第三讲原子物理

中国原子弹实验1第三讲核科技2“我不知道第三次世界大战用什么武器,但我知道第四次世界大战用的武器是石头。”

————爱因斯坦，世界物理学大师3古典原子论一根木棒,日取一半,万世不竭。——惠施(战国)物质不能无限分割,最小的部分叫“端”。——墨子(战国)物质由极小的原子构成,物质只能分割到原子。——德谟克利特(古希腊)4德谟克利特的故事公元前五世纪,德谟克利特出生于一个富裕的家庭,为学术研究游历世界(埃及、巴比伦等地)而耗尽家财,回到母邦却面临一项“挥霍财产罪”的法律指控,如果罪名成立,他将被逐出城邦,并且死后不得在本土下葬。德谟克利特在法庭上宣读了他游历时写下的名著《宇宙大系统》,法官和陪审员听罢大惊,决定给他游资5倍的奖励,并且在他生前在城邦里为他建造塑像。德谟克利特的名言是：“我宁愿得到一个因果的解释,而不愿做波斯的王”。5（1）一切物质都是由微小的，不可分割的微粒原子构成。（一）第一代核专家1811年，提出分子论，指出分子和原子的区别：1869年，发现元素周期律。指出：（1）道尔顿（英国）1803年，提出原子论，指出：（2）阿伏伽德罗（意大利）（3）门捷列夫（俄国）（2）不同的物质含有不同的原子。（3）不同的原子具有不同的性质、大小和原子量。原子可以构成分子，分子也是构成物质的基本微粒。原子量的大小决定元素的化学性质。元素周期表是化学的精髓。678道尔顿门捷列夫910细节：在两个平行的金属板上分别充上正电荷和负电荷，在两板之间产生阴极射线（电子流），射线击中玻璃管壁发出绿色荧光。（二）第二代核专家（1）伦琴（德国）1895年，发现X射线，进一步研究发现高速电子减速会发出

