诺贝尔物理学奖的颁发对现代科技的影响-LTY课件

1、诺贝尔物理学奖的颁发对现代科技的影响系别电气工程系专业电气工程及其自动化班级方13*-*姓名LTY学号2013*石家庄铁道大学四方学院年 月 日诺贝尔物理学奖的颁发对现代科技的影响班级：方13*-* 姓名：LTY 学号：2013*诺贝尔物理学奖的颁发已经持续将近100年了。这100年正是现代物理学大发展的时期。诺贝尔物理学奖包括了物理学的许多重大研究成果，遍及现代物理学的各个主要领域。100年来的颁奖显示了20世纪物理学发展的轨迹。可以说，诺贝尔物理学奖是20世纪物理学伟大成就的缩影，折射出了现代物理学的发展脉络。诺贝尔物理学奖的颁发体现了物理学新成果的社会价值和历史价值，对科学进步有举足轻重

2、的作用。1.1 诺贝尔物理学奖反映现代科技的发展，获奖成果是现代科技发展到一定阶段的产物1.1.1 首届诺贝尔物理学奖19世纪末，处于当时科学体系中坚地位的经典物理学达到了空前的辉煌。力学、热力学和分子动理论、电磁学以及光学，都已经建立了完整的理论体系，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，伟大的发现不会再有了，以后的任务无非是在细节上作些补充和修正，使常数测得更精确而已。然而世纪之交新的物理学发现，如射线、放射性的发现、电子的发现打破了这一局面，将物理学的发展引向更深入、更广阔的天地。 1895年伦琴在研究阴极射线的过程中，在实验中发现了一种穿透力极强的新的射线

3、，由于当时尚不清楚这种射线的性质，伦琴称之为射线。伦琴因发现X射线而获1901年的首届诺贝尔物理学奖。X射线的发现是生产和技术发展的必然产物，特别是电力工业的发展，电器照明开始广泛应用，促使科学家研究气体放电和真空技术，才有可能发现阴极射线，从而导致了X射线的发现。1.1.2 近十年的诺贝尔物理学奖2000年授予研制用于高速光电子学的半导体异质结构、集成电路的发明，2001年授予根据玻色-爱因斯坦理论发现了一种新的物质状态-碱金属原子稀薄气体的玻色-爱因斯坦凝集，2002年授予宇宙中微子的探测、发现宇宙射线源，2003年授予对超导电性、超流性作用解释，2004年授予发现粒子物理的强相互作用理论

4、中的“渐近自由”现象， 2005 授予对光学相干的量子理论做出的贡献及对基于激光的精密光谱学发展做出的贡献。2006年授予发现了黑体形态和宇宙微波背景辐射的扰动现象，2007年授予发现“巨磁电阻”效应，2009年授予华裔物理学家高锟在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得了突破性成就及博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件电荷耦合器件（CCD）图像传感器。这些获奖的成果都是在现代科技的前沿领域如凝聚态物理、粒子物理学、光学、天体物理学、无线电电子学、低温物理与超导等方面作出开拓性或突破性进展的成果，反映的是前沿科技的辉煌成果，是科学技术发展到一定阶段的产物。2.2 诺贝尔物理学奖的颁发促进

5、了相关领域科技的发展2.2.1 X射线的发现促进了科技的发展X射线的发现及研究，对物理学，化学，生物学和医学等都产生了深刻的影响，并且在这些相关领域造就了数十名诺贝尔奖金获得者。尤其是在物理学科领域，物理学家们对于X射线的研究推动了物理学自身的发展。在对X射线的研究中，物理学发展的连续性体现得尤为清楚，这不仅可以从知识本身的发展中可以看到，也可以从物理学家们的研究过程中充分地得到体现。特别是很多物理学家是在继承了前人的某些思想或是沿袭了前辈的某些研究或实验方法等，从而在这样的基础上继续深入研究，在理论或实验上有新的突破，最终做出新的，独创性的发现。概括来讲，X射线的发现及其性质研究，一方面推动

