近代物理实验选修讲义

近代物理实验选修讲义一、近代物理

在19世纪末，经典力学、热力学、统计物理学和电动力学取得一系列成就，物理学家建立了一座座宏伟的科学大厦。此时，不少人认为，后辈物理学家似乎只有做一些零碎的修补工作就行了。但是，“在物理学晴朗的天空出现了两朵令人不安的“乌云”（开尔文1900.4）”。一朵是迈克尔逊-莫雷实验（相对论）；一朵是与黑体辐射有关（量子力学）。正是这两朵乌云，掀起了物理学上深刻的革命——近代物理的蓬勃发展。近代物理的内容：1、量子力学和狭义相对论（微型计算机、激光和光通信、核能、纳米科学、同步辐射）2、原子和分子（化学、生物学、材料科学、超导）3、原子核和粒子（核能开发、核技术应用）4、广义相对论和天体（正确的时空观）5、混沌（非线性科学）一、原子和分子理论的几个代表性事件1、原子的行星模型原子中带正电部分集中在原子中心很小的体积中，但它占有整个原子99.9%以上的质量，电子围绕原子核做不停的转动。它的意义及困难①最重要的意义是提出了原子的“核式结构，根据这一模型，利用散射来研究物质结构的方法成为材料分析的有力手段。例：用α粒子对月球表面的卢瑟福散射，分析了月球表面的成分，与取样结果基本符合。②无法解释原子的稳定性。由于电子在做加速运动时不断地失去自己的能量，从而向着核作螺旋形的运动，最终掉到核内，使正负电荷中和，原子完全崩溃（原子坍塌）。2、黑体辐射的普朗克的量子假说若一物体对什么光都吸收而无反射，我们就称这种物体为“绝对黑体”简称黑体。一束光一旦从狭缝射入空腔后，就难再通过狭缝反射出去，这个空腔的开口就可以被看成是黑体。如图所示经典：普朗克：

电磁辐射的能量交换只能是量子化的，即

由于普朗克的量子说与经典物理的概念严重背离，正式提出五年之后，没有人理会，直到1905年才由爱因斯坦作了发展，提出光的量子说，用E=hν成功地解释了光电效应。3、著名的传统实验①光电效应②密立根油滴实验③夫兰克-赫兹实验、4、目前的著名实验

原子的概念并非是一种假设，目前人们不但能观测到实实在在的原子，还能在某些特定条件下人为地操纵和控制它们。下图就是用扫描隧道显微镜的探针在铜的表面上逐个将48个铁原子摆成的直径为142.6A0的圆环。

没有原子结构模型的研究，就不会有今天的近代物理（量子力学）的高楼大厦。随着对物质结构更深层次的研究的不断深化，近十年来，人们又在做“油滴实验”企图寻找分数电荷。（近代物理的很多实验都是有着很强的生命力）二、原子核和粒子

原子核是物质结构的一个层次。它介于原子与粒子之间，是由质子与中子（统称核子）组成的非相对论量子多体体系。原子核在物质结构“链”上所处的地位如图：5、原子物理与其它学科的关系：

基于原子核物理的核磁共振技术在已在物理学、化学、材料科学、生命科学和医学领域得到广泛的应用。（今年生物和医学的诺贝尔奖）核磁共振：原子核的磁矩在恒定磁场和高频磁场同时作用且满足一定条件时所发生的共振吸收现象。一个磁矩和一个恒定磁场的相互作用能为：

由于相互作用能的大小远小于原来核能级的相邻能级间的能量差，原来的一个核能级附加上相互作用能，只能分裂为2I+1个子能级。只有从交变电磁场吸收能量hν,处于低子能级的原子核就可以跃迁至高子能级。即：恒定电磁场保证能级分裂，交变电磁场使其产生可观察的吸收峰。当把恒定的电磁场变为在空间有梯度的电磁场时，不同空间处的物体或同一样品的不同位置处的点，相互作用能不同。如同物体成象时的位相不同一样，其共振频率不同，所表现出的吸收谱不同—核磁共振成像技术。三、广义相对论与天体1、广义相对论基于两个基本原理：等效原理和广义相对论原理。其中等效原理是整个广义相对论的基础和出发点，而等效原理的出发点是实验事实。等效原理：物质惯性质量等于引力质量广义相对论原理：物理定律在一切参考系中都具有相同的形式，或者说物理规律的表述都相同，即它们在任意坐标变换下都具有协变性。所谓协变性，就是在坐标变换下公式或方程的形式不变。这样对物理规律而言一切参考系都平等，彻底消除了惯性系的特殊地位。2、天体的研究方法一是测量天体离我们的距离，二是获取天体的物理信息。物理信息的获得—光谱测量能够探明天体上发光体的化学组成，探明它所含有的原子、分子、离子以及其它粒子的丰度；了解它所在的局部物质状态、温度、密度、磁场、电场…..；在近三四十年里，人们能探测到的已不仅仅是可见光，已经扩展到包括射电、红外、紫外以及X射线等在内的整个电磁波谱的各波段。为了减少地球大气层、电离层的影响，人们尽可能把天文望远镜用卫星送上太空。除哈勃太空望远镜外，正在规划中的世界空间观测站计划把紫外天文卫星发射到地球150万公里的太空。3、光谱的获得①传统方法：光谱是用光谱仪测量的，其种类繁多。但基本结构原理相近，大致由三部分组成：光源、分光器（棱镜，或光栅）；记录仪（把分出的不同成分的光强记录下来）下图是棱镜摄谱仪的原理图②利用光敏器件制成的传感器来传输信息。各种光电传感器是以光作为媒介来感受被测对象的信息的，是一种非接触式测量，免去了传统的接触式测量中由于与被测对象间的机械相互作用而导致的测量误差，同时使本来无法实现的测量成为可能，这种基于光敏传感器的非接触式测量又是遥测和遥控的重要基础。3、醒目的天体研究四、混沌1）牛顿的决定性和可预测性2）随机性的不可预测性在自然界中，决定和混乱（或随机）并存而且紧密联系。3）混沌，又名浑沌，其原意指事物生成前宇宙的原始空虚状态。如今，混沌是指非线性确定性系统的运动和演化具有内在随机性的一种表现。它的一个重要特征是：对初值的极端敏感性。“蝴蝶效应”：今天在北京一只蝴蝶扇动一下翅膀，可能下月在纽约引起一场暴风雨。混沌实例1）天体运动的混沌三体问题，不可能有解析解是不争的事实，该类问题目前只能用计算机进行数值计算。（天文观测面临的主要问题是简化的二体问题）长期的天气预报是不可能的；恐龙灭绝、1994年一颗彗星撞上木星等都很可能是星体混沌运动的一种表现。2）生物界的混沌生物的进化（适者生存）就是具有反馈的混沌；人的自身免疫反应。3）飞机后面产生的气流涡流、液流后面出现的十分紊乱的流动混沌图

