近代物理学史.ppt

1、经典与现代物理学史：诺贝尔物理学和某些技术奖，现代物理实验室，物理实验中心，2008年2月21日，历史评论1。经典物理学的成就和基本概念2。现代物理学革命的前奏3。相对论的建立。量子理论的初步发展和量子力学的建立。原子结构理论的发展。核物理的建立和发展。传感和测量技术，历史回顾(一)。1900年的普朗克量子理论和1905年的爱因斯坦相对论开启了现代物理学的新时代，从亚核世界到空间尺度上的整个宇宙，从不到10-21秒到时间尺度上的宇宙年龄。历史回顾(二)，麦克斯韦电磁场理论创立于100多年前，为无线电、电视和雷达的技术发明、庞大的工业电力网络和现代防洪体系的建立奠定了理论基础。拉姆(美国)发明了

2、微波技术。库什(美国)利用射频束技术精确测量了电子磁矩，创新了核理论，共同获得了1955年诺贝尔物理学奖微波实验的基础知识，并在实验4-1中测量了反射速调管的特性和波导的工作状态。历史回顾(三)，磁光效应是指具有固有磁矩的物质的电磁特性在外部磁场的作用下发生变化，从而使光波在其中的传输特性也发生变化的现象。1845年，迈克尔法拉第首次发现了磁光效应。他发现，当外部磁场作用于玻璃样品时，透射光的偏振面会旋转。历史回顾(四)，1877年，约翰克尔观察到偏振光从抛光的电磁铁磁极反射。磁光克尔效应实验2-3法拉第效应实验2-4磁光克尔效应被发现。历史回顾(v)，创立于20世纪20年代的量子力学理论为描

3、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，并为理解原子、分子和凝聚物质的结构铺平了道路。这导致了半导体和光通信等新技术的兴起，并为奇异材料和激光设备的发展开辟了道路。1947年的历史回顾，肖利、巴丁和布拉顿六世发现的晶体管效应，揭开了今天计算机革命的序幕。谁也不知道这场革命最终将如何改变我们的生活和人类社会，但它所揭示的信息社会的短期前景非常诱人。肖克利、巴丁和布拉顿因发明晶体管和研究晶体管效应而获得1956年诺贝尔物理学奖。计算机基础技术、计算机仿真技术、计算机数值计算技术、历史回顾(七)、实验5-4计算机系统结构原理及组装调试实验5-1计算机虚拟仿真物理实验5-2计

4、算机数值仿真实验(一个混沌系统模型的例子)，1。经典物理学的成就和基本概念，(1)经典力学和机械决定论，(2)热力学和能量与熵，(3)经典电动力学和“以太”理论，(4)经典物理学的完成和局限，经典物理学由17世纪的伽利略(15641642)和牛顿(16421727)创立，在19世纪得到全面、系统和迅速的发展，并达到辉煌的顶峰。到19世纪末，一个包括力学、热学、声学、光学和电学在内的宏伟而完整的理论体系已经建立起来。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经成熟和完善，不仅在理论表达和结构上严谨和完善，而且包含了非常清晰和深刻的物理学基本概念，对人类科学认识产生了深远的影

5、响。(1)牛顿在严格统一的理论中总结的经典力学和力学决定论，实现了现代物理学发展史上的第一次理论综合。在1687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“最小作用原理”的物理基础，建立了等效于牛顿动力学方程的欧拉拉格朗日方程。最后，1834年英国的哈密尔顿(1805-1865)提出了哈密尔顿原理和正则方程，建立了“分析力学”理论，实现了后牛顿力学理论的一次飞跃。(2)热力学、能量、熵和能量守恒原理的建立。这是19世纪自然科学的一大胜利，也是现代物理学发展中第二次发现大综合熵理论。事实上，它将进化论的思想引入物理学，并指出自然过程的不可逆

6、性和历史性。在经典力学和电磁场理论中，物理学基本定律中的时间是对称和可逆的，它们的基本方程与时间反演是对称的。过去和未来没有本质的区别。时间只是一个从外部描述运动的参数，它的变化对运动的性质没有影响。因此，时间之箭在那里没有实质性的意义。“统计力学”这个名字是由美国物理学家吉布斯(1839-1903)在1884年首次提出的。在麦克斯韦和玻尔兹曼思想的基础上，吉布斯明确地形成了“系综”的概念，并创立了系综的统计方法。因此，热现象学和分子运动理论的两个基本研究方向统一为一个有机整体，完成了统计力学的另一个理论综合。(3)经典电动力学和“以太”理论，麦克斯韦在1862年提出了电磁以太的准力学模型和“