6、了对原子结构认识的发展，甚至是对原子核认识也是具有启发性的；另一方面又推动了量子力学的发展。X射线为我们认识物质世界提供了一个非常有力的工具。X射线光谱学的发展，为我们认识原子结构的规律性、为原子结构理论提供了直接的实验证据；X射线与物质的相互作用，主要是散射作用，向我们展示了原子、分子在物体中的微观排列图象。这使物理学的研究领域从宏观进入到微观、从经典过渡到现代，具有划时代的作用。因此，在二十世纪早期有几位物理学家都因对X射线的研究而取得的成果获得了诺贝尔物理学奖。(1) X射线的研究对原子结构理论的影响在劳厄发现X射线晶体衍射7年后，也就是1919年，索末菲解释了从受激原子发射的X射线分析

7、中能得到的内容。在他的原子结构和原子谱线一书的序言中，他写道:“自光谱分析发现以来，只要我们掌握了频谱语言，就没有哪位专家还会怀疑原子的有关问题不能解决。60年的实验所堆积的光谱学实验资料，原来觉得是多么复杂，似乎简直无法整理；然而7年来X射线光谱学实验的贡献，使我们可以说:原子问题从根本上已经解决了，原子内部的性质也明确了。”从索末菲的这段话中我们可以窥见X射线的研究，尤其是X射线光谱学的研究与发展对于原子结构理论产生了多么重要的影响。索末菲的评价绝不夸张。N·玻尔在1913年将量子论引入原子内部，提出了原子结构的量子假说。而这种理论是否正确，还需要依赖实验的检验与证明。X射线谱为

8、这一理论提供了有力的证据。这要归功于巴克拉、莫塞莱和西格班等人，因为他们在X射线光谱学的创立和发展上做出了巨大的贡献。X射线光谱学不仅为原子壳层结构理论提供了实验依据，还为人们定量的研究原子的能级开辟了途径。西格班曾经说过：“通过对X射线光谱学发展的简单回顾，可以看出以前认识到X射线是由围绕着原子核的电子云发射的。这为研究原子核外的结构开辟了一条主要途径。不仅仅原子的壳层结构被普遍肯定了，而且还能获得一个详细的定量的能级图。与光学光谱提供的外层能级信息相联系，它提供了现在的核外原子的详细图象。”例如，由X射线光谱学的知识，我们可以推断，最靠近原子核的是K能级，它的外面是L能级，然后是M能级和N

9、能级等。(2) X射线的研究对量子力学的影响我们看到关于X射线是波动本质还是粒子本质的问题一直被争论了很多年，直到1912年劳厄发现了X射线的衍射，波动理论被普遍地接受。但是仅用这一理论对于X射线的描述仍然是不完善的，而关于X射线本质上的这层神秘的面纱最终由康普顿效应的发现而真正被揭开。康普顿效应的量子解释同时考虑了能量守恒和动量守恒。动量守恒是针对客观存在的粒子的，这无疑说明了X射线也具有粒子属性，即是波粒二象性的。这种思想早在1905年爱因斯坦提出光量子概念时已体现，但又经历了很长对间人们才接受X射线本质是波动性和粒子性结合的事实，可见这两种属性在过去看来是“水火不相容”的。而正是这样两种

10、水火不相容的属性的融合开始了量子力学蓬勃发展的历程。X射线，普遍讲是光的波粒二象性成为路易斯·德布罗意物质波假说的重要启示。可见，康普顿效应的发现对于量子力学的发展起了积极的推动作用。(3) 小结X射线一旦发现，立即取得了广泛的应用，医学上成为透视人体、检查伤病的有利工具，后来又发展到用于金属探伤，对工业技术也有一定的促进作用。更重要的是这一发现又掀起了人们研究物理学的热潮。随即放射性的发现获1903年诺贝尔物理学奖。电子的发现等打破了使当时大家深信不疑的原子不可分、元素不可变的传统观念，使人类的认识深入到了原子内部。从此，促进了原子分子物理学的发展，引发了占据现代科学革命主导地位的

11、物理学革命。也正因为对于原子内部结构有了深入的科学认识，才有可能利用原子核分裂所释放的巨大能量为人类活动服务，发展成为今天的核能工业。2.2.2 光学新发现促进了科学技术的进步光学是一门古老的学科，经牛顿、托马斯·杨、惠更斯、菲涅耳、麦克斯韦等人的努力，到19世纪末，已建立起比较完善的光学理论体系，对光的本质也基本探明。但是，随着20世纪初量子力学的建立，特别是20世纪60年代激光的发明，使光学获得了新生，产生了许多新的分支学科。诺贝尔奖曾对它10次颁奖，其中7次授于光学方法与技术的应用方面；迈克尔逊发明了精密的干涉仪和分光仪并用于建立非物质的长度标准(1907年)；彩色摄影术的发明

12、(1908年)；用于灯塔和浮标的自动控制气体照明器的发明(1912年)；拉曼效应的发明(1930年)；相衬现象的发现和相衬显微镜的发明(1953年)；切连可夫效应的发现和理论解释(1958年)；双共振法和光泵法等光学方法的发明(1966年)。当然，20世纪最令人瞩目的光学成就是全息术的发明(1971年)和激光的发明。早在1917年，爱因斯坦在研究黑体时提出了受激辐射理论。1952年-1958年，汤斯、巴索夫和普罗霍洛夫分别提出微波激射器放大原理和激光器的放大原理(1964年)，1960年5月，美国休斯公司的梅曼博士首先研制成功第一台激光器，迎来了激光技术的新纪元。随后，布洛姆伯根创建了非线性光

13、谱学，肖洛开创了激光光谱学(1981年)。20世纪60年代激光诞生后，光学发生了深刻的变化，形成了激光物理、非线性光学、高分辨率光谱学、强光光学、量子光学等分支学科，并正在形成如光子学、超快光学和原子光学等新分支学科，以及与化学、生命科学、医学等形成一系列交叉学科，并形成了一系列高新技术。在21世纪里，光学将得到更大的发展，人们还期望在21世纪研制成功光子计算机、实现光纤孤子通讯技术。在光学发展史上，汤斯小组发明了微波激射器而获1964年的诺贝尔物理学奖，巴索夫和普罗霍洛夫提出激光器的放大原理，在此理论的基础上美国休斯研究实验室的梅曼博士成功研制出第一台红宝石激光器，此后自由电子激光器、准分子

14、激光器、离子激光器等如雨后春笋般地涌现出来，以适应科学技术各方面发展的需要。1966年高锟提出光导纤维在通信上应用的基本原理，描述了长程及高信息量光通信所需绝缘性纤维的结构和材料特性，提出只要解决好玻璃纯度和成分等问题，就能够利用玻璃制作光学纤维，从而高效传输信息。这一设想提出之后逐步变成现实，利用石英玻璃制成的光纤应用越来越广泛，全世界掀起了一场光纤通信的革命。2009年诺贝尔物理学奖授予高锟。2010年授予二维空间材料石墨烯授予方面的开创性实验，2011年授予因超新星的研究而对宇宙学的贡献，2012年授予一种突破性的实验方法，这种方法使得测量和操纵单个量子系统成为可能。光学新发现使古老的光

15、学焕发了勃勃的生机，形成了激光物理、非线性光学、高分辨率光谱学、量子光学等分支学科，形成了一系列高新技术如全息照相、光纤通信，促进了科学技术的进步。2.2.3 凝聚态物理中的发现促进了科技的发展随着科学技术的发展，特别是低温技术的进展，凝聚态研究硕果累累，成为当今最吸引人们注意和最充满活力的科学前沿。从颁奖成就看，20世纪凝聚态的发展可分为3条主线:低温和超导物理的发展；晶体结构分析技术的发展；凝聚态物理理论的研究。1908年，翁纳斯首次液化氦气并于1911年发现了超导电性现象(1913年)，揭开了超导研究的序幕；1928年，卡皮查发明了一种廉价制备液氦的设备并于1938年又发现了液氢的超流性