X射线。（2）贝克勒尔（法国）1896年，发现铀的天然放射性。揭示出“潜藏在原子里面的能量必是巨大无比的。”（3）汤姆逊（英国）1897年，发现电子。指出：这是电子流撞击玻璃管壁造成的。11++－－－－－－阴极射线玻璃管壁－－绿色荧光－－金属板金属板12提出原子结构的“葡萄干模型”。推测：+—+－+—（1）原子是一个球体。（2）正电荷均匀分布在球体内。（3）电子像葡萄干一样嵌在正电荷上。13琴伦汤姆逊14（4）居里夫妇（法国）1898年，发现放射性元素钋和镭。（5）普朗克（德国）1900年，得出黑体辐射公式：及光量子能量公式：发表《正常光谱能量分布理论》指出能量的传播是不连续的,“能量是由确定数目的、彼此相等的、有限的能量包构成的。”量子理论就此诞生。居里夫人普朗克15背景：1820年，奥斯特（丹麦）发现电流能使小磁针转动。1821年，法拉第（英国）发现变化的磁场产生电流。1873年，麦克斯韦（英国）根据：即电流产生磁场。①变化的电场产生变化的磁场。②变化的磁场产生变化的电场。利用流体的数学方法，建立了麦克斯韦方程组。指出：①变化的电场产生变化的磁场，变化的磁场再产生变化的电场，这种交替变化的电磁场以一定的速度传播，就是电磁波。②经过计算发现电磁波传播速度与光速相同，断定：“光本身就是一种电磁波。”16171887年，赫兹（德国）用实验证实了电磁波的存在，也证实了光其实是电磁波的一种。☆光是粒子，因为光沿直线转播，且有反射和折射现象；光又不是粒子，因为两束光不会发生碰撞；光是波因为光有干涉和衍射现象；光又不是波，因为光的传播是不需要介质的，所以光有波粒二象性。181905年,爱因斯坦(德国)发表《关于光的产生和转变的一个启发性观点》,提出“光量子假说”，成功解释了光电效应。同年发表《狭义相对论》提出光速不变原理，指出物体在以接近光速运动时，“时间变慢，长度变短”。即物体的运动速度决定了时间的快慢和空间的长短。及“质能关系式”:,指出：微小的质量蕴含有巨大的能量。1915年,提出《广义相对论》,指出:引力就是弯曲的时空，物质的质量决定空间的曲率。“物质告诉时空如何弯曲,时空告诉物质如何运动。”得到“爱因斯坦场方程”:19广义相对论成功解释了“水星近日点进动现象”。1919年,英国天文学家爱丁顿在观测日食时验证了广义相对论。201994年，美国建成GPS全球卫星定位系统，其中卫星的时钟设计就考虑了广义相对论效应。目前，世界主要国家的科学家正在秘密研究“时光机器”，即《月光宝盒》计划。一旦成功，人类就可以回到过去，或去往未来。广义相对论证明这是可能的。21（6）卢瑟福（英国）1911年，用铅盒内的镭发出α射线（质子流）轰击金属薄片，结果：+++++++++铅盒镭金属薄片α粒子闪光（1）大部分α射线穿了过去。（2）小部分α射线大角度散射，甚至弹了回来。1918年，发现质子。22α粒子散射示意图空间金原子原子核α粒子偏移的α粒子弹回的α粒子23提出原子结构的“行星模型”：+－（1）原子的中心有一个很小的核。（2）所有的正电荷和大部分质量集中在核里。（产生对α粒子的强大电荷斥力和反弹力。）（3）电子像行星一样绕原子核旋转。2425261913年，通过研究氢原子光谱，发表《论原子和分子的构造》,指出：①电子在量子轨道上绕原子核稳定运动。②当电子从高轨道迁跃到低轨道时，原子发光。③当原子吸收特定波长的光线时，电子从低轨道迁跃到高轨道。（7）玻尔（丹麦，量子哲学家）玻尔271922年,索末菲(德国)出版《原子构造与光谱线》,成为物理学家研究原子理论的“圣经”。索末菲,数学博士,曾任著名数学家克莱因的助手,人称“量子工程师”。有人问他如何才能成为理论物理学家,他回答:“如果你想成为物理学家,你必须做三件事情,第一,学习数学；第二,学习更多的数学；第三,坚持这样做。”（8）德布罗意（法国）1923年，发表《辐射—波和量子》，提出物质波理论。得出波长与动量关系式：.德布罗意281923年,玻色(印度)提出“玻色-爱因斯坦统计”,符合这种统计的粒子叫做“玻色子”。玻色的故事：玻色在中学时就表现出天才的数学才能,有次数学作业,老师觉得100分也不足以表达对这份作业的赞赏,打了110分。玻色后来到玻尔的研究所工作,有一次玻尔演讲,突然遇到一个难点讲不下去了,就对台下说:“玻色教授,请来帮帮我。”玻色一直在台下闭目养神,听到所长有困难,立马走上台,几分钟就把难点解决了,然后回到座位继续闭目养神。291924年，泡利(德国)发表《原子内电子群及光谱的复杂结构》提出泡利不相容原理。从理论上解释了多电子原子核的核外电子排布规律。一举奠定现代化学的理论基础。化学从此有了自己的理论,先后发展出量子化学、计算量子化学。泡利还是美国原子弹之父奥本海默的老师。化学是原子、分子水平的物理学。30泡利的故事：泡利从小自学大学课程,12岁时,小泡利听索末菲演讲,索教授问:“听懂了吗？”泡利答:“听懂了,但黑板左上角的那些除外。”索教授回头一看,发现确是自己写错了！高中毕业后,直接入读索末菲的研究生班,几天后转入高级班,并是高级班上接受和理解最快的学生。1958年,泡利在瑞士的苏黎世得了重病,入住137号病房,当时他正在研究精细结构常数α=1/137的物理意义,房号正好是这个常数的倒数,不久泡利在这个病房去世。据说泡利去世后到了天堂,追问上帝α=1/137的物理意义,上帝把答案写在一张纸上递给泡利,泡利看了看,口头禅脱口而出“我不同意你的观点。”311925年,海森堡发表《关于运动学和力学关系的量子论转译》,提出了矩阵力学,电子终于有了自己的运动方程。（主要用矩阵运算,傅立叶分析）海森伯321926年，薛定谔发表《作为本征值问题的量子化》，提出波动力学，并得到定态薛定谔方程：●（二阶线性微分方程）和含时薛定谔方程:1926年，薛定谔发表论文，证明矩阵力学和波动力学在数学上等价。薛定谔331926年，波恩（量子数学家，希尔伯特的助手）提出“波函数的概率解释”，指出ψ的绝对值的平方表示单位体积内发现一个粒子的概率。薛定谔方程“严格决定的只是一个概率”。34351927年，海森堡发表《论量子理论的运动学和力学的直观内容》，提出“不确定性原理”，指出人类不可能同时测准一个电子的位置和动量，“不确定性原理”指出了科学研究的边界和人类能力的极限。●361927年，第五届索尔维物理会议在比利时的布鲁塞尔召开，29名世界物理大师汇聚一堂，会上玻尔提出了量子力学的“哥本哈根诠释”：“在亚原子层只有概率和偶然性，根据所选择的实验类型光可以是波,也可以是粒子。”3738决战量子之巅391928年,发表《电子的量子理论》,提出相对论化的电子波动方程:它第一次把量子力学和狭义相对论统一了起来。这个方程导出一个很大的问题，就是在数学上预言出还存在一个和我们这个世界完全相反的“负“世界，在这个负的世界里，所有的物质都具有负的质量和负的能量——即存在反物质；狄拉克方程另外的副产品是推演出电子的自旋。电子本身也在象一个陀螺一样飞转。1930年，出版《量子力学原理》,至此量子力学完整确定。书上有一句名言：“这里需要全新的物理学思想”。（10）狄拉克（英国）●401929年,英国的阿特金森和奥地利的豪特曼斯提出设想,太阳内部轻元素的核之间的热核反应所释放的能量是太阳能的来源,这是天然的自控热核反应。41（10）劳伦斯（美国）1931年，建成第一台回旋加速器。4243（1）查德威克（英国）1932年，发现中子。（3）居里夫妇（法国）1934年，发现人工放射性。（三）第三代核专家查德威克（2）安德森（美国）

