發展史
經典物理與近代物理
第一,立足於牛頓
牛頓
近代物理研討會第二,經典自然科學有它的普遍性和整體性,但就對整個自然事物的反映看,經典理論基本上是關於特殊的,局部的自然領域的知識;近代自然科學則具有更高程度的普遍性和更大範圍的全局性
第一章發展中的物理學
1相對論
相對論是現代物理學的重要基石.它的建立20世紀自然科學最偉大的發現之一,對物理學,天文學乃至哲學思想都有深遠的影響.相對論是科學技術發展到一定階段的必然產物,是電磁理論合乎邏輯的繼續和發展,是物理學各有關分支又一次綜合的結果.相對論經邁克耳遜,莫雷實驗,洛倫茲及愛因斯坦等人發展而建立.
2量子力學
1900年普朗克為了克服經典理論解釋黑體輻射規律的困難,引入了能量了概念,為量子理論奠定了基石.隨後愛因斯坦針對光電效應實驗與經典理論的矛盾,提出了光量子假說,並在固體比熱問題上成功地運用了能量子概念,為量子理論的發展打開了局面.1913年,玻爾在盧瑟福有核模型的基礎上運用了量子化概念,對氫光譜作出了滿意的解釋,使量子論取得了初步的勝利.之後經過玻爾,索末菲海森堡,薛丁格,狄拉克等人開創性的工作,終於在1925年-1928年開成了完整的量子力學理論.
原子核(上半圖:含中子,Π介子,質子)-內部結構模型圖 3原子核及基本粒子原子核物理學起源於放射性的研究,是19世紀末興起的嶄新課題.在這以前,人類對這年領域毫開所知.從事這項研究的物理學家,他們通過作新創製的簡陋儀器進行各種實驗和觀察,從中收集數據,總結經驗,尋找規律,探索不斷開拓新的領域.1933年以後,原子核物理理論才逐漸形成.
4固體物理學
20世紀初,固體物理學就開始深入到微觀領域,人們開始利用微觀規律來計算實驗觀測量.量子力學首先套用於簡諧振子及簡單的原子上,並顯示了其正確性,其次又在化學鍵的問題上取得了效果.二十世紀20年代後,固體物理學作為一門學科在物理學領域中誕生.
5物理學與技術
物理學的發展為新技術提供了基礎,與此相反的關係也完全存在.假如不採用電子技術的各式各樣的機器,今天的物理學,甚至整個科學研究都可能連一天也存在不下去.要建造超高能物理學所不可缺少的巨大加速器,必須要動員當前最先進的精密機械技術和電子學技術才行.同時由於對技術進步的不斷要求,作為這些技術基礎的物理學的研究也正在日益加強.可以說,沒有上述各方面的條件,就不可能存在今天這種大規模,多方面的物理學研究.
6科學的體制化
近代物理學的基礎工程學科化這種趨勢,當然是由圍繞科學的新的社會狀況的出現所形成和促進的.
7物理學在地理上的擴大
物理學的變遷,同時也伴有物理學在地理上擴大.俄國(蘇聯),美國,日本,中國及歐洲,亞洲,非洲物理學在地理上的擴大,必將會進一步擴大在進行尖端物理學研究,所以,沒有理由認為這些國家將來不會產生真正的物理學研究.
8研究技術化
可以把這一趨勢同由物理學所支撐著的各種各樣新技術所持有的可能性相結合,看作是社會進步的一個標誌.
第二章節近代物理學的序幕
一電子的發現
背景:電子的發現起源於對陰極射線的研究.陰極射線是低壓氣體放電過程中的一種奇特現象.這一觀點得到赫茲等人的支持,贊成以太說的大多是德國人.英國物理學家克魯克斯以及舒斯特根據各自的實驗及解釋都認為陰極射線是由粒子組成的.德國學派主張以太學說,英國學派主張帶電微粒說.
J.J.湯姆生對電子研究
⒈定性研究:J.J.湯姆生還改進了赫茲的靜電場偏轉實驗,他進一步提高了真空度,並且減小極間電壓,以防止氣體電離,終於獲得了穩定的靜電偏轉.
⒉定量研究:一種方法是用靜電場偏轉管在管子兩側各加一通電線圈以產生垂直於電場方向的磁場,然後根據電場和磁場分別造成的偏轉,計算出陰極射線的荷質比e/m,另一種方法是測量陰極的溫升.因為陰極射線撞擊到陰極,會引起陰極的溫度升高.J.J.湯姆生把熱電偶接到陰極,測量它的溫度變化,兩種不同的方法得到的結果相近,荷質比
⒊普遍性證明
二X射線的研究
1895年,德國的維爾茨堡大學,倫琴教授陰極射線研究發現了X射線
三,放射性的發現
對陰極射線研究引起了放射性物質的發現.1896年5月18日,貝克勒爾發現了放射性.
貝克勒爾發現放射性雖然沒有倫琴發現X射線那樣轟動一時,意義卻更為深遠.因為這是人類第一次接觸到核現象,為後來居里夫婦,盧瑟福等對放射性研究發展開闢了道路.
