的原理，这个原理认为，绝对静止和绝对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〞的存在作为避难所第三十七页，共99页 •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(kuànɡ jià)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第三十八页，共99页 •美国物理学家迈克尔逊〔1852－1931〕在1881年，他和莫雷〔1838－1923〕在1887年利用干预(gānyù)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第三十九页，共99页 第二(dì èr)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(zhòngyào)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第四十页，共99页 •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(gōngshì)。
但是，这个公式(gōngshì)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〞第四十一页，共99页 •20世纪初的这两朵乌云最终(zuì zhōnɡ)导致了物理学的一场大变革第一朵乌云“以太〞学说导致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第四十二页，共99页 三、相对论的建立(jiànlì)〔一〕狭义〔一〕狭义(xiáyì)相对论的建立相对论的建立 1．以太漂移实验与收缩假说．以太漂移实验与收缩假说 2．洛仑兹变换．洛仑兹变换 3．彭加勒的相对性原理．彭加勒的相对性原理 4．狭义．狭义(xiáyì)相对论根本原相对论根本原理的提出理的提出 5．闵科夫斯基的．闵科夫斯基的4维世界维世界 〔二〕广义相对论的建立〔二〕广义相对论的建立第四十三页，共99页 〔一〕狭义〔一〕狭义(xiáyì)相对论的建立相对论的建立第四十四页，共99页 1．以太(yǐ tài)漂移实验与收缩假说•自从19世纪初，光的波动说复活以来，关于(guānyú)传光的媒质，始终是一个争论的话题。
人们认为光的波动必须有一个载体，它就是“以太〞关于(guānyú)以太的存在形式在当时有两种不同的观点，以菲涅耳为代表的一派认为以太是静止，以斯托克斯为代表的一派认为以太是可以被局部曳引的第四十五页，共99页 •如果静止以太说是正确的，在地球(dìqiú)高速运动时，应存在着“以太风〞多年来，人们做了一系列光学的与电学的以太漂移实验，企图测量地球(dìqiú)在静止以太中的相对运动，它们均给出了否认的结果其中最著名的实验是由迈克尔逊和莫雷完成的第四十六页，共99页 迈克耳孙〔 Albert Abrham Michelson ,1852 -1931〕 1907年诺贝尔物理学奖授予芝加哥大学的迈克耳孙以表彰他对光学(guāngxué)精密仪器及用之于光谱学与计量学研究所作的奉献 第四十七页，共99页 •迈克尔逊在光速测量方面(fāngmiàn)一直享有国际上的盛誉•迈克尔逊由于光学精密仪器以及光谱学与计量学的研究成果而获得了 1907年诺贝尔物理学奖•实验2-2 光拍法测量光的速度第四十八页，共99页 2．洛仑兹变换(biànhuàn)•1895年，洛仑兹发表(fābiǎo)了题为?运动物体中电磁现象和光现象的理论研究?的论文。
