《近代物理发展史》PPT课件.ppt

近代物理发展史 1 经典物理与近代物理 n第一、立足于牛顿力学的经典物理学和经典自 然科学在很在程度上是关于自然事物、自然属 性、自然过程和自然界规律性的知识，但它往 往没有对这些事物、属性、过程和规律性的机 制（道理）从因果性上作出解释；近代自然科 学所能做到的或应当做到的，则是依据于对微 观过程的了解，解决这些“为什么”的问题。 2 n第二、经典自然科学有它的普遍性和整体性 ，但就对整个自然事物的反映看，经典理论 基本上是关于特殊的、局部的自然领域的知 识；近代自然科学则具有更高程度的普遍性 和更大范围的全局性 3 第一章 发展中的物理学 4 1 相对论 n相对论是现代物理学的重要基石。它的 建立是20世纪自然科学最伟大的发现之 一，对物理学、天文学乃至哲学思想都 有深远的影响。相对论是科学技术发展 到一定阶段的必然产物，是电磁理论合 乎逻辑的继续和发展，是物理学各有关 分支又一次综合的结果。相对论经迈克 耳逊、莫雷实验、洛伦兹及爱因斯坦等 人发展而建立。 5 2 量子力学 n1900年普朗克为了克服经典理论解释黑体辐 射规律的困难，引入了能量了概念，为量子 理论奠定了基石。随后爱因斯坦针对光电效 应实验与经典理论的矛盾，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，为量子理论的发展打开了局面。 1913年，玻尔在卢瑟福有核模型的基础上运 用了量子化概念，对氢光谱作出了满意的解 释，使量子论取得了初步的胜利。之后经过 玻尔、索末菲海森堡、薛定谔、狄拉克等人 开创性的工作，终于在1925年-1928年开成了 完整的量子力学理论。 6 3 原子核及基本粒子 n原子核物理学起源于放射性的研究，是 19世纪末兴起的崭新课题。在这以前， 人类对这年领域毫开所知。从事这项研 究的物理学家，他们通过作新创制的简 陋仪器进行各种实验和观察，从中收集 数据，总结经验，寻找规律，探索不断 开拓新的领域。 1933年以后，原子核 物理理论才逐渐形成。 7 4 固体物理学 n20世纪初，固体物理学就开始深入到微 观领域，人们开始利用微观规律来计算 实验观测量。量子力学首先应用于简谐 振子及简单的原子上，并显示了其正确 性，其次又在化学键的问题上取得了效 果。二十世纪20年代后，固体物理学作 为一门学科在物理学领域中诞生。 8 5 物理学与技术 n物理学的发展为新技术提供了基础，与此相 反的关系也完全存在。假如不采用电子技术 的各式各样的机器，今天的物理学，甚至整 个科学研究都可能连一天也存在不下去。要 建造超高能物理学所不可缺少的巨大加速器 ，必须要动员当前最先进的精密机械技术和 电子学技术才行。同时由于对技术进步的不 断要求，作为这些技术基础的物理学的研究 也正在日益加强。可以说，没有上述各方面 的条件，就不可能存在今天这种大规模、多 方面的物理学研究。 9 6 科学的体制化 n近代物理学的基础工程学科化这种趋势 ，当然是由围绕科学的新的社会状况的 出现所形成和促进的。 10 7 物理学在地理上的扩大 n物理学的变迁，同时也伴有物理学在地 理上扩大。俄国（苏联）、美国、日本 、中国及欧洲、亚洲、非洲物理学在地 理上的扩大，必将会进一步扩大在进行 尖端物理学研究，所以，没有理由认为 这些国家将来不会产生真正的物理学研 究。 11 8 研究技术化 n可以把这一趋势同由物理学所支撑着的 各种各样新技术所持有的可能性相结合 ，看作是社会进步的一个标志。 12 第二章节近代物理学的序 幕 13 一 电子的发现 n背景: 电子的发现起源于 对阴极射线的研究。阴极 射线是低压气体放电过程 中的一种奇特现象。这一 观点得到赫兹等人的支持 ，赞成以太说的大多是德 国人。英国物理学家克鲁 克斯以及舒斯特根据各自 的实验及解释都认为阴极 射线是由粒子组成的。德 国学派主张以太学说，英 国学派主张带电微粒说。 14 J.J.汤姆生对电子研究 n定性研究：J.J.汤姆生还改进了赫兹的静电场偏 转实验，他进一步提高了真空度，并且减小极间 电压，以防止气体电离，终于获得了稳定的静电 偏转。 n定量研究 ：一种方法是用静电场偏转管在管子 两侧各加一通电线圈以产生垂直于电场方向的磁 场，然后根据电场和磁场分别造成的偏转，计算 出阴极射线的荷质比e/m，另一种方法是测量阴极 的温升。因为阴极射线撞击到阴极，会引起阴极 的温度升高。J.J.