1932年，从宇宙线中发现正电子，证实狄拉克的预言。（4）汤川秀树（日本）1934年,几乎是自学成才的汤川提出解释原子核内部强相互作用的“介子理论”。44汤川秀树故事：中学时,幽默的数学老师竹中马吉使汤川秀树着迷于数学；高中时物理老师森总之助，更使汤川秀树成为“书虫”。他几乎隔几天就要去一次专卖欧美版书籍的刃善京都书店,他买得最多的是数学书和物理书。高中时受到又一个物理老师长冈半太郎的影响，决心走上物理研究之路。而他的父亲琢治却在犹豫是否送汤川秀树上大学,校长森外三郎作了这样令琢治下决心的保证:“汤川秀树的头脑是属于在飞跃中转动的类型,他的构思敏锐,数学上有天才之处,这一点,我可以向您保证。”451947年,汤川的介子理论得到实验证实.1949年,汤川秀树获得诺贝尔物理学奖.成为日本第一个诺贝尔奖获得者。他的老师长冈半太郎终于在他去世前一年见到自己的学生站上了诺贝尔奖的领奖台,日本科学跻身世界一流的行列。461935年,薛定谔在关于“猫态”的论文中,提出“纠缠态”的概念。即：在量子力学中,有共同来源的两个微观粒子之间存在著某种纠缠关系,不管它们被分开多远,都一直保持著纠缠的关系,对一个粒子扰动,另一个粒子(不管相距多远)立即有反应。纠缠态对于了解量子力学的基本概念具有重要意义,已在一些前沿领域中得到应用,特别在量子远程通信方面,我国科学家潘建伟已经成功的制备了8粒子最大纠缠态。471937年，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳根据量子力学原理推断：自然界可能存在一类特殊的费米子，它是自己的反粒子。即“马约拉纳费米子”，该粒子至今仍未找到。一旦找到，就仿佛找到了通往拓扑量子计算时代的“钥匙”。量子计算机一旦研制成功，不仅运算速度会上千倍地提高，耗电量也会减少到与一台普通台式机相当。48马约拉纳是费米的同事，擅长心算，有一次Fermi计算中子的寿命，在黑板上算啊算，Majorana就在旁边想啊想，Fermi说我得到结果了，Majorana说，是十五分钟吧?与Fermi的结果一样，Fermi当时就郁闷了，把粉笔一甩走了。Majorana在二战期间离奇失踪，Fermi认为Majorana的才华足以和任何人比肩。49（4）哈恩（德国）1938年，用中子轰击铀，发现铀核裂变。1939年，迈特纳(德国的居里夫人)和弗里希(迈特纳的侄子)用“液滴模型”提出了核裂变理论。1938年，提出热核反应理论。指出在高温条件下，两个氢原子聚变成一个氦原子也可放出巨大热量。并解释了太阳的能量。（5）贝特（德国）细节：研究发现：同等质量的轻核材料与重核材料，轻核聚变释放的能量是重核裂变的3~4倍。（6）西拉德（匈牙利）1939年，猜测铀核裂变可以产生链式反应。50中子铀原子核核裂变原理51核裂变原理52核裂变原理53氢原子核聚变原理结合能大结合能小高温高压氦原子541940年，用回旋加速器发现了钚。（8）西博格（美国）（7）居里夫妇（法国）1939年，发现铀核裂变会同时发出第二代中子，每次核反应平均放出的中子数接近3个。从而证明链式反应的可能性。1940年，提出氦Ⅱ超流性的量子理论。成功解释了氦Ⅱ超流现象，开创了凝聚态物理学。（9）朗道（苏联）朗道55列夫·朗道(L.D.Landau1908—1968)，前苏联伟大的理论物理学家，郎道生平共发表一百多篇学术论文，涉及固体物理、原子核物理、等离子体物理、流体力学、天文学、量子力学和量子场论等各个领域。他与他的学生栗弗席兹合著的理论物理全集九本书，实质上是理论物理方面最基本最完善的论著，书中论述的独创性和所包罗材料的广博，在世界各国都是极为罕见的。这部全集获得了巨大声誉，郎道本人则被誉为理论物理大师。他还团结了一大批科学家和青年学生，形成了举世闻名的苏联理论物理学派。56朗道认为自己是苏联第一流的物理学家,他的一个学生是二流的，其他苏联物理学家都是三流的。当时苏联政府腐败严重，朗道说：“整个国家被犯罪分子控制着”，“木匠领导着国家的科研工作”，结果被人诬陷为德国间谍抓进监狱，差点死掉。57

1908年朗道出生于一个知识分子家庭，这是一个充满科学氛围的家庭。其父是一位石油工程师，在巴库油田工作。母亲曾在圣彼得堡接受过医学教育，当过教师和医生等职务。朗道7岁学完了中学数学课程，12岁时就已经学会微分，13岁时学会了积分，可以说“数学思维几乎成了他的本能”。

1924年，16岁时转到列宁格勒大学物理系，在那里第一次接触到了物理学发展的浪潮。在那段时间里，他入迷地演算海森堡、薛定谔、索末菲和狄拉克的量子力学。58

1927年，在19岁生日的前两天，朗道从列宁格勒大学毕业，成为苏联科学院列宁格勒技术物理研究所的研究生。

1929年10月，朗道被批准出国。朗道来到玻尔研究所，参加了玻尔主持的理论物理讨论班。玻尔在物理方面的直觉令朗道佩服不已，后来朗道时常提到自己是玻尔的学生，虽然他只在玻尔研究所工作了四个月。期间，朗道还访问过卢瑟福主持的剑桥大学卡文迪许实验室，结识了另一位苏联物理学家卡皮查（莫斯科物理问题研究所所长，诺贝尔奖获得者，晚年主要从事“电光火球”的研究）。59在不到两年的时间中，朗道先后在德国、瑞士、荷兰、英国、比利时和丹麦进修访问。他曾回忆说，在这段时间里，除了费米之外.他见到了几乎所有的量子物理学家。在与这些著名科学家的交往中，朗道充分地展示了他的才能和个性。有一次朗道听爱因斯坦的报告，到讨论时间，朗道第一个发言：“爱因斯坦先生讲的东西也许不那么愚蠢”,“但是他给出的第二个方程绝对不能由原始条件推理出来，还需要一个条件”。爱因斯坦略一沉思，微笑着说：“你说得很对，大家可以把我今天讲的全部忘掉。”60朗道曾经参与了苏联的核武器研制计划，在其中进行数值计算方面的工作，并因此两次获得斯大林奖金，还在1954年被授予“社会主义劳动英雄”称号。