16、(1978年)。为了解释超导电性的起因，人们提出许多唯象理论，其中最成功的是京茨堡-朗道方程。朗道还提出液氢的超流性理论(1962年)。后来，戴维·李等人又发现氢-3也具有超流性(1996年)。为了解释超导现象的微观本质，巴丁、库珀、施里弗3人于1957年建立了超导的微观理论即BCS理论(1972年)。人们一方面在理论上进行研究，另一方面在应用领域展开探索。1962年，超导体的隧道效应和约瑟夫逊效应被发现(1973年)。1986年，缪勒和柏诺兹发现了转变温度为35K的钡镧铜氧化物超导材料(1987年)，掀起了高温超导研究的热潮。不久，美国的朱经武合成Tc为98 K的超导材料，我国的赵

17、忠贤等人合成Tc为100 K的超导材料。这些成果轰动整个科学界，它标志着超导体研究已进入液氮温度的新时代，为超导技术的实际应用展现了广阔的前景。自从劳厄发现X射线晶体衍射现象后(1914年)，布拉格父子就用X射线研究晶体结构(1915年)，揭开晶体结构分析的序幕。1933年，鲁斯卡发明了电子显微镜(1986年)，1946年，沙尔发展了中子散射技术(1994年)；1981年，宾尼格和罗雷尔发明了扫描隧道显微镜(1986年)，这些成就大大丰富了凝聚态物理的研究手段。1947年-1948年，晶体三极管效应的发现(1956年)给电子技术带来了一场深刻的革命，出现了晶体管收录机、电视机、微型计算机等，对

18、全世界的经济和社会带来了根本的变革。1973年，江崎玲于奈发现半导体的隧道效应(1973年)；1980年，克利青发现了量子霍尔效应(1998年)，这些成就有力地促进了精密测量技术的发展。另外，纪尧姆发现了镍合金钢异常性(1920年)，布罗奇曼发明了高压装置并在高压领域作出许多发现(1946年)。在20世纪，凝聚态物理的理论也得到很大的发展。20世纪30年代，内尔发现了反铁磁性和亚铁磁性，并建立相应的唯象理论(1970年)。1942年，阿尔文发现了磁流体波(即阿尔文波)(1970年)。20世纪50年代至20世纪70年代，范弗莱克创建了量子化的磁性理论，安德森建立了“安德森定域化”和“定域矩”理论

19、，莫特建立了非晶态物质电子过程理论(1977年)，他们3人的贡献对凝聚态物理的每一理论分支都产生了深远的影响。1971年，威尔逊提出了重整化群理论(1982年)，圆满地解决了相变的临界现象这个难题。20世纪60年代至20世纪80年代，德燃纳建立了液晶的相变理论，并把它推广到高分子聚合物和生物膜中(1991年)。20世纪，凝聚态物理取得了巨大的成功，但是还有一些基本问题有待解决:寻找更高温度的超导材料乃至室温区超导材料，建立高温超导的微观机制；探索巨磁阻和超巨磁阻的原因；20世纪90年代诞生的纳米技术将在21世纪得到快速发展，并对科学技术产生重要的影响。凝聚态物理取得了巨大的成功，1970年诺贝

20、尔物理学奖一半授予阿尔文以表彰他对磁流体动力学的基础工作和发现，及其在等离子体不同部分卓有成效的应用；另一半授予奈尔，以表彰他对反铁磁性和铁氧体磁性所作的基础研究和发现，这些研究和发现在固体物理学中有很重要的应用，1977年诺贝尔物理学奖授予安德森、莫特和范弗莱克以表彰他们对磁性和无序系统的电子结构所作的基础理论研究，1982年诺贝尔物理学奖授予威尔逊以表彰他对与相变有关的临界现象所作的理论贡献，1991年诺贝尔物理学奖授予法国的德纳然表彰他把研究简单系统中有序现象的方法推广到更复杂的物理态，特别是液晶和聚合物所做的贡献，这些贡献推动了高温超导材料的研究和纳米技术的发展。1995年，三位科学家冷却一种名叫玻色子的粒子，得到了玻色爱因斯坦凝聚物，于2001年荣获诺贝尔物理学奖，从而引发国际竞争，各国争相研究费米对的凝聚问题2003年1月，随着杜克大学的托马斯(JohnThomas)报告强相互作用下费米气体的普遍性质，同年5月美国实验天体物理联合研究所(JILA)亚裔科学家金(DebbieJin)报告了一