汤姆生把热电偶接到阴极，测量 它的温度变化，两种不同的方法得到的结果相近 ，荷质比 n普遍性证明 15 二 X射线的研究 n1895年，德国的维尔茨堡 大学，伦琴教授 阴极射线 研究 发现了X射线 16 三、放射性的发现 n对阴极射线研究引起了放射性物质的发 现 。1896年5月18日，贝克勒尔发现了 放射性。 n贝克勒尔发现放射性虽然没有伦琴发现 X射线那样轰动一时，意义却更为深远 。因为这是人类第一次接触到核现象， 为后来居里夫妇、卢瑟福等对放射性研 究发展开辟了道路。 17 第三章 相对论的建立 18 n相对论的研究起源于“以太漂移”的探索以及光行 差的观测。1678年惠更斯把光振动类比于声振 动，看成是以太中的弹性脉冲。但是后来由于 光的微粒说占了上风，以太理论受到压抑，牛 顿就认为不需要以太，他主张超距作用。1800 年以后，由于波动说成功地解释了干涉、衍射 和偏振等现象，以太学说重新抬头。在波动说 的支持者看来，光既然是一种波，就一定要有 一种载体，这就是以太。他们把以太看成是无 所不在，绝对静止，极其稀薄的刚性“物质”。 19 机械波的波动方程与电磁波 的波动方程 20 机械振动只有在弹性介质中传播才形成机械 波，在弹性介质中应用牛顿定律和胡克定律，即 可建立机械波的波动方程，一维横波的波动 方程为 21 机械波的波动方程和波速这些性质是 否也适用于电磁波（包括光波）呢？ 电磁波有类似于机械波的波动方程， 那么，电磁波的波动方程是相对于什 么样的参考系建立的？真空中速度是 相对于什么参考系的。 22 n1861年，英国物理学家麦克斯韦 总结前人的实验规律基础上，推 导真空中电磁波的波动方程，其 一维形式的真空波动方程为： 23 3迈克耳逊莫雷实验 n波动理论假定了真空中充满以太，光相 对于以太的速度C传播，地球上的观察 者所测到真空中光速的数值将是多大呢 ？如果认为地球运动时以太完全没有被 带动，地球上测到的真空光速应该是光 对以太的速度与地球相对于以太速度的 矢量差，为了能够显示出光相对于地球 的传播速度不同于C，迈克耳逊设计了 一个十分巧妙的实验。 24 n在迈克耳逊最初装置中，采用地球公转速度可 得0.04个条纹，这是一个很小的效应，但他的 仪器装置观察到的只是0.02个条纹的变动,即使 进一步改进,结果都没有观察到条纹的移动. 25 4洛伦兹等人的贡献 斐兹杰惹于1889年，洛伦兹于1892年先后独立地 提出了著名的洛伦兹斐兹杰惹收缩假定。他们 都承认以太的存在，在以太中静止的一个长为L 的物体，当它沿长度方向相对于以太速率V运动 时，将缩短到 26 5 爱因斯坦与狭义相对 论 n将相对性原理应用于电磁理论，如果认 为电磁场的麦克斯韦方程组是正确的（ 方程组中真空中光速C的普适常数出现 ）。则必须同时承认真空中光速C对所 有惯性系相同，与波源的运动无关。然 而，这却是于牛顿力学不相等的。在牛 顿力学中，速度总是相对于一定的参考 系，不允许在动力学方程中出现普适的 速度。 27 6广义相对论的建立 n狭义相对论建立之后，爱因斯坦并没有止步， 他认为狭义相对论还有许多问题没有解决，例 如：为什么惯性质量随能量变化？为什么一切 物体在引力场中下落都具有同样的加速度？ 1916年，爱因斯坦发表了广义相对论的基础 ，对广义相对论的研究作了全面的总结。在 论文中，爱因斯坦证明了牛顿理论可以作为相 对论引力理论的第一级近似，并且组给出了谱 线红移、光线弯曲、行星轨道近日点进动的理 论预言 28 7爱因斯坦的成功分析 n1兼收并蓄 n2敢于创新， 突破常规精神 n3哲学修养 美发射探测卫星 验证 88年前爱因斯坦的预言 29 第四章 量子力学的发展 30 一 黑体辐射的研究 n1859年 基尔霍夫物体热辐射的发射本领 e(v,T)和吸收本领a(v,T)的比值都相等，并 等于该温度下黑体对同一波长的辐射度 n1879年 斯特潘根据实验总结出黑体辐射总 能量与黑体温度四次方成正比的关系 n1893年 维恩经验式子 n1900年 瑞利 31 为了解决上述困难，普朗克利 用内插法，将适用于短波的维恩 公式和适用于长波的瑞利金斯 公式衔接起来。在1900年提出了 一个新的公式 32 普朗克与统一思想的波动 普朗克对量子论的研究工作中犹豫徘徊、 畏缩不前的主要原因是物理学的统一性问 题，即如何对量子论的解释。 33 玻尔理论的形成 n光谱 n卢瑟福 n量子理论 玻尔理论 34 n1913年原子构造和分子构造 提出了两 条基本假设：定态、跃迁 n1914年，夫兰克和G赫兹以能量分立的 指导思想，进行电子与原子的碰撞实验设 计。