1958

年，为了庆贺朗道的

50

寿辰，苏联原子能研究所曾经送给他一件很有意思的礼物。那是一块大理石平板，板上刻了朗道生平工作中的十项最重要的科学成果，人们借用了宗教上的名词，把这些成果称为“朗道十诫”。这十项成果是：

1934年，他免于答辩获得了列宁格勒大学的物理学博士学位和数学博士学位。611.量子力学中的密度矩阵和统计物理学（1927年）；2.自由电子抗磁性的理论（1930年）；

3.二级相变的研究（1936—1937年）；

4.铁磁性的磁畴理论和反铁磁性的理论解释（1935年）；5.超导体的混合态理论（1934年）；

6.原子核的几率理论（1937年）；

7.氦Ⅱ超流性的量子理论（1940—1941年）；

8.基本粒子的电荷约束理论（1954年）；

9.费米液体的量子理论（1956年）；

10.弱相互作用的

CP

不变性（1957年）。

62

1962

年，他由于“研究凝聚态物质的理论，特别是液氦的研究”而获得了诺贝尔物理学奖。朗道当时由于身体原因，不能前往国外领奖。结果诺贝尔奖基金会打破了惯例，在历史上第一次不是在瑞典首都由国王授奖，而是由瑞典大使在莫斯科授与了朗道这一物理学研究的最高荣誉。朗道也深深影响了苏联物理学界的一代学风。他自己的数学功底极为扎实，却较少在成果中显现，因他走的是玻尔的路子，更喜用简单但深刻的物理模型来说明问题。所以大家一般认为朗道是唯像物理学大师。63但他对学生数学的要求竟是极严，凡他门下的弟子，每人都要准备上一大摞厚厚的本子，象小学生一般工工整整地作上几千道繁难的数学题。临毕业之前，还须经过他亲自出题考核。这些考题涉及到理论物理学的方方面面，其中的数学已经困难到夸张的地步，偏偏还不许查书，题量又是极大，很多人一看到卷子就被吓得面无人色。64朗道一生的工作大多集中在凝聚态物理学，被认为是凝聚态物理学（CondensedMatterPhysics）这一现代物理最大分支的创建者。朗道也许是上个世纪最有个性的物理学家。作为一个物理学家他就像莫斯科物理问题研究所所长卡皮查所说：“朗道在整个理论物理学领域中都做了工作，所有这些工作都可以用一个词来描述——卓越。”作为一个普通人，他是“简单化作风和民主作风．无限偏执和过分自信的奇妙混合体。”65他的《理论物理学教程》。按照朗道原来的计划，这套教科书应为九卷：(1)《力学》(1940版是朗道与毕季哥尔斯基合著)(2)《场论》(3)《量子力学(非相对论部分)》(4)《量子电动力学》(5)《统计物理学I》(6)《流体力学》(7)《弹性理论》(8)《连续介质电动力学》(9)《统计物理学II凝聚态理论》(10)《物理动理学》(PhysicalKinetics,实为非平衡统计物理)66朗道作为前苏联理论物理学的象征，是著名朗道学派的领导者，在这个科研组里学生必须先读完朗道的《理论物理学教程》才可以进入研究。据说朗道本人从不读文献，他的学生会把自己读过的文献拿来与他讨论，朗道学派培养出的大师级人物也特别多。671942年，在美国建成世界上第一座核反应堆，实现了可控核能释放。（10）费米（意大利后到美国）物理学界的“教皇”。费米681914年，2个月自学完成射影几何，并做完书后200道习题。1915年~1917年，在科学爱好者阿米迪的帮助下自学完成微积分，理论力学，数学物理方程和一本工程师手册。1918年，进入比莱大学物理系，入学论文《声音的特征》写出了一根杆震动的偏微分方程，然后用傅立叶分析得到了结果，可以说已经达到了研究生水平。主考教授评价：“在我的一生中，从来没有见过像费米这样出类拔萃的人。”费米简历：1926年，和狄拉克一起提出“费米-狄拉克统计”符合这种统计的粒子叫做费米子。1927年，出版《原子物理学导论》，当时费米正在度假，每天带上足够的铅笔和笔记本，没有一本参考书，没有一块橡皮擦，侧卧在草坪上写，书稿送到出版社，纸面上没有一处删改。691930年，泡利为解释β衰变中的能量守恒提出“中微子假设”。1934年，费米提出中微子理论，并提出了弱相互作用力。自此四种自然力到齐：引力、电磁力、弱核力。、1934年，提出“慢中子假设”。也就是石蜡板可以让中子减速，从而使得靶元素核(比如银元素)有更大的机会吸收中子,放出能量或发生裂变。这是和平利用核能的关键。1942年，与奥本海默一起领导45万人进行研制原子弹的“曼哈顿计划”。当年就实现人类历史上第一次受控核裂变。1940年，逃难英国的两个德国科学家弗里希和派尔斯发表《论超级炸弹的建造》，首次计算出了原子弹爆炸所需链式反应的铀的极限质量。70细节1：面对爆炸，奥本海默想起了一首印度古诗：“漫天奇光异彩，有如圣灵逞威，只有一千个太阳，才能与其争辉。我是死神，我是世界的毁灭者。”细节1：参与工程的科学家人数之多简直难以想象。许多部门拥有的博士比一般工作人员都多。细节2：洛斯阿拉莫斯国家武器实验室聚集了大量诺贝尔奖获得者被誉为“诺贝尔奖集中营”。1945年，美国总统杜鲁门通过计算指出：1945年，美国第一颗原子弹爆炸成功。“使用原子弹挽救的生命大于它将杀死的。”71细节2：格罗夫斯将军报告：“刹那间，周围二十英里内出现一道一道亮光，犹如正午出现了几个太阳。一个大圆球喷散成蘑菇状，升到一万英尺以上的高空，然后逐渐散去”。美国原子弹实验细节3：美国报纸评论：“像是军火库爆炸，那亮光连一个盲眼的女孩子也看见了。”“原子弹是物理学300年最伟大的发明。”72731945年，美国在日本广岛投下原子弹“小男孩”，造成20万日本人死亡。3天后，在日本长崎投下原子弹“胖子”造成7万死亡。6天后日本无条件投降。美国原子弹“胖子”74