这篇论文讨论了在相对运动与相对静止参照系间，同一物理现象间的坐标变换问题，在一级近似下，提出了洛仑兹变换关系这一工作对以后的狭义相对论理论体系有着重要的意义第四十九页，共99页 •1905年5月，洛仑兹完成了?速度小于光速系统中的电磁现象?的论文在这篇论文中，他发表了著名的时空相对论变换公式，这就是后来所称的洛仑兹变换式，并且进一步证明了，在洛仑兹变换下，电磁方程具有(jùyǒu)不变形式在这篇论文中，他还给出了两点极为重要的给论，一个是粒子质量随速度变化的公式，一个是粒子在以太中运动的速度不可能大于光速第五十页，共99页 3．彭加勒的相对性原理(yuánlǐ)•在物理学的这场变革中，彭加勒在物理学的几个领域(lǐnɡ yù)中都做出了重要的奉献其中著名的有彭加勒相对性原理的建立1895年，彭加勒首次提出了相对性原理的想法他认为，各种实验事实的结论都可以说明，“要证明物质的绝对运动，或者更确切地说，要证明可称量物质相对以太的运动是不可能的〞第五十一页，共99页 4．狭义(xiáyì)相对论根本原理的提出•在狭义相对论中，爱因斯坦成功地把时间与空间、物质与运动、质量与能量、多普勒效应与光行差效应、电场与磁场分别统一起来了，直至把经典(jīngdiǎn)力学与经典(jīngdiǎn)电动力学统一起来，使物理学在抛弃旧力学理论的框架后，得以在新的理论体系中继续开展第五十二页，共99页。
5．闵科夫斯基的4维世界(shìjiè)•闵科夫斯基以优美的数学形式，揭示了3维空间与1维时间的内在联系在他所提供的4维空间中，不仅全部力学与电动力学的概念及重要规律得以进一步地简化与统一，它们被自然与和谐(héxié)地纳入到相对论的理论之中第五十三页，共99页 〔二〕广义〔二〕广义(guǎngyì)相对论的建相对论的建立立•按狭义相对性原理，由于在洛仑兹变换下，许多物理定律都具有协变形式，相对各物理定律而言各个惯性系都应彼此等效狭义相对论在说明惯性运动的相对性上取得了极大的成功，它却存在明显的缺陷首先是惯性系是什么？如何(rúhé)确定物体在做惯性运动最终又回到了"不动的绝对空间"第五十四页，共99页 四、量子论的初期开展(kāizhǎn)与量子力学建立〔一〕量子论的初期开展〔一〕量子论的初期开展 1．黑体辐射的研究．黑体辐射的研究 2．普朗克的．普朗克的“量子〞假说量子〞假说 3．光量子假说．光量子假说〔二〕量子力学理论的建立〔二〕量子力学理论的建立 1．德布罗意波．德布罗意波 2．薛定谔的波动力学．薛定谔的波动力学 3．海森伯的矩阵．海森伯的矩阵(jǔ zhèn)力学力学 4．量子力学的万本哈根学派的诠释．量子力学的万本哈根学派的诠释第五十五页，共99页。
1．黑体(hēitǐ)辐射的研究•1879年德国物理学家斯特藩从实验结果中得出(dé chū)了黑体单位外表积单位时间的热辐射总能量与绝对温度的四次方成正比的定律，这个结果在1884年被玻耳兹曼从光的电磁理论和热力学理论做出了论证这就是斯特藩-玻耳兹曼定律第五十六页，共99页 维 恩(WilhelmWien ,1864-1928) 1911年诺贝尔物理学奖授予德国乌尔兹堡大学的维恩以表彰他发现(fāxiàn)了热辐射定律 第五十七页，共99页 • 1893年维恩也由电磁学和热力学理论得出了辐射能量最强的波长与黑体的温度成反比的“位移定律〞，但这两个定律都不能具体反映辐射能量随频率和温度的分布(fēnbù)情况，只能在一定的范围和条件下与实验曲线相吻合维恩因为在黑体辐射方面的研究成果获得了1911年诺贝尔物理学奖第五十八页，共99页 普郎克 〔Max Karl Ernst Ludwig Plank ,1858-1947〕 1918年诺贝尔物理学奖授予德国柏林大学的普郎克以成认他发现能量(néngliàng)级对物理学的进展所作的奉献 第五十九页，共99页 2．普朗克的“量子(liàngzǐ)〞假说• 1900年，对热力学有长期研究的德国物理学家普朗克综合了维恩公式和瑞利-金斯公式，利用内插法，引入了一个自己的常数，结果得到一个公式，而这个公式与实验(shíyàn)结果精确相符，它就是普朗克公式，即普朗克辐射定律第六十页，共99页。
