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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较符合的黑体辐射公式。但是，这个公式推出，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”20世纪初的这两朵乌云最终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三、相对论的建立（一）狭义相对论的建立

1．以太漂移实验与收缩假说

2．洛仑兹变换

3．彭加勒的相对性原理

4．狭义相对论基本原理的提出

5．闵科夫斯基的4维世界

（二）广义相对论的建立（一）狭义相对论的建立1．以太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部分曳引的如果静止以太说是正确的，在地球高速运动时，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，企图测量地球在静止以太中的相对运动，它们均给出了否定的结果。其中最著名的实验是由迈克尔逊和莫雷完成的迈克耳孙（AlbertAbrhamMichelson,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精密仪器及用之于光谱学与计量学研究所作的贡献。

迈克尔逊在光速测量方面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2．洛仑兹变换1895年，洛仑兹发表了题为《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3．彭加勒的相对性原理在物理学的这场变革中，彭加勒在物理学的几个领域中都做出了重要的贡献。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表明，“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。”4．狭义相对论基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，直至把经典力学与经典电动力学统一起来，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发展5．闵科夫斯基的4维世界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，它们被自然与和谐地纳入到相对论的理论之中

（二）广义相对论的建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？如何确定物体在做惯性运动。最终又回到了"不动的绝对空间"四、量子论的初期发展与量子力学建立（一）量子论的初期发展

1．黑体辐射的研究

2．普朗克的“量子”假说

3．光量子假说（二）量子力学理论的建立

1．德布罗意波

2．薛定谔的波动力学

3．海森伯的矩阵力学

4．量子力学的万本哈根学派的诠释1．黑体辐射的研究1879年德国物理学家斯特藩从实验结果中得出了黑体单位表面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了热辐射定律。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年诺贝尔物理学奖普郎克（MaxKarlErnstLudwigPlank,1858-1947）

1918年诺贝尔物理学奖授予德国柏林大学的普郎克以承认他发现能量级对物理学的进展所作的贡献。2．普朗克的“量子”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，而这个公式与实验结果精确相符，它就是普朗克公式，即普朗克辐射定律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。由于普朗克发现了能量子，对建立量子理论做出了卓越贡献，获得了1918年诺贝尔物理学奖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基础的物理学思想方法爱因斯坦(AllbertEinstein,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,特别是发现了光电效应的定律.3．光量子假说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”爱因斯坦研究了用光的能量连续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（二）量子力学理论的建立路易斯.德布罗意(PrinceLouis-victordeBroglie,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了电子的波动性.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、衍射和干涉》、《物理学－量子、气体运动理论以及费马原理》。在这几篇短文中，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他因为发现了电子的波动性而获得了1929年诺贝尔物理学奖，他也是唯一一个因博士论文而获得诺贝尔物理学奖的人（以前的观点）五、原子结构理论的发展1．原子有核模型的建立2．玻尔原子结构的量子理论3．玻尔理论的推广尼尔斯·玻尔（NielsBohr,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的辐射所作的贡献。1．原子有核模型的建立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2．玻尔原子结构的量子理论1913年玻尔提出的原子结构理论，是量子论发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，玻尔的理论却表明在描述原子的结构和运动规律中，作用量子也具有本质的意义。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玻尔理论提出了一个动态的原于结构轮廓，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发展。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弗兰克G.赫兹(JamesFranck,1882-1964)(GustavHertz,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.赫兹以表彰他们发现原子受电子碰撞的定律.弗兰克和赫兹（德国）发现原子和电子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—赫兹实验洛伦兹塞曼（HendrikLorentz，1853-1928）（PieterZeeman，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,以表彰他们在研究磁性对辐射现象的影响所作的特殊贡献。

3．玻尔理论的推广索末菲在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年诺贝尔物理学奖实验1-1钠原子光谱实验1-3塞曼效应六、原子核物理的建立与发展（一）原子核结构的早期探索1．质子－电子核模型2．中子的发现3．核磁矩的发现（二）粒子加速器的创建与发展（三）核裂变研究（四）原子能的应用（一）原子核结构的早期探索1．质子－电子核模型十九世纪20年代末到30年代初，人们认识到的基本粒子仅限于质子、电子和光子。并普遍认为，一切物质都是由电子和质子构成的查德威克(SirJamesChadwick,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他发现了中子。2．中子的发现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》的论文查德威克发现中子，不仅改变了当时人们对物质