8时15分17秒，这是一个令人难忘的时刻，一个象征着悲惨恐怖和毁灭的时刻。这时，配带着降落伞的庞然大物——一颗重5吨、高3米，周长71.12厘米，爆炸力量相当于1.7万吨梯恩梯炸药的原子弹，从9600米高空脱舱而出，摇晃着呼啸而下，在坠离地面的600米时，突然发出令人目眩的极其强烈的白色闪光，这种闪光比一千个太阳还要明亮；同时，是山崩地裂般惊人的大爆炸。在爆炸的一刹那，爆炸中心达到了30万℃的高温。顷刻之间，翻滚着的暗黑色烟幕笼罩着整个广岛，几百根火柱上下飞窜，高温的火焰吸引着周围的空气，形成了无法防避的“暴风炎”。广岛，随即化为灼热的地狱。风带着火，以每小时48~64千米的高速洗涤着一切，花岗岩的建筑物烧成了灰烬，钢石桥在燃烧，河水在沸腾，人一下子被烧焦了。只是几秒钟的工夫，广岛市中心164平方千米的地区便化作一片废墟。不一会儿，巨大的烟火团扶摇直上，冲向云霄，形成了一朵特别大的蘑菇状烟云。蘑菇云上升得很高很高，它的热气遇冷凝成了水蒸气。几分钟后，广岛又突然下起了“黑雨”。这种有粘性的、卵石大小球体的黑雨，粘在幸存者的皮肤上，就变成了红色斑点。原子弹爆炸后，广岛所有的钟表都停在了8时16分上。这一时刻将永远载入史册。75这枚威力强大的原子弹，彻底摧毁了广岛48000座建筑物，还有22178座建筑物也不能使用了。原子弹爆炸时，强烈的闪光虽然时间极短，但产生的辐射热以光速传播，危害极大，只要当地呆在露天地里的人，皮肤立即被烧成焦黄和黑色，很快就死亡。在爆炸中心，连人和物的痕迹都找不到了。后来，人们在地上发现了一些似乎是勾画出来的影子一样的人外形。而离开中心远一点的地方，被烧焦了的尸体，还保持了原来的姿势。在电梯的残骸里，挤满了握着扶手的尸体。再远一点，那些暂时幸存下来的人们，也已经烧得面目全非。约在1小时之内，10万日本人当场死去。76众多的未遭闪光烧伤或砸伤的人，几天后开始腹泻，便中带血，也在几周、几月或几年中相继死去。经解剖验血发现，这些人血液中的白血球几乎全没有了，骨髓逐渐变坏，喉头、肺、胃和肠的粘膜发炎，人们把这种病叫“原子病”。得了原子病的人在以后的20年中，受尽折磨，逐渐缓慢地死去。日本方面认为：这次原子弹爆炸实际死亡的人数超过15万。轰炸后幸存下来的母亲和新生的婴儿，大多有先天性的生理缺陷和遗传变异。7778由地面零点起的1000米半径之内，因极其剧烈的爆炸波和热度，全部人畜几乎立即死亡。房屋及其他建筑物均被扫光、推倒或破坏，各处大火熊熊。三菱钢铁厂厂房的坚固而复杂的构架，都被扭弯曲好像软糖一样。国立学校的钢骨水泥屋顶也都被破坏，爆炸威力之大出人意料，大小树木均被炸去枝叶，有的被连根拔起，有的自树干处折断。长崎原子弹爆炸细节7980费米奥本海默81美国原子弹爆炸水下实验82美国原子弹爆炸水下实验831949年8月29日,苏联试验成功原子弹。84(1)库尔恰托夫:苏联原子弹之父。苏联著名物理学家费约的学生,这个学派的特点是数学物理基础极为深厚,学术思想极为超前。领导建造了苏联第一台回旋加速器,欧洲第一座原子反应堆,苏联的第一颗原子弹,第一颗氢弹,并建造了世界上第一座原子能发电站。85(2)萨哈罗夫:苏联氢弹之父。苏联氢弹研制首席科学家,设计了有史以来破坏力最大的曾引爆的核武器——沙皇炸弹。建造了世界第一个受控核聚变反应堆——托卡马克,以环状面磁场约束高温等离子体,控制核聚变。86(3)泽尔多维奇:原子弹理论设计组组长,最早提出活动星系核的能量来自超大质量黑洞的人之一。(4)塔姆:从事核武器理论计算工作。由于对切伦科夫效应作出理论解释，获1958年诺贝尔物理学奖。(5)朗道:从事核武器数值计算工作。87量子场论——量子电动力学的建立1947年,美国哥伦比亚大学实验物理学家兰姆发现氢原子的两个能级不符合狄拉克方程，即“兰姆位移”。881948年,在费曼(美国)、施温格(美国)、朝永振一郎(日本)、戴森(英国)等人的努力下.建立了量子电动力学(重整化理论)。成功解释了兰姆位移。“量子电动力学”是最高级的量子场论。基本上是电子和光子的理论。该理论的预言具有极高的精确性。前三人共获1965年诺贝尔物理学奖。89施温格90施温格：物理学界的莫扎特,那个时代懂得数学最多的物理学家。1918年2月12日出生于纽约,自幼聪慧过人,在数学和科学方面显示出非凡的才能。多次跳级，14岁高中毕业，进入纽约市立学院学习。他爱好自学,从来不看数学和物理之外的书籍,话也不轻易说,除非是学术上的问题。91当时施温格的一个老师莫茨经常带他去哥伦比亚大学听报告,有一次莫茨和拉比(物理系教授,诺贝尔物理学奖获得者)在拉比的办公室讨论问题,就允许施温格在一旁听,