•普朗克的能量子假说：辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射(fāshè)和吸收辐射能但是这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振子的能量并不像经典物理学所允许的可具有任意值相应的能量是某一最小能量〔称为能量子〕的整数倍第六十一页，共99页 •能量子的概念是非常新奇的，它冲破了传统的概念，揭示了微观世界中一个重要规律，开创了物理学的一个全新领域(lǐnɡ yù)由于普朗克发现了能量子，对建立量子理论做出了卓越奉献，获得了1918年诺贝尔物理学奖第六十二页，共99页 •普朗克关于能量只能以“能量子〞为最小单元作不连续变化的假设，冲击了经典物理学长期信奉的“自然界无跳跃〞的信条，彻底变革了经典物理学中一切因果关系都是以物理量的连续变化为根底的物理学思想(sīxiǎng)方法第六十三页，共99页 爱因斯坦 (Allbert Einstein ,1879-1955) 1921年诺贝尔物理学奖授予德国柏林马克斯·普朗克物理研究所的爱因斯坦以表彰他在理论物理学上的发现,特别(tèbié)是发现了光电效应的定律. 第六十四页，共99页 3．光量子假说(jiǎ shuō)•1905年6月，爱因斯坦在德国?物理学纪事?上发表的?关于光的产生和转化的一个启发性观点?，为研究辐射问题(wèntí)带来了一个崭新的观点。
他认为，在普朗克的理论中，只考虑了腔壁上振子能量的量子化，但对空腔内电磁辐射的处理，还是用的麦克斯韦电磁波动理论，这种观点是不彻底的在爱因斯坦看来，电磁场能量本身也是量子化的，辐射场不是连续的，而是由分立的能量子组成的他把这种能量子称为“光量子〞后来美国物理学家路易斯把它改称为“光子〞第六十五页，共99页 •爱因斯坦研究了用光的能量连续(liánxù)分布的理论难以解释的光电效应现象•由于爱因斯坦在数学物理学的成就，特别是光电效应定律的发现获得了1921年诺贝尔物理学奖第六十六页，共99页 〔二〕量子力学理论〔二〕量子力学理论(lǐlùn)的建立的建立第六十七页，共99页 路易斯.德布罗意 (Prince Louis-victor de Broglie ,1892-1987) 1929年诺贝尔物理学奖授予法国巴黎索本大学的路易斯.德布罗意以表彰他发现(fāxiàn)了电子的波动性. 第六十八页，共99页 1．德布罗意波•1923年9月至10月间，德布罗意在连续发表了三篇论文?辐射―波和量子?、?光学－光量子、衍射和干预?、?物理学－量子、气体运动理论以及费马原理?在这几篇短文(duǎn wén)中，提出了“德布罗意波〞的思想。
1824年，德布罗在?量子理论研究?的博士论文中，系统地阐述了他在前几篇文章中提出的相波理论第六十九页，共99页 •他因为发现了电子的波动性而获得(huòdé)了1929年诺贝尔物理学奖，他也是唯一一个因博士论文而获得(huòdé)诺贝尔物理学奖的人〔以前的观点〕第七十页，共99页 五、原子结构理论(lǐlùn)的开展•1．原子(yuánzǐ)有核模型的建立•2．玻尔原子(yuánzǐ)结构的量子理论•3．玻尔理论的推广第七十一页，共99页 尼尔斯·玻尔 〔Niels Bohr,1885-1962〕 1922年诺贝尔物理学奖授予丹麦哥本哈根的尼尔斯·玻尔以表彰他在研究原子结构,特别是研究从原子发出(fāchū)的辐射所作的奉献 第七十二页，共99页 1．原子有核模型．原子有核模型(móxíng)的建立的建立•1909年，卢瑟福的助手盖革，学生马斯登从粒子被很薄的金箔散射的实验中，观察到了一种(yī zhǒnɡ)出人意料的现象：大约有八千分之一的粒子的偏转角度超过90度，有的甚至被反弹回来粒子散射实验的意外结果，为建立正确的原子有核棋型据供了科学依据第七十三页，共99页 2．玻尔原子结构的量子．玻尔原子结构的量子(liàngzǐ)理论理论•1913年玻尔提出的原子结构理论，是量子论开展史上的一个重要阶段。