第三章相對論的建立
相對論的研究起源於"以太漂移"的探索以及光行差的觀測.1678年惠更斯把光振動類比於聲振動,看成是以太中的彈性脈衝.但是後來由於光的微粒說占了上風,以太理論受到壓抑,牛頓就認為不需要以太,他主張超距作用.1800年以後,由於波動說成功地解釋了干涉,衍射和偏振等現象,以太學說重新抬頭.在波動說的支持者看來,光既然是一種波,就一定要有一種載體,這就是以太.他們把以太看成是無所不在,絕對靜止,極其稀薄的剛性"物質".
機械波的波動方程與電磁波的波動方程
機械振動只有在彈性介質中傳播才形成機械波,在彈性介質中套用牛頓定律和胡克定律,即可建立機械波的波動方程,一維橫波的波動方程為
機械波的波動方程和波速這些性質是否也適用於電磁波(包括光波)呢電磁波有類似於機械波的波動方程,那么,電磁波的波動方程是相對於什麼樣的參考系建立的真空中速度是相對於什麼參考系的.
1861年,英國物理學家麥克斯韋總結前人的實驗規律基礎上,推導真空中電磁波的波動方程,其一維形式的真空波動方程為:
3.邁克耳遜―莫雷實驗
波動理論假定了真空中充滿以太,光相對於以太的速度C傳播,地球上的觀察者所測到真空中光速的數值將是多大呢如果認為地球運動時以太完全沒有被帶動,地球上測到的真空光速應該是光對以太的速度與地球相對於以太速度的矢量差,為了能夠顯示出光相對於地球的傳播速度不同於C,邁克耳遜設計了一個十分巧妙的實驗.
在邁克耳遜最初裝置中,採用地球公轉速度可得0.04個條紋,這是一個很小的效應,但他的儀器裝置觀察到的只是0.02個條紋的變動,即使進一步改進,結果都沒有觀察到條紋的移動.
4.洛倫茲等人的貢獻
斐茲傑惹於1889年,洛倫茲於1892年先後獨立地提出了著名的洛倫茲―斐茲傑惹收縮假定.他們都承認以太的存在,在以太中靜止的一個長為L的物體,當它沿長度方向相對於以太速率V運動時,將縮短到
5.愛因斯坦與狹義相對論
將相對性原理套用於電磁理論,如果認為電磁場的麥克斯韋方程組是正確的(方程組中真空中光速C的普適常數出現).則必須同時承認真空中光速C對所有慣性系相同,與波源的運動無關.然而,這卻是於牛頓力學不相等的.在牛頓力學中,速度總是相對於一定的參考系,不允許在動力學方程中出現普適的速度.
6.廣義相對論的建立
狹義相對論建立之後,愛因斯坦並沒有止步,他認為狹義相對論還有許多問題沒有解決,例如:為什麼慣性質量隨能量變化為什麼一切物體在引力場中下落都具有同樣的加速度1916年,愛因斯坦發表了《廣義相對論的基礎》,對廣義相對論的研究作了全面的總結.在論文中,愛因斯坦證明了牛頓理論可以作為相對論引力理論的第一級近似,並且組給出了譜線紅移,光線彎曲,行星軌道近日點進動的理論預言
7.愛因斯坦的成功分析
1.兼收並蓄
2.敢於創新,突破常規精神
3.哲學修養
美發射探測衛星驗證88年前愛因斯坦的預言
第四章量子力學的發展
一黑體輻射的研究
1859年基爾霍夫物體熱輻射的發射本領e(v,T)和吸收本領a(v,T)的比值都相等,並等於該溫度下黑體對同一波長的輻射度
1879年斯特潘根據實驗總結出黑體輻射總能量與黑體溫度四次方成正比的關係
1893年維恩經驗式子
1900年瑞利
為了解決上述困難,普朗克利用內插法,將適用於短波的維恩公式和適用於長波的瑞利―金斯公式銜接起來.在1900年提出了一個新的公式
普朗克與統一思想的波動
普朗克對量子論的研究工作中猶豫徘徊,畏縮不前的主要原因是物理學的統一性問題,即如何對量子論的解釋.
玻爾理論的形成
光譜
盧瑟福
量子理論
玻爾理論
1913年《原子構造和分子構造》提出了兩條基本假設:定態,躍遷
1914年,夫蘭克和G.赫茲以能量分立的指導思想,進行電子與原子的碰撞實驗設計.他們利用慢電子與稀薄水銀蒸氣碰撞方法,來確定銀原子的激發電位或電離電位.從而證實原子只能處在一定的分立能量狀態當中.由此突破了"自然無飛躍"能量連續性的經典物理觀點.這個實驗成為玻爾原子理論的一個重要證據之一,
1918年,玻爾為了解釋譜線強度這一當時原子理論無法解決的難題,提出了協調經典物理理論與微觀量子理論之間相互關係的對應原理
玻爾的直覺與創新研究方法
玻爾的科研思想與他的直覺相聯繫在一起,他從不畏縮不前,也不遵循所謂嚴格的邏輯道路的方法.玻爾靈活的思維特點與思想方法在今天已成為越來越多的人所理解和賞識.
量子力學的建立
1924年泡利提出不相容原理.這個原理促使烏倫貝克和高斯密特,在1925年提出電子自鏇的構想.從而使長期得不到解釋的光譜精細結構,反常塞曼效應和斯特恩―蓋拉赫實驗等難題迎刃而解.同年,海森伯創立了陣矩力學,使量子理論登上了一個新的台階.1923年德布羅意提出物質波假設,導致了薛丁格在1926年以波動方程的形式建立了新的量子理論.不久薛丁格證明,這兩種量子理論是完全等價的,只不過形式不同罷了.1928年狄拉克提出電子的相對論性運動方程――狄拉克方程,奠定了相對論性量子力學的基礎.
第五章中國物理學者在近代物理學發展中貢獻
一出國留學
中國學者出國留學可追溯到,在19世紀中葉,清朝赴歐留學得就達一百多人.清朝洋務活動的"求強","求富"過程中,為訓練新式陸海軍和創辦近代軍事工業和民安企業,曾陸續派出許多學生到各國求學.在1862―1900年間,有幾百人,以官費,自費出國遊學,但主要是學習語言,駕駛,架線,電工,炮術,造船,鑄造,採礦,機織等實用技術和軍事技術,當時不可能也沒有眼光派學生去學習數理化基礎學科.
二物理學教育的發展
在1895年和1897年分別創辦了天津西學堂和上海南洋公學.中西學堂分設頭等學堂,二等學堂,前者相當於大學.
1898年創辦的京師在大學堂,
三研究機構的建立
1928年3月在上海成立國立理化實業研究所,同年6月中央研究院創立,同年11月理化實業研究所之一部分改名為物理學研究所,隸屬中央研究院.
1929年9月在北平建立了北平研究院
20世紀20年代末,國家批准有條件大學設立研究部,在教學同時開展科學研究.
四中國物理學會
中國物理學會成立於1932年,它是中國物理學教學,研究發展的必然結果,截止1932年左右,物理學工作者約300人左右.
中國物理學報於1933年創刊.在1933―1935年出版了第一卷共三期,至1950年共出版了七卷.該學報以外文(主要為英文,個別為法文,德文)發表,附以中文摘要.它在國內外學術交流中起到了很好的作用.
五國外物理學家對我國近代物理學發展得作用
1國外物理學家對我國物理學者得培養與幫助.我國許多物理學家都得到了國外著名物理學者的培養.
2國外物理學家來華講學極大地促進了我國物理學的發展.1921年蔡元培和夏元0訪問愛因斯坦,並邀請他來中國講學.朗之萬於1931年底來華講學.1937年5月31日至6月4日,玻爾來華進行了講學.
六我國物理學者在近代物理學中得主要貢獻
吳有訓在美國研究Compton效應著稱,他的關於Compton效應中變線與不變線的能量分布比率的兩篇實驗論文,確鑿地證明了Compton效應的存在,豐富的和發展了Compton工作,並加速國際學術界對Compton效應的認識.吳有訓回國後,或獨自或帶領研究生繼續從事有關的研究.
趙忠堯在研究硬射線的吸收係數及其散射的實驗中,最早觀察到正負電子對的產生和湮沒現象
薩本棟在30年代關於三相電路並矢代數的研究,是屬於數學,物理和電機的三角地帶,被美國電氣工程師學會評為1937年度"理論和研究最佳文章榮獲".40年代薩本棟從事交流電機研究,以標么值系統分析交流電機問題.他根據在廈門大學和美國講課的素材編寫的《交流電機基礎》一書,被英國,美各國高等院采作教材.開創了中國科學家編寫的教材被國外採用的先例.
1949年,張文裕在吸收介子的雲室研究中,發現了子和子輻射現象,開拓了奇異原子物理研究的新領域.國際上曾稱此二發現為"張輻射"和"張原子".
黃昆在1947年發現了後來被稱為"黃散射",即固體中雜質缺陷導致X光漫散射,它直接有效地成為研究晶體微觀缺陷的手段.1950年,黃昆和(李愛扶)共同提出了多聲子輻射和無輻射躍遷的量子理論,在國際上被稱為黃理論.1947-1951年間,黃昆與合著《晶格動力學》一書,它成為該領域的一本基本理論著作而在國際上享有盛名.
謝玉銘於1932-1934年間在美國與W.V.Houston合作研究氫原子光譜Balmer系的精細結構,發現了在40年代後期才得以肯定的"Lamb"移位,並提出了40年代後期有關重整化理論的發展方向相同的大膽建議.W.E.Lamb於1947-1948年間所作的類似實驗及發現而獲得1995年諾貝爾物理學獎.
宇宙起源及超導體材料的研究.
量子力學中的，量子密碼學，量子計算機，等等和量子有關的分學科
往更小和更大的方面發展。
更小---了解物質的構成，看看夸克是否可以再分。
更大---了解宇宙了！宇宙物理學
外星人的存在與否