他们利用慢电子与稀薄水银蒸气碰撞 方法，来确定银原子的激发电位或电离电 位。从而证实原子只能处在一定的分立能 量状态当中。由此突破了“自然无飞跃”能 量连续性的经典物理观点。这个实验成为 玻尔原子理论的一个重要证据之一， 35 n1918年，玻尔为了解释谱线强度这一当 时原子理论无法解决的难题，提出了协 调经典物理理论与微观量子理论之间相 互关系的对应原理 36 玻尔的直觉与创新研究方 法 玻尔的科研思想与他的直觉相联系在一起 ，他从不畏缩不前，也不遵循所谓严格的 逻辑道路的方法。玻尔灵活的思维特点与 思想方法在今天已成为越来越多的人所理 解和赏识。 37 量子力学的建立 n1924年泡利提出不相容原理。这个原理促使 乌伦贝克和高斯密特，在1925年提出电子自 旋的设想。从而使长期得不到解释的光谱精 细结构、反常塞曼效应和斯特恩盖拉赫实 验等难题迎刃而解。同年，海森伯创立了阵 矩力学，使量子理论登上了一个新的台阶。 1923年德布罗意提出物质波假设，导致了薛 定谔在1926年以波动方程的形式建立了新的 量子理论。不久薛定谔证明，这两种量子理 论是完全等价的，只不过形式不同罢了。 1928年狄拉克提出电子的相对论性运动方程 狄拉克方程，奠定了相对论性量子力学 的基础。 n 38 第五章中国物理学者在近 代物理学发展中贡献 39 一 出国留学 n中国学者出国留学可追溯到，在19世纪中叶 ，清朝赴欧留学得就达一百多人。清朝洋务 活动的“求强”、“求富”过程中，为训练新式 陆海军和创办近代军事工业和民安企业，曾 陆续派出许多学生到各国求学。在1862 1900年间，有几百人，以官费、自费出国游 学，但主要是学习语言、驾驶、架线、电工 、炮术、造船、铸造、采矿、机织等实用技 术和军事技术，当时不可能也没有眼光派学 生去学习数理化基础学科。 40 二 物理学教育的发展 n在1895年和1897年分别创办了天津西学 堂和上海南洋公学。中西学堂分设头等 学堂、二等学堂，前者相当于大学。 n 1898年创办的京师在大学堂， 41 三 研究机构的建立 n1928年3月在上海成立国立理化实业研 究所，同年6月中央研究院创立，同年 11月理化实业研究所之一部分改名为物 理学研究所，隶属中央研究院。 n 1929年9月在北平建立了北平研究院 n20世纪20年代末，国家批准有条件大学 设立研究部，在教学同时开展科学研究 。 42 四 中国物理学会 n中国物理学会成立于1932年，它是中国物理 学教学，研究发展的必然结果，截止1932年 左右，物理学工作者约300人左右。 n 中国物理学报于1933年创刊。在19331935 年出版了第一卷共三期，至1950年共出版了 七卷。该学报以外文（主要为英文，个别为 法文、德文）发表，附以中文摘要。它在国 内外学术交流中起到了很好的作用。 43 五 国外物理学家对我国近 代物理学发展得作用 n1 国外物理学家对我国物理学者得培养与帮 助。我国许多物理学家都得到了国外著名物 理学者的培养。 n 2 国外物理学家来华讲学极大地促进了我国 物理学的发展。1921年蔡元培和夏元瑮访问 爱因斯坦，并邀请他来中国讲学 。朗之万于 1931年底来华讲学。1937年5月31日至6月4日 ，玻尔来华进行了讲学。 44 六 我国物理学者在近代物 理学中得主要贡献 n吴有训在美国研究Compton效应著称， 他的关于Compton效应中变线与不变线 的能量分布比率的两篇实验论文，确凿 地证明了Compton效应的存在，丰富的 和发展了Compton工作，并加速国际学 术界对Compton效应的认识。吴有训回 国后，或独自或带领研究生继续从事有 关的研究。 45 n赵忠尧在研究硬射线的吸收系数及其散 射的实验中，最早观察到正负电子对的 产生和湮没现象 46 n萨本栋在30年代关于三相电路并矢代数的研 究,是属于数学、物理和电机的三角地带，被 美国电气工程师学会评为1937年度“理论和研 究最佳文章荣获”。40年代萨本栋从事交流电 机研究，以标么值系统分析交流电机问题。 他根据在厦门大学和美国讲课的素材编写的 交流电机基础一书，被英国、美各国高 等院采作教材。开创了中国科学家编写的教 材被国外采用的先例。 47 n1949年，张文裕在吸收介子的云室研究 中，发现了子和子辐射现象，开拓了奇 异原子物理研究的新领域。国际上曾称 此二发现为“张辐射”和“张原子”。 48 n黄昆在1947年发现了后来被称为“黄散 射”，即固体中杂质缺陷导致