在此之前，量子论主要被用于与辐射有关的问题，玻尔的理论却说明在描述原子的结构和运动规律中，作用量子也具有本质(běnzhì)的意义他希望把量子概念与卢瑟福原子模型结合起来，以解决原子结构的稳定性问题第七十四页，共99页 •玻尔理论提出了一个动态(dòngtài)的原于结构轮廓，揭示了光谱线与原子结构的内在联系，从而推动了物质结构理论的开展玻尔由于这一杰出的工作，获得了1922年诺贝尔物理学奖•实验5-1 计算机虚拟仿真物理实验〔前 • 面已提到〕•实验5-1附1 氢氘原子光谱•实验5-1附2 阿贝比长仪和氢氘原子光• 谱的测量操作指南第七十五页，共99页 弗兰克 G.赫兹(hèzī) (James Franck ,1882-1964) (Gustav Hertz ,1887-1975) 1925年诺贝尔物理学奖授予德国格丁根大学的弗兰克和哈雷大学的G.赫兹(hèzī)以表彰他们发现原子受电子碰撞的定律.第七十六页，共99页 •弗兰克和赫兹〔德国〕发现原子和电子(diànzǐ)的碰撞规律共同获得了1925年诺贝尔物理学奖•实验1-2 夫兰克—赫兹实验第七十七页，共99页。
洛伦兹 塞曼〔Hendrik Lorentz，1853 -1928〕〔Pieter Zeeman，1865-1943〕 1902年诺贝尔物理学奖授予荷兰莱顿大学的洛伦兹和荷兰阿姆斯特丹大学塞曼,以表彰(biǎozhāng)他们在研究磁性对辐射现象的影响所作的特殊奉献 第七十八页，共99页 3．玻尔理论．玻尔理论(lǐlùn)的推广的推广•索末菲在1916年把一般量子化条件推广到四个自由度，即主量子数，轨道量子数，磁量子数和电子自旋量子数，很好的解释(jiěshì)了塞曼效应和碱金属光谱的主线系，漫线系，锐线系等现象•洛伦兹〔荷兰〕和塞曼〔荷兰〕关于磁场对辐射现象影响的研究共同获得了1902年诺贝尔物理学奖第七十九页，共99页 •实实验验(shíyàn)1-1 (shíyàn)1-1 钠钠原原子子光光谱谱•实验实验(shíyàn)1-3 (shíyàn)1-3 塞曼效应塞曼效应第八十页，共99页 六、原子核物理(wùlǐ)的建立与开展•〔一〕原子核结构的早期探索•1．质子(zhìzǐ)－电子核模型•2．中子的发现•3．核磁矩的发现•〔二〕粒子加速器的创立与开展•〔三〕核裂变研究•〔四〕原子能的应用第八十一页，共99页。
〔一〕原子核结构的早期〔一〕原子核结构的早期(zǎoqī)探索探索第八十二页，共99页 1．质子－电子(diànzǐ)核模型•十九世纪20年代末到30年代初，人们认识到的根本粒子仅限于质子、电子和光子并普遍认为，一切物质(wùzhì)都是由电子和质子构成的第八十三页，共99页 查德威克 (Sir James Chadwick ,1891-1974) 1935年诺贝尔物理学奖授予英国利物浦的查德威克以表彰(biǎozhāng)他发现了中子 第八十四页，共99页 2．中子(zhōngzǐ)的发现•1932年，查德威克用一种射线〔中子束〕轰击氢原子核时，发现它被反弹了回来，说明这种射线是具有一定质量的中性粒子流通过对反冲核的动量测定的结果，再利用动量守恒定律进行估算，确定出这种射线中性粒子的质量几乎(jīhū)与质子的相同，查德威克把这种粒子定名为中子于1932年在?自然?杂志上发表了?中子可能存在?的论文第八十五页，共99页 •查德威克发现中子，不仅改变了当时(dàngshí)人们对物质结构的认识，同时还为研究和变革原子核提供了一种有力的手段，这促进了核裂变工作的开展以及原子能的利用。
由于这一重要发现，查德威克获得了1935年诺贝尔物理学奖第八十六页，共99页 3．核磁矩的发现(fāxiàn)•在第七届索尔维会议(huìyì)上，汉堡大学的斯特恩、依斯特曼、弗里施介绍了他们用氢分子束的斯特恩－革拉赫实验成功测定了氢核的磁矩第八十七页，共99页 布洛赫 珀塞尔 (Felix Bloch ,1905-1983) (Edward Purcell ,1912-1997) 1952年诺贝尔物理学奖授予(shòuyǔ)美国加利福尼亚斯坦福大学的布洛赫和美国马萨诸塞州坎伯利基哈佛大学的珀塞尔以表彰他们发现了核磁精密测量的新方法及由此所作的发现 第八十八页，共99页 •由布洛赫和珀塞尔所创立的核磁共振技术开展非常迅速先后有80多种样品核的磁矩都由这种方法测出核磁共振方法在核物理研究、有机化合物的鉴定、未知化合物结构的测定、动物和人体组织的检测等方而都有重要应用核磁共振已成为波谱学的一个重要分支由于布洛赫与泊塞尔所发现的核磁共振法，他们(tā men)共同分享了1952年诺贝尔物理学奖第八十九页，共99页 卡斯特勒(Alfred Kastler，1902-1984) 1966年诺贝尔物理学奖授予法国巴黎大学，高等(gāoděng)师范学校的卡斯特勒以表彰他发现和开展了研究原子中赫兹共振的光学方法。
第九十页，共99页 •光泵磁共振技术自50年代初，法国物理学家卡斯特勒首先提出以来，获得了迅速开展目前，在根底研究方面，广泛用于原子、分子能级的精细和超精细结构及其它各种参数的精密测量，对原子分子间各种相互作用进行(jìnxíng)实验研究在应用技术方面利用光泵磁共振原理开展出两种精密仪器，原子频率标准〔原子钟〕和原子磁强计由此卡斯特勒获得了1966年诺贝尔物理学奖第九十一页，共99页 波谱学实验根本知识波谱学实验根本知识实验实验3-1 核磁共振核磁共振(hé cí ɡònɡ zhèn)实验实验3-2 电子自旋共振电子自旋共振实验实验3-3 光泵磁共振光泵磁共振实验实验3-4 铁磁共振铁磁共振第九十二页，共99页 七、传感及测量(cèliáng)技术•传感器〔Sensor, Transducer〕是完成信息拾取、传输和转换的器件光纤传感器〔Optical fiber sensor〕那么是以光纤为功能(gōngnéng)材料的传感器经典的传感器是将非电量转换为电量，而光纤传感器那么是将非光量转换为光量光纤传感器与经典传感器的区别是，光纤传感器以光作为感知信息的载体，而不是电；采用光纤传送信息，而不是导线。
光纤传感具有灵敏度高、抗电磁干扰以及耐腐蚀防燃等特点•实验2-5 光纤光栅传感实验第九十三页，共99页 •光子计数也就是(jiùshì)光电子计数，是微弱光〔低于10-14W〕信号探测中的一种新技术它可以探测弱到光能量以单光子到达时的能量目前已被广泛应用于喇曼散射探测、医学、生物学、物理学等许多领域里微弱光现象的研究•实验2-6 单光子计数实验第九十四页，共99页 •椭圆偏振测量〔椭偏术〕是研究两媒介间界面、外表或薄膜中光学性质变化的一种光学方法，其原理是利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射(tòu shè)时出现的偏振变换在各种已有的测定薄膜厚度的方法中，如干预法等，椭偏法是能测量厚度最薄和测量精度最高的一种，而且测量是非破坏性的，并能在一次测量中同时测定膜厚及折射率•实验2-1 用椭圆偏振仪测透明介质薄膜的折射率和膜厚第九十五页，共99页 •太阳电池，也称为光伏电池，是将太阳光辐射能直接转换为电能的器件由这种器件封装成太阳电池组件，再按需要(xūyào)将一块以上的组件组合成一定功率的太阳电池方阵，经与储能装置、测量控制装置及直流-交流变换装置等相配套，即构成太阳电池发电系统，也称为之光伏发电系统第九十六页，共99页。
•世界上第一块实用型半导体太阳电池是美国贝尔实验室于1954年研制的经过人们40多年的努力，太阳电池的研究(yánjiū)、开发与产业化已取得巨大进步目前，太阳电池已成为空间卫星的根本电源和地面无电、少电地区及某些特殊领域〔通信设备、气象台站、航标灯等〕的重要电源•实验6-1 太阳电池伏安特性的测量第九十七页，共99页 谢谢(xiè xie)大家！第九十八页，共99页 内容(nèiróng)总结世纪物理学史肖克利、巴丁、布拉顿因创造晶体管及对晶体管效应的研究共同获得了1956年诺贝尔物理学奖到19世纪末，已建成了一个包括力、热、声、光、电诸学科在内的、宏伟完整的理论体系〞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核磁共振方法在核物理研究、有机化合物的鉴定、未知化合物结构的测定、动物(dòngwù)和人体组织的检测等方而都有重要应用第九十九页，共99页。