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经典和近代物理学史——兼谈诺贝尔物理学奖和一些技术2019.09.10历史回顾•一、经典物理学的成就和基本观念•二、现代物理学革命的序幕•三、相对论的建立•四、量子论的初期发展与量子力学建立•五、原子结构理论的发展•六、原子核物理的建立与发展•七、传感及测量技术历史回顾（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字宙，在时间尺度上从小于10-21秒到宇宙年龄历史回顾（II）•—百多年前创立的麦克斯韦电磁场理论为无线电、电视、雷达的技术发明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基础•拉姆（美国）发明了微波技术，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•微波实验基本知识和实验4-1反射式速调管的特性和波导工作状态的测量历史回顾（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，电磁特性发生变化，因而使光波在其内部的传输特性也发生变化的现象。1845年，MichaelFaraday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旋转历史回顾（IV）•1877年JohnKerr在观察偏振光从抛光过的电磁铁磁极反射出来时，发现了磁光克尔效应（magneto-opticKerreffect）•实验2-3法拉第效应•实验2-4磁光克尔效应历史回顾（V）•本世纪20年代创立的量子力学理论为描述微观物体的行为提供了一个全新的框架，改变了我们最基本的测量原理，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历史回顾（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诱人•肖克利、巴丁、布拉顿因发明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•计算机的基本技术，计算机的仿真技术，计算机的数值计算技术历史回顾（VII）•实验5-4计算机系统结构原理及组装调试实验•实验5-1计算机虚拟仿真物理实验•实验5-2计算机数值模拟实验（混沌系统模型的一个例子）一、经典物理学的成就和基本观念•（一）经典力学和机械决定论•（二）热力学与能量和熵•（三）经典电动力学和“以太”说•（四）经典物理学的完成和局限•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（一）经典力学和机械决定论•由牛顿把它概括在一个严密的统一理论中，实现了近代物理学发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基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”的物理学基础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则方程，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（二）热力学与能量和熵•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发展中的第二次理论大综合•熵原理的发现，实际上把演化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•在经典力学和电磁场理论中，基本物理定律中的时间都是对称的、可逆的，它们的基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，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•“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基础上，明确形成了“系综”概念，创立了系综统计方法。从而将热学的唯象的和分子运动论的两个基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（三）经典电动力学和“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。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基础得以奠定，成为近代物理学发展中的第三次理论大综合（四）经典物理学的完成和局限•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”，达到了它的颠峰时期•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世纪发展起来的场物理学是根本对立的•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，已使经典力学的严格确定性出现了缺口•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二、现代物理学革命的序幕（一）19世纪末的三大发现•1．X射线的发现•2．放射性的发现•3．电子的发现（二）经典物理学的两朵乌云•1．第一朵乌云“以太”学说•2．第二朵乌云“紫外灾难”（一）19世纪末的三大发现伦琴（WillhelmKonradRotgen,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他在1895年发现的X射线。1．X射线的发现•1895年11月伦琴发现X射线，一种具有强穿透力的新的射线，它是由阴极射线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劳厄(MaxvonLaue,1879-1960)1914年诺贝尔物理学奖授予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。亨利·布拉格劳伦斯·布拉格(WilliamHenryBragg,1862-1942)（WilliamLawrenceBragg,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.布拉格以表彰他们用X射线对晶体结构的分析所作的贡献。•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微波布拉格衍射贝克勒尔（AntoineHenriBecquerel,1852-1908）1903年诺贝尔物理学奖一半授予法国物理学家亨利·贝克勒尔以表彰他发现了自发放射性；另一半授予法国物理学家皮埃尔·居里（PierreCurie,1859-1906）和玛丽·斯可罗夫斯卡·居里（MarieSklodowska,1867-1934）,以表彰他们对贝克勒尔发现的辐射现象所作的卓越贡献。居里夫妇2．放射性的发现•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·居里当时选择了放射性物质作为她博士论文的题目•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。以后钋和镭的发现，动摇了长期以来科学家们所信守的基本理论。居里夫妇和贝可勒尔共同获得了1903年诺贝尔物理学奖•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毁灭的传统观念，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激烈反对，但终因实验事实的不断证实而得到科学界的承认•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）J.J.汤姆孙爵士（SirJosephThomon,1856-1940）1906年诺贝尔物理学奖授予英国剑桥大学的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贡献。3．电子的发现•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•约瑟夫·汤姆生（J.J.汤姆逊）（英国）对气体放电理论和实验研究作出重要贡献并发现电子而获得了1906年诺贝尔物理学奖（二）经典物理学的两朵乌云•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（1852－1931）在1881年，他和莫雷（1838－1923）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