他们当时讨论的问题是爱因斯坦最新发表的论文,拉比和莫茨讨论的时候卡了壳,有一个量的大小他们搞不定。施温格读过这篇文章,说:这个容易,用完备性原理轻松搞定。拉比颇为吃惊,说:你给我讲讲,然后施温格就讲,拉比听后问:你现在在哪里上学啊?施温格说在城市大学。拉比立马就决定让施温格转学,他让施温格在他办公室等着,然后自己去找系主任,几分钟后,连给施温格的奖学金都找好了。92当时有位著名教授乌伦贝克开一门统计力学课,由于施温格经常逃课,本想直接给他个A算了,拉比说你这样不行,你得给他考试,最难的那种,乌伦贝克就这么做了。乌伦贝克找拉比说:服了,这小子不但都做对了,做的答案都跟我的一模一样,好像他从来没缺席我的课一样,我无话可说了。93哥伦比亚大学教授拉默是个很出色的化学家,不过上他的课,所有的东西都用自己的一套符号,试卷上也不解释那些符号啥意思,说白了,如果不去上课,连题都看不懂,别说做了。施温格选了他的课,然后得了一个大大的F。这是施温格大学期间唯一没能通过的课。94有人夸奖年轻的施温格说:“他对物理学就像莫扎特对音乐那样。”哥伦比亚大学的拉比教授非常欣赏施温格的才华,对人说:施温格已经知晓了物理学的90％,其余的“只要几天就够了”。施温格于18岁(1936年)大学毕业,获学士学位,21岁获得博士学位,29岁就成为哈佛大学最年轻的教授。95施温格最擅长的就是推演各种复杂的形式理论,属于费米极为反感的“经院物理派”的代表。但谁也不能否认这位冷似磐石的教士先生数学达到极高的水平,在当时的物理学界来说只怕无人可及。在施温格看来,当今的物理学已经发展到非以繁复的数学公式来解决问题不可的地步,那些概念清晰,数学明了的东西早就被人挖掘一空,剩下的都是坚硬的顽石。施温格教授晚年主要研究冷核聚变,但是并未得到学术界的广泛认可。96费曼97费曼1918年,出生于美国纽约,他的父亲麦尔维尔是白俄罗斯的明斯克人。费曼的父亲爱好物理,并是小费曼的启蒙。费曼从小阅读《大英帝国百科全书》,从小学到中学一直被称为“数学神童”。中学时,一名物理学博士巴德单独给费曼授课。981935年,考入麻省理工学院。物理授课老师是斯特拉顿(后来当上院长)备课不认真,经常讲到一半就卡了壳,这时他就会向学生席问:“费曼先生,你是如何处理这个问题的？”接下来的课就交给这位费曼先生了。991942年,在普林斯顿获得物理学博士学位。同年提出路径积分和费曼图方法。以此重写了整个量子力学(量子力学的第三种形式),利用这样的理论,可以相当精确地计算出兰姆位移和电子的反常磁矩等旧理论无法处理的问题。今天,路径积分、费曼图已经成为理论物理学家通用的语言,恰似微积分对牛顿力学的重要性一样。1001962年,出版《费曼物理学讲义》,被《科学美国人》这样赞誉:“尽管这套教材深奥难懂,但是它的内容丰富而且富有启发性。在它出版25年后,它已经成为讲师、教授和低年级优秀学生的学习指南。”101