7、位移电流”假说，并在1864年提出了电动力学方程，预言了电磁波的存在，揭示了光的电磁涨落。麦克斯韦的方案使介质接触的概念得到了充分的实现，奠定了电磁学理论的全部物理基础，成为现代物理学发展的第三次理论综合。(4)1895年前后，经典物理学的完成和局限，它结合成一个宏伟的建筑体系，触及以经典力学、经典热力学、统计力学和经典电动力学为三大支柱的“美丽宫殿”。在力学的巅峰时期，与力学观点相关的绝对时间、绝对空间和质量定义的概念受到了广泛的批评，牛顿对重力的本质也采取了回避的态度。事实上，牛顿力学的理论框架必须把引力看作一种瞬时距离作用，这与19世纪发展起来的场物理是完全相反的。在热力学方面，熵增原理

8、揭示的与热现象相关的自然过程的不可逆性反映了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和热力学定律的统计性质，在经典力学的严格确定性方面存在差距。在光学和电磁学中，作为光波和电磁波的传播媒介，“以太”以其不可理解的特殊性质和对其存在的探测，使得科学家煞费苦心地无法做任何事情。根据电磁学理论，可以用空间坐标的连续函数来描述的场是一个能量不能再简化的物理实在，这严重偏离了经典力学的观点，即运动的粒子被认为是唯一的能量切割体。(1)19世纪末的三大发现：1X射线发现；2放射性发现；3电子发现；(2)经典物理学中的两朵乌云；1)第一个乌云“以太”理论；2)

9、第二次乌云“紫外线灾难”；19世纪末的三大发现，伦琴(Willhelmkonradrotgen，1845-1923)，1901，第一X射线的发现伦琴在1895年11月发现了X射线，一种具有很强穿透力的新射线，它是由阴极射线撞击玻璃管壁产生的；它能穿透厚达1000页的书籍、厚达几厘米的木板和厚达15毫米的铝片，并能通过摄影显示人体骨骼轮廓和金属物体的缺陷。由于这一发现，伦琴自然获得了1901年的第一个诺贝尔物理学奖。1914年，法兰克福大学的劳厄获得了诺贝尔物理学奖，以表彰他对晶体X射线的发现。WL布喇格(1862-1942)(1890-1971)1915年，伦敦大学的亨利布拉格和他在英国曼彻斯

10、特的维多利亚大学的儿子劳伦斯布拉格被授予诺贝尔物理学奖，以表彰他们对X射线晶体结构分析的贡献。1912年，德国物理学家劳厄根据晶体衍射的新发现，断定X射线是一种频率极高的电磁波。不久之后，莫泽勒证实这是原子内部电子跃迁发出的辐射。劳厄(德国)在晶体中发现了X射线衍射，并于1914年获得诺贝尔物理学奖。WL布拉格(英国)因其用X射线研究晶体结构而获得1915年诺贝尔物理实验4-2微波布拉格衍射奖。贝克雷尔(1852-1908) 1903。另一半被授予法国物理学家皮埃尔居里(1859-1906)和玛丽科洛夫斯卡居里(1867-1934)，以表彰他们对贝克勒尔发现的辐射现象的杰出贡献。居里和他的妻子

11、发现了放射性贝克勒尔在底片上发现了铀盐包的清晰轮廓。贝克勒尔推断光敏性一定是由铀盐本身发出的一些神秘射线引起的。实验证明，辐射只与铀元素的存在有关，纯铀的辐射比铀化合物的辐射强许多倍。铀辐射不仅能使薄膜感光，还能使气体电离成导体。出生于波兰的物理学家玛丽居里当时选择放射性物质作为她的博士论文的主题。她首先证实了铀的辐射强度与铀的数量成正比。它与它的化学形态无关。后来，她和德国的施密特发现钍也有这种性质。她建议将物质的这种性质称为“放射性”，以区别于普通射线。将来钋和镭的发现动摇了科学家们长期坚持的基本理论。居里和贝克勒尔获得了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