以上的混沌实例具有很大的实际意义，但至今没有满意的理论说明。混沌学说的建立给这方面的研究提供了可能。二、高新技术

以信息技术为先导，以新材料技术为基础，以新能源技术为支柱，在宏观领域向空间及海洋技术发展，在微观领域则向生物技术开拓。1、光学信息处理及数字化技术阿贝成像和空间滤波起源于19世纪70年代德国科学家阿贝提出的成像原理和20世纪初的阿贝-波特实验，它给出了一种新的方式来描述光信息的传播，为人们对光信息的筛选、提取和处理提供了新的思想和途径。它把通信理论中的调制、滤波、选频等概念与方法引入到光学的领域，其基本思想是用空间频谱的概念来分析和处理光信息。理论研究和应用范围日益广泛，是目前现代光学中非常活跃的研究方向。实例：观察天空中最亮的恒星天狼星的伴星光电数字转换技术—CCD技术

由于在数码相机和数码摄像机等方面的应用，CCD阵列式传感器得到了很大的发展。它与普通的成像器件相比有很多明显的优点，它集光点转换功能、存储功能以及扫描功能于一身。由于它以数字的方式记录图象，使图象的记录和处理计算机化，在图象的编辑、网页的制作和传输、图象的存储等方面发生了一系列革命性的变化。（将开出此实验）2、纳米技术纳米是nanometer的译名，即为10-9m，通常用nm表示。但要注意的是，在这里，纳米技术不仅仅意味着空间尺度小，而且是提出一种新的思考方式，即生产过程要求越来越精细，致使在最后能直接操纵单个原子或分子以制造具有特定功能的产品。它是21世纪最重要的高新技术之一。一旦进入纳米技术范围，量子力学效应就会出现。而它的得力工具是扫描隧道显微镜。事实表明：纳米技术正是成功地把量子力学原理应用到技术领域的光辉典范。纳米材料介绍：纳米材料是指几何尺寸为纳米量级的微粒或由纳米大小的微粒在一定条件下加压成型得到的固体材料。纳米材料包括纳米金属、纳米金属化合物、纳米陶瓷、纳米非晶体材料等。①纳米微粒的尺寸比可见光的波长还小，所以光在纳米材料中传播时的周期性被破坏，所呈现出的光学性质与普通材料不同。如对光的反射能力低，纳米金属微粒一般都呈黑色。纳米微粒结构特点是表面原子比很大，从而具有很高的表面能，成为活性极好的催化剂，量子效应也非常明显，在磁、光、声、热、电等宏观特性与普通材料有明显不同。②纳米材料的应用纳米材料具有很多潜在的应用价值，我国已将纳米科学技术列入攀登计划项目。有以下几个方面应用：

微电子器件方面；磁记录方面；传感器方面；催化方面；3、超导①基本性质：“直流零电阻”；“完全抗磁性”②超导理论：定量的理论需要用到较高深的量子力学和数学知识，低温超导代表理论：BCS理论，高温超导机理还不十分清楚。③超导应用：a.磁悬浮列车b.超导计算机由于集成化程度高、运算速度快，热耗散问题就成了制约计算机运算速度的一大问题超导的低热耗散特性为发展新一代的计算机提供了可能性。4、超声检测技术超声波是声波的一部分如图因此它遵循声波传播的基本规律（声波是机械波）。但由于超声波的频率很高，因而传播的方向性较强，而且即使在位移振幅很小的情况下，介质质点的加速度也非常大（a=ω2A），这是超声加工处理的基础。也是决定了超声波具有与可听声不同的用途。

超声检测是一种无损检测。超声波可以穿透无线