1948年,美国召开了一次重要的量子力学研讨会。28名顶尖物理学家参加,当费因曼发言时,在黑板上画他的费曼图,台下除了费米理解了其中奥秘外,其它人都没有听懂,大科学家波尔说:“建议费曼先生回大学重读量子力学。”接下来,施温格发言时,手拿几页纸,在黑板上推导公式整整一个上午还没有完！这下连费米也听不懂了。从不做笔记的费米这次做了49页的笔记,会后和自己的研究生一起研究,经过六个星期的讨论,大家都认为施温格做出了一项杰出的工作,但还是没人能搞懂他究竟做了什么。午饭休息时间,专家们在饭桌上展开了激烈讨论,甚至在餐桌布上推导公式,餐馆老板提出抗议,专家们却建议老板收藏这些桌布,会有历史意义的。1021948年，在美国访问学习的英国数学天才戴森发表《朝永振一郎、施温格、费曼的辐射理论》,证明三个理论等价。费曼的方法以其简单而大受欢迎。量子电动力学的成功是空前的,它标志着电子和光子被人类彻底征服。1900年就发现的著名的阴极射线——电子到此为止没有任何秘密可言,它的一切秘密都被人类所掌控。103现代天体力学的发展1930年,19岁的印度物理学家钱德拉塞卡在去英国留学的轮船上,将广义相对论与量子力学相结合,提出电子简并压力平衡万有引力,并计算出白矮星的极限质量——“钱德拉塞卡极限”.104钱德拉塞卡的祖父是一个教育家和数学教授,他生前给钱德拉留下了一个门类齐全的家庭图书馆。钱德拉读中学时,卓越的数学才能到了神秘的地步,当老师知道他爱吃一种叫“黄秋葵”的蔬菜时,就建议所有的孩子都吃这种蔬菜。钱德拉的母亲是一位自学成材的女性,对于出国,她给钱德拉的建议是:“你不许去,必须尽力追求自己的理想。”钱德拉留学英国剑桥大学,师从量子力学大师狄拉克,后移居美国,成为美国几乎所有天体物理学家的老师。1051934年,美国物理学家茨维基(瑞士人)和天文学家巴德(德国人)提出中子简并压力平衡万有引力,成功解释了超新星爆炸的产物是——“中子星”。1967年,英国剑桥大学24岁的女研究生乔斯林·贝尔发现脉冲星,后来科学家发现脉冲星就是中子星。1965年,英国数学家彭罗斯把拓扑学引进奇点理论研究,严格证明了黑洞的中心一定存在一个时空奇点。1061966年,英国剑桥大学霍金提出宇宙起源的时空奇点理论。奠定了现代宇宙学的基础。1974年,霍金提出“黑洞辐射”,指出黑洞的结局将是一场大爆炸。霍金有一本名著《时间简史》1072011年8月26日,美国雨燕号探测器首次抓拍黑洞吞噬恒星瞬间.108（12）乌拉姆（匈牙利后到美国）和特勒（美国）1951年，联合提出氢弹设计原理。利用原子弹爆炸产生的能量压缩热核材料，使热核材料的密度急剧上升从而点燃热核材料。1952年11月1日，美国实验成功世界上第一枚氢弹—代号“麦克”。细节：这是一次惊人的大爆炸，它的威力相当于1000万吨梯恩梯烈性炸药,是投在广岛的2万吨级核弹的500倍,火球直径达6000米,把试验地点———太平洋的一个珊瑚岛伊留却拉布的水面以上部分炸得无影无踪，从此从地图上消失。109氢弹原理110111特勒112美国氢弹实验113美国超级氢弹实验1141953年，苏联实验成功氢弹。115苏联氢弹实验1161953年5月25日,美国用火炮发射了一枚

1.5万吨当量的MK-9型核炮弹。1171954年，苏联建成第一座核电站，到现在全世界已有近500座，发电量4亿多千瓦，约占全世界发电量的1/5。1181192013年3月3日,媒体报道美国18岁少年泰勒造成小型核聚变核电站.据说泰勒13岁时就成天泡在图书馆、实验室研究核反应堆。不到一年,泰勒就掌握了等离子物理、化学、辐射计算量和电气工程等二十多个领域的知识。14岁生日后不久,他在威尔逊学院的实验室里,制造出一个迷你型核反应堆的核心,成为全球第三十二位完成核聚变研究的核科学家。他甚至曾帮大学的研究生上一门核能物理课程,奥巴马对他的成就相当赏识。1201957年，英国实验成功氢弹。1957年，英国的劳孙提出受控热核反应实现能量增益的条件,

即劳孙判据。洲际弹道核导弹121细节：1961年，苏联在新地岛进行了人类历史上最大的一次氢弹实验。这枚氢弹由“阿尔扎马斯—16”绝密试验室研制，当量为5千吨TNT.4000公里内的一切电子通信设备受到不同程度的影响，导致苏军整个通信失去联系1小时。靠近苏联的美国北美防空司令部雷达失控，通信中断。“阿尔扎马斯—16”试验室还研制出当量为10亿吨TNT的氢弹。如果这种氢弹发生爆炸，那么将引起高达1公里的海啸，海啸将漫过整个美洲大陆，把“帝国主义的堡垒”美国永远消灭掉。1221964年10月16日中国试验成功第一颗原子弹。1231964年，美国物理学家默里·盖尔曼大胆地提出新理论：质子和中子并非是最基本的颗粒，它们是由—种更微小的东西——夸克构成的。盖尔曼发现几乎所有的已知粒子都可被分成族或多重态，而这些多重态又显示出与挪威数学家李研究过的李群表示相对应的几何图样。当把这些几何规律应用于粒子物理学时，就出现了一种既能解释多重态中粒子的性质，又能预言新粒子存在的理论，这有点类似于门捷列夫在构造元素周期表时所取得的成功。之后的理论又引进了一些新的夸克,所有的夸克都陆续被实验所发现。124盖尔曼出生于一个犹太人家庭。父亲对他的学习要求十分严格。有一次，盖尔曼考试得了99分全班第一，他父亲没有表扬他，而是问他：“那一分是怎么丢的呢？”盖尔曼在家里主要阅读《大英帝国百科全书》，在学校里上课主要就是纠正老师的错误。每次期末考试都是全年级第一名，虽然美国学校不允许公布学生的成绩，但是全校学生都知道第一名是谁。进入研究所后，盖尔曼是唯一一个能给费米提供新思想的人。1251964年，希格斯提出“希格斯机制”及“希格斯玻色子”，解释了质量产生的机制。1261967年6月17日,中国实验成功氢弹。1271968年,法国实验成功氢弹。1973年,霍夫特、格罗斯等人发展了量子色动力学理论。成功解释了原子核内部的强相互作用。1967年,温伯格(美国)和萨拉姆(巴基斯坦)把希格斯机制引入格拉肖模型,提出了弱电统一理论,即弱力与电磁力统一的理论。1983年,Z0中间玻色子被发现,弱电统一理论被证实。128在夸克模型,电弱统一理论,量子色动力学的基础上,物理学家们建立了“粒子物理的标准模型”,这个模型逻辑所需的所有粒子,全部都被实验观测验证,具有扎实的经验基础。(只有希格斯粒子尚未发现)。粒子物理的标准模型是20世纪物理学天空中最耀眼的一颗明星!1292013年3月14日,欧洲核子研究中心运用大型强子对撞机,基本确认存在希格斯玻色子。2013年英国物理学家希格斯和比利时物理学家恩格勒特获得诺贝尔物理学奖。1301311976年，美国科学家科恩研制成功世界上第一枚中子弹，靠中子辐射杀人，杀伤范围方圆500~700米，环境污染小。☆中子弹的基本原理就是将核爆炸的能量主要以高速中子流的形式释放出来。细节：中子弹是坦克的“天敌”。据估计，一枚2千吨位当量的中子弹在坦克上空200米高处爆炸，在离爆心投影900米范围内的所有坦克乘员都能受到8000拉德以上的剂量照射，立即丧失作战能力。人员在一二天内全部死亡。在900—1300米范围内，坦克乘员受到800-8000拉德，一部分乘员会立即暂时性丧失作战能力，大部分乘员大大地降低作战能力，在10天内全部死亡。战场上按每平方千米有40辆坦克计算，一枚中子弹可使成百辆坦克中的乘员立即丧失作战能力，200多辆坦克乘员最后丧生。集中大量使用中子弹，将使大面积进攻的坦克群体立即瘫痪，变成一堆废铁。1321976年，科恩开始研制γ射线弹，靠强γ射线杀人，可将方圆