12、古以来原子就不能被毁灭的传统观念，证明了一种元素的原子可以变成另一种元素的原子。尽管这一理论遭到门捷列夫和开尔文的强烈反对，但由于实验事实的不断证实，它最终被科学界所承认。5-3盖革弥勒计数器特性和放射性核衰变(碳14)统计规律的模拟实验1906年，英国物理学家JJ汤姆逊支持了电子的发现，并授予剑桥大学的唐木孙爵士诺贝尔物理学奖。1897年，对阴极射线进行了彻底的实验研究。利用磁场使阴极射线偏转并进入法拉第笼，证明负电荷确实来自阴极射线。他通过测量阴极射线在电场和磁场中的偏转来计算阴极射线的荷质比和速度，发现荷质比的值约为氢离子的千分之一，而其速度约为109厘米/秒。约瑟夫汤姆森(英国)对气体

13、放电的理论和实验研究做出了重要贡献，并因发现电子而获得1906年诺贝尔物理学奖。(2)经典物理学的两朵乌云。1900年4月27日，开尔文发表了题为“19世纪热和光的动态理论上的乌云”的长篇演讲。虽然他认为物理学是一个晴朗的天空，他说：“动力学理论断言热和光都是运动的方式，但是现在，这个理论的美丽和清晰被两个乌云所掩盖。随着光的波动理论，第一片乌云开始出现。菲涅尔和托马斯杨研究了这个理论，其中包括这样一个问题：地球是如何穿过一个本质上是轻以太的弹性固体的？第二个乌云是麦克斯韦玻尔兹曼的能量共享理论这两个乌云与两个方面的实验发现以及力学、电磁学和气体分子运动理论的困难有关。1第一个乌云“以太”理论

14、，相对论原理是经典力学最基本的原理之一，它认为绝对静止和绝对匀速运动是不存在的，所有可测量的和物理上有意义的运动都是相对于某个参考物体的相对运动。牛顿自己也充分意识到确定“绝对运动”的困难，最后只能以思辨的“绝对空间”的存在作为避难所。麦克斯韦电磁场理论获得成功后，电磁波的载体以太成为物化的绝对空间，而仍在宇宙中的以太构成了所有物体“绝对运动”的背景框架。因为以太也是一种物质存在，或者它代表物化的绝对空间，当然，物体相对于以太背景的绝对运动可以通过精确的实验来测量。1881年，美国物理学家迈克尔逊(1852-1931)和莫雷(1838-1923)在1887年用干涉仪进行了精确的光学实验，但是他

15、们没能观察到第二个以太相对于地球的预期运动。开尔文明确提到“麦克斯韦玻尔兹曼能量共享理论”。事实上，它指的是19世纪末黑体辐射研究中遇到的严重困难。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个不断变化的物理量，并建立了在波长相对较长、温度相对较高时与实验事实相一致的黑体辐射公式。然而，根据这个公式，随着短波区(紫外线区)波长的缩短，辐射强度会无限增加，这与实验数据相差甚远。因此，这一失败被艾伦费斯特称为“紫外线灾难”，这两朵乌云在20世纪初最终导致了物理学的一场伟大革命。第一个乌云“以太”理论导致了相对论的诞生。第二次乌云“紫外线灾难”导致了量子力学的出现。因此，可以说对这两种

16、“乌云”的研究标志着现代物理时代的到来。第三，相对论的建立，(1)狭义相对论的建立，1以太漂移实验和收缩假设，2洛伦兹变换，3庞加莱相对论原理，4狭义相对论基本原理，5闵可夫斯基四维世界，(2)广义相对论的建立，(1)狭义相对论的建立，1以太漂移实验和收缩假设，19世纪以来人们认为光波必须有一个载体，即“以太”。当时，关于乙醚的存在形式有两种不同的观点。菲涅尔学派认为以太是静态的，而斯托克斯学派认为以太可以被部分拖曳。如果静态以太理论是正确的，当地球高速运动时，应该有“以太风”。多年来，人们做了一系列光电以太漂移实验，试图测量地球在静止以太中的相对运动，但都给出了否定的结果。最著名的实验是由迈克尔逊和莫里完成的。1907年，阿尔伯特亚伯拉罕米克尔森(1852-1931)将诺贝尔物理学奖授予芝加哥大学的迈克尔逊，以表彰他对光学精密仪器及其在光谱学和计量学研究中的应用的贡献。迈克尔逊在测量光速方面一直享有国际声誉。迈克尔逊因其在光学精密仪器、光谱学和计量学方面的研究成果获得1907年诺贝尔物理学奖。实验2-2用光拍法和2洛伦兹变换测量光速。1895年，洛伦兹发表了一篇题为运动物体中的电磁现象和光现象的理论研究的论文。本文讨论了相