100万千米内暴露在外的大生物全部杀死，而且此弹爆炸无声，几乎没有核污染。☆γ射线弹的基本原理就是通过令某些放射性元素在极短时间内迅速衰变，从而释放出大量强γ射线，例如：用X射线照射铪元素。☆世界原子科学家通报指出：1986年全世界共制造7万枚核弹头，核弹头威力达200亿吨TNT，相当于世界人均3吨，足以毁灭人类50次。1331982年，德国克鲁兹和美国伯克斯在美国加利福尼亚州圣巴巴拉举行的科学家会议上正式发表了他们多年研究的学术成果，《核战后的大气层：昏暗的中午》。他们认为，一场核战争核爆炸引起的大火所产生的烟灰云将会使地球上的气候发生重大的变化，白日不见阳光。这一学术报告后来全文刊登在1982年瑞典出版的第期《环境》杂志上，这就是“核冬天理论”。“核冬天”理论的提出，则使人们彻底明白了核战的毁灭效应，没有哪个国家可以储存数百年的食物，没有哪个国家可以在核战袭击后还有干净的空气，没有任何一个人可以在核大战后活下来。134超弦理论1968年,意大利物理学家维尼齐亚诺运用欧拉β函数得到了一个强力公式,与实验结果高度一致。但是全世界的物理学家包括数学家都不明白公式的物理意义。1970年,美国芝加哥大学的日本物理学家南部阳一郎发现公式描述的是一根一维的“弦”,好比是一根“橡皮筋”。1351984年,物理学家们运用“卡比拉—丘成桐流形”,一下子构造了5个超弦理论：每一种基本粒子就是一根一维的弦，只是振动模式不同。第一次超弦革命爆发。1995年,美国物理学家威滕用M理论统一5个超弦理论。同时还引入了11维的超引力理论。第二次超弦革命爆发。136威滕,美国普林斯顿大学犹太裔物理学家,父亲是一位理论物理学家.有深厚的数学功底,被认为是爱因斯坦的接班人.获得1990年获菲尔兹奖。英国皇家学会会长,数学家阿蒂亚曾说:“虽然他肯定是物理学家,不过他对数学的掌握很少数学家能比得上,他一次又一次超越了数学界,以巧妙的物理直觉导出新颖深刻的数学定理,他对现代数学影响巨大。物理成为他数学研究的丰富灵感和直觉源头。”137超弦理论的评价(1)超弦理论可以避免量子理论与广义相对论在极限情况下的矛盾。(2)超弦理论只要更少的物理常数就能推导出标准模型中的其他常数。但是：(1)由于弦实在太微小了,超弦理论无法用实验证实.(2)超弦理论目前无法解释暗物质和暗能量,但是天文学观测基本确认:宇宙年龄约为137亿年,宇宙由23％的暗物质,73％的暗能量,4％的普通物质组成。对于暗物质和暗能量,人们至今仅知道它们存在着,但还不清楚它们的性质。138暗物质1950年,天文学家通过观测发现:从恒星轨道推算出来的星系总质量和实际观测到的星系的所有恒星、气体和尘埃的总质量不符。天文学家观测了100多个星系,观测值与推算值都不一致,相差了10倍。1970年,科学界就普遍认同暗物质假设,即认为宇宙中存在既不发光也不反射光的暗物质。139暗能量1998年,美国物理学家皮尔姆特和澳大利亚物理学家施密特领导的两个小组分别观测发现,遥远的星系正在以越来越快的速度远离我们。或者说:宇宙在加速膨胀。但是按照广义相对论方程,137亿年前大爆炸驱动的宇宙膨胀,按可见物质加上假设的暗物质计算,宇宙应该是减速的！因此只能假设存在一种观测不到的暗能量,而且这种能量的内禀斥力大于宇宙质量的内禀引力。现在的宇宙模型时: