第五讲现代物理学革命

1、现代物理学革命1现代物理学现代物理学现代科学技术 第五讲现代物理学革命2第一节第一节 1919、2020世纪之交物理学三大发现世纪之交物理学三大发现 vX射线的发现射线的发现 v放射性的发现放射性的发现 v电子的发现电子的发现现代物理学革命3现代物理学革命的开始v 18951895年，物理学已经有了相当的发展，几个主要部门年，物理学已经有了相当的发展，几个主要部门-牛牛顿力学、热力学和分子运动论、电磁学和光学，都已经建顿力学、热力学和分子运动论、电磁学和光学，都已经建立了完整的理论，在应用上也取得了巨大成果。这时物理立了完整的理论，在应用上也取得了巨大成果。这时物理学家普遍认为，物理学已经发展

2、到顶了，以后的任务无非学家普遍认为，物理学已经发展到顶了，以后的任务无非是在细节上作些补充和修正而已，没有太多的事好做了。是在细节上作些补充和修正而已，没有太多的事好做了。v X X射线的发现唤醒了沉睡的物理学界。它像一声春雷，引射线的发现唤醒了沉睡的物理学界。它像一声春雷，引发了一系列重大发现，把人们的注意力引向更深入、更广发了一系列重大发现，把人们的注意力引向更深入、更广阔的天地，从而揭开了现代物理学革命的序幕。阔的天地，从而揭开了现代物理学革命的序幕。现代物理学革命4现代物理学革命5现代物理学革命6现代物理学革命7二、放射性的发现二、放射性的发现现代物理学革命8太阳光下实验太阳光下实验现

3、代物理学革命9阴天的实验阴天的实验现代物理学革命10现代物理学革命11钋和镭的发现钋和镭的发现现代物理学革命12现代物理学革命13现代物理学革命14 18981898年，卢瑟福年，卢瑟福(E. Rutherford)(E. Rutherford)通过吸收实验证明铀辐射通过吸收实验证明铀辐射穿透力弱的称为穿透力弱的称为射线，穿透力强的称为射线，穿透力强的称为射线。射线。 18991899年，贝克勒尔证实年，贝克勒尔证实射线能被磁场偏转，其行为与阴极射线能被磁场偏转，其行为与阴极射线相似。射线相似。 19001900年，法国化学家维拉德年，法国化学家维拉德(P.Villard)(P.Villard

4、)发现在铀辐射中还发现在铀辐射中还有另一种成分，穿透力更强，称为有另一种成分，穿透力更强，称为射线。射线。 从从19021902年起，卢瑟福和索第年起，卢瑟福和索第(F(FSoddy)Soddy)等人研究。射线和放等人研究。射线和放射性物质的规律，终于导致射性物质的规律，终于导致原子核嬗变规律和原子核的发现原子核嬗变规律和原子核的发现。现代物理学革命15三、电子的发现三、电子的发现v阴极射线：大的波动还是带电粒子流？vJ.J.汤姆生(J.J.Thomson) 直接测阴极射线携带的电荷 使阴极射线受静电偏转 用不同方法测阴极射线的荷质比 证明电子存在的普遍性 现代物理学革命16 JJ汤姆生把联到

5、静电计的电荷接受器(法拉第圆桶)安装在真空管的一侧，平时没有电荷进入接收器。 用磁场使射线偏折，当磁场达到某一值时，接收器接收到的电荷猛增，说明电荷来自阴极射线。直接测阴极射线携带的电荷现代物理学革命17使阴极射线受静电偏转 汤姆生重复了赫兹的静电场偏转实验，注意到在刚加上电压汤姆生重复了赫兹的静电场偏转实验，注意到在刚加上电压的瞬间，射束轻微摆动。这是由于残余气体分子在电场的作的瞬间，射束轻微摆动。这是由于残余气体分子在电场的作用下发生了电离，正负离子把电极上射线所带电荷的实验装用下发生了电离，正负离子把电极上射线所带电荷的实验装置的电压抵消掉了。显然这是由于真空度不够高的原因。置的电压抵消

6、掉了。显然这是由于真空度不够高的原因。他在实验室技师的协助下努力改善真空条件，并且减小极间他在实验室技师的协助下努力改善真空条件，并且减小极间电压，终于获得了稳定的静电偏转。电压，终于获得了稳定的静电偏转。现代物理学革命18用不同方法测阴极射线的荷质比用不同方法测阴极射线的荷质比 测量阳极的温升，因为阴极射线撞击到阳极，会引起阳极的温度升高。 JJ汤姆生把热电偶接到阳极，测量它的温度变化。根据温升和阳极的热容量可以计算粒子的动能，再从阴极射线在磁场中偏转的曲率半径，推算出阴极射线的荷质比与速度。现代物理学革命19汤姆生还用不同的阴极和不同的气体做实验，所汤姆生还用不同的阴极和不同的气体做实验，

7、所得荷质比数量级相同，证明各种条件下的粒子流得荷质比数量级相同，证明各种条件下的粒子流都是相同的，不因电极材料和气体成分而异。都是相同的，不因电极材料和气体成分而异。ThomsonThomson被认为是电子的发现者，并因此获得被认为是电子的发现者，并因此获得19061906年诺贝尔物理学奖。此后他的七个助手先后年诺贝尔物理学奖。此后他的七个助手先后都获得过诺贝尔奖。都获得过诺贝尔奖。 证明电子存在的普遍性证明电子存在的普遍性现代物理学革命20第二节第二节 量子物理学的研究量子物理学的研究 量子理论（扎扎实实的科学作风）量子理论（扎扎实实的科学作风） 量子力学（现代高科技的基石之一）量子力学（现

8、代高科技的基石之一） 现代物理学革命21原子模型原子模型 汤姆逊原子模型汤姆逊原子模型 正正电荷背景电子（正电电荷背景电子（正电荷背景（正电荷均匀分荷背景（正电荷均匀分布），电子镶嵌）布），电子镶嵌） 卢瑟福原子模型卢瑟福原子模型 （行星（行星模型或核式模型）模型或核式模型） 一、原子模型与量子理论一、原子模型与量子理论现代物理学革命22原子模型原子模型 玻尔原子模型玻尔原子模型( (玻尔假玻尔假说说) )：原子核外电子各自原子核外电子各自在固定轨道上绕核转动，在固定轨道上绕核转动，且无电磁辐射；当电子且无电磁辐射；当电子从一轨道跃迁到另一轨从一轨道跃迁到另一轨道时，放出（或吸出）道时，放出（

9、或吸出）能量为的光子能量为的光子, , 其中其中为光子频率。为光子频率。h = 6.6310-34焦耳秒 普朗克常数现代物理学革命23二、量子论的发展过程二、量子论的发展过程 普朗克黑体辐射假说：普朗克黑体辐射假说：电磁辐射的能量交换是量电磁辐射的能量交换是量子化的，即子化的，即 ，n = 1n = 1，2 2，3 3， 光电效应光电效应（爱因斯坦,1905年）：光是由无静止质光是由无静止质量的微粒（光子）组成的。量的微粒（光子）组成的。 德布罗意波粒二象性假说德布罗意波粒二象性假说 ：任何微观粒子既是一任何微观粒子既是一种粒子，又是一种波动。种粒子，又是一种波动。Enhv现代物理学革命24（

10、一）量子论的初期 1、普朗克能量子假说 19001900年普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难，年普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难，引入了引入了能量子概念能量子概念，为量子理论奠下了基石。，为量子理论奠下了基石。 “紫外灾难紫外灾难”：科学家们致力于建立辐射强度与光波长之间科学家们致力于建立辐射强度与光波长之间的函数关系。瑞利的函数关系。瑞利金斯的公式在长波区和实验结果符合，金斯的公式在长波区和实验结果符合，而当波长接近紫外时，计算出的能量为无限大而当波长接近紫外时，计算出的能量为无限大! ! 普朗克认为物体在发射辐射和吸收辐射时，能量是不连续的，普朗克认为物体在发射辐射和

11、吸收辐射时，能量是不连续的，这种分离变化不是随意的，它有最小的能量单元，该单元称这种分离变化不是随意的，它有最小的能量单元，该单元称为能量子或者量子。物体发射和吸收的能量只能是能量子的为能量子或者量子。物体发射和吸收的能量只能是能量子的整数倍。整数倍。现代物理学革命252、爱因斯坦光量子论、爱因斯坦光量子论 爱因斯坦针对爱因斯坦针对光电效应实验光电效应实验与经典理论的矛盾，提出了光量与经典理论的矛盾，提出了光量子假说，并在固体比热问题上成功地运用了能量子概念，为子假说，并在固体比热问题上成功地运用了能量子概念，为量子理论的发展打开了局面。量子理论的发展打开了局面。 爱因斯坦认为，能量的不连续性

12、可以推广到辐射的空间传播爱因斯坦认为，能量的不连续性可以推广到辐射的空间传播过程。光在传播时，能量不连续地分布于空间，由分离的能过程。光在传播时，能量不连续地分布于空间，由分离的能量子组成，这些能量子称为光量子。量子组成，这些能量子称为光量子。 爱因斯坦认为他的光量子理论是波动及发射理论的一种融合。爱因斯坦认为他的光量子理论是波动及发射理论的一种融合。19091909年他进一步指出光不仅具有粒子性而且具有波动性，即年他进一步指出光不仅具有粒子性而且具有波动性，即光具有波粒二象性。光具有波粒二象性。现代物理学革命263、玻尔的原子理论、玻尔的原子理论 19131913年，玻尔在卢瑟福有核模型的基

13、础上运用量子年，玻尔在卢瑟福有核模型的基础上运用量子化概念，提出玻尔的原子理论，对氢光谱作出了满化概念，提出玻尔的原子理论，对氢光谱作出了满意的解释，使量子论取得了初步胜利。随后，玻尔、意的解释，使量子论取得了初步胜利。随后，玻尔、索末菲和其他物理学家为发展量子理论花了很大力索末菲和其他物理学家为发展量子理论花了很大力气，却遇到了严重困难。旧量子论陷入困境。气，却遇到了严重困难。旧量子论陷入困境。 现代物理学革命27（二）量子论的建立 19231923年，德布罗意提出了物质波假说，将年，德布罗意提出了物质波假说，将波粒二象性波粒二象性运运用于电子之类的粒子束，把量子论发展到一个新的高度。用于电

14、子之类的粒子束，把量子论发展到一个新的高度。 19251925年年-1926-1926年薛定谔率先沿着物质波概念成功地确立了年薛定谔率先沿着物质波概念成功地确立了电子的波动方程，为量子理论找到了一个基本公式，并电子的波动方程，为量子理论找到了一个基本公式，并由此创建了由此创建了波动力学波动力学。 几乎与薛定谔同时，海森伯写出了以几乎与薛定谔同时，海森伯写出了以“关于运动学和力关于运动学和力学关系的量子论的重新解释学关系的量子论的重新解释”为题的论文，创立了解决为题的论文，创立了解决量子波动理论的矩阵方法。量子波动理论的矩阵方法。现代物理学革命28德布罗意于德布罗意于19241924年提出，微年

15、提出，微观粒子也具有波动性，根据观粒子也具有波动性，根据光波与光子之间的关系，把光波与光子之间的关系，把微观粒子的粒子性质（能量微观粒子的粒子性质（能量E E和动量和动量p p）与波动性质（频）与波动性质（频率率和波长和波长）用所谓德布）用所谓德布罗意关系联系起来了，即罗意关系联系起来了，即 E= hE= h，p=h/p=h/。 波粒二象性波粒二象性现代物理学革命29（二）量子论的建立 19251925年年9 9月，玻恩与另一位物理学家约丹合作，将海森伯月，玻恩与另一位物理学家约丹合作，将海森伯的思想发展成为系统的矩阵力学理论。不久，狄拉克改的思想发展成为系统的矩阵力学理论。不久，狄拉克改进了

16、矩阵力学的数学形式，使其成为一个概念完整、逻进了矩阵力学的数学形式，使其成为一个概念完整、逻辑自洽的理论体系。辑自洽的理论体系。 19261926年薛定谔发现波动力学和矩阵力学从数学上是完全年薛定谔发现波动力学和矩阵力学从数学上是完全等价的，由此统称为量子力学，而薛定谔的波动方程由等价的，由此统称为量子力学，而薛定谔的波动方程由于比海森伯的矩阵更易理解，成为量子力学的基本方程。于比海森伯的矩阵更易理解，成为量子力学的基本方程。 现代物理学革命30三、量子力学基本方程 薛定谔方程 适用于一切微观低速物理现象：适用于一切微观低速物理现象： 原子结构，元素周期律，分子结构，化学反应，原子分子原子结构

17、，元素周期律，分子结构，化学反应，原子分子光谱，激光，超导，晶体管，介观纳米物理，原子激光光谱，激光，超导，晶体管，介观纳米物理，原子激光. . 现代物理学革命31四、量子理论的科学思想四、量子理论的科学思想 量子论是现代物理学的两大基石之一。量子论是现代物理学的两大基石之一。 量子论给我们提供了新的关于自然界的表述方法和思考方法。量子论给我们提供了新的关于自然界的表述方法和思考方法。 量子论揭示了微观物质世界的基本规律，为原子物理学、固体量子论揭示了微观物质世界的基本规律，为原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学奠定了理论基础。物理学、核物理学和粒子物理学奠定了理论基础。 它能很好地解

18、释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性它能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收与辐射等。质、光的吸收与辐射等。 现代物理学革命32四、量子理论的科学思想四、量子理论的科学思想 扎扎实实的科学作风，扎实基础，扎扎实实的科学作风，扎实基础， 厚积广积，切莫急功近利厚积广积，切莫急功近利 ！ 科学研究有其自身的规律：科学研究有其自身的规律：先基础，后突破，成就以基础为前先基础，后突破，成就以基础为前提，在成就突破过程中完善和丰厚研究者的基础。基本功扎实提，在成就突破过程中完善和丰厚研究者的基础。基本功扎实的程度直接决定了突破的可能性和成就的分量；反之，从成就的程度直接决

19、定了突破的可能性和成就的分量；反之，从成就的分量也可以一目了然地看出研究者基本功的扎实程度。的分量也可以一目了然地看出研究者基本功的扎实程度。 科学的否定观：科学的否定观：量子力学在低速微观领域中对牛顿力学的否定，量子力学在低速微观领域中对牛顿力学的否定，用事实证实了观点，客观、扬弃和创新。用事实证实了观点，客观、扬弃和创新。现代物理学革命33第三节第三节 相对论与时空观相对论与时空观Albert Einstein in 1916 现代物理学革命341、伽利略相对性原理 1632年伽利略关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话。 对于力学规律来说一切惯性系都是等价的。 不可能在惯性系内部进行任何力

20、学实验来确定该系统作匀速直线运动的速度。一、狭义相对论一、狭义相对论现代物理学革命352、“以太”概念的消除光速不变 经典物理学绝对空间的根基：以太 1887年迈莫实验出现零结果。 1889年，菲茨杰拉德提出物体长度沿运动方向收缩。 1892年，荷兰物理学家洛仑兹也独立地提出了类似的假说，并给出了著名的洛仑兹变换。 1905年，爱因斯坦：以太概念不必要，光速不变，同时性是相对的 。现代物理学革命363、狭义相对论基本原理(1)相对性原理；(2)光速不变原理。现代物理学革命37狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 光速不变：光速不变：光在光在不同介质中的传不同介质中的传播速度是可以不播速度是

21、可以不一样的一样的 相对性：相对性：所有的物理所有的物理规律在不同的惯性参规律在不同的惯性参照系中是一样的照系中是一样的 现代物理学革命38(3)相对论时空观 同时的相对性 运动的钟变慢 运动的长度缩短 现代物理学革命39同时的相对性同时的相对性 时间延缓时间延缓 4、狭义相对论的主要推论、狭义相对论的主要推论 现代物理学革命404、狭义相对论主要推论 相对论质量 在任何惯性系中，物体的运动速度不能超越光速。光速是物质运动的极限速度。 如果物体运动速度比光速小很多，相对论力学就还原为牛顿力学。 质能关系m= g m0 粒子的总能量为：E=mc2粒子的静止能量为：E0=m0c2现代物理学革命41

22、质能关系 在化学反应中，例如氢与氧结合生成水，水的质量等于在化学反应中，例如氢与氧结合生成水，水的质量等于参加反应的氢和氧的质量之和。在反应中放出的热量，参加反应的氢和氧的质量之和。在反应中放出的热量，被认为是氢和氧原子中储存的化学能，在整个反应过程被认为是氢和氧原子中储存的化学能，在整个反应过程中，能量和质量分别守恒。中，能量和质量分别守恒。 爱因斯坦要使物体运动定律既满足相对性原理，又要求爱因斯坦要使物体运动定律既满足相对性原理，又要求低速下与牛顿定律一致，得到了一个令人意外的结果低速下与牛顿定律一致，得到了一个令人意外的结果。现代物理学革命42质能转化 氢与氧结合生成水时放出的热量来源于

23、氢与氧的质氢与氧结合生成水时放出的热量来源于氢与氧的质量和与水的质量之差（也称质量亏损）。量和与水的质量之差（也称质量亏损）。 化学反应的质量亏损比例约为十亿分之一到一千亿化学反应的质量亏损比例约为十亿分之一到一千亿分之一。核反应的比例约为一千到一万分之一。分之一。核反应的比例约为一千到一万分之一。 5050克物质全部转化为能量，可将西湖中的所有水加克物质全部转化为能量，可将西湖中的所有水加热到沸腾。热到沸腾。现代物理学革命43二、广义相对论 物质存在的现实空间不是平坦的，而是弯曲的，空间弯曲的程度（曲率）取决于物质的质量及其分布状况；空间曲率体现为引力场的强度。 它实质上是一种引力理论，认为

24、万有引力的产生由于物质的存在和一定的分布状况使时间和空间的性质变得不均（即时空弯曲）所致。现代物理学革命441、广义相对论的基本原理 等效原理等效原理非惯性系与一个引力场等效。非惯性系与一个引力场等效。 （引力场对物体的引力作用和物体的加速运动（引力场对物体的引力作用和物体的加速运动是等效的。是等效的。 ） 广义相对论原理广义相对论原理自然法则自然法则（物理学基本规（物理学基本规律）在所有的参考系中都是相同的。律）在所有的参考系中都是相同的。 现代物理学革命452、广义相对论的主要结论、广义相对论的主要结论现代物理学革命463 3、广义相对论的验证、广义相对论的验证现代物理学革命47三、相对论

25、的时空观三、相对论的时空观 牛顿的绝对时空观认为时间和空间是绝对的、均匀的，牛顿的绝对时空观认为时间和空间是绝对的、均匀的，相互独立的。相互独立的。 根据相对论根据相对论, ,时间和空间是相对的。即在不同的参照时间和空间是相对的。即在不同的参照系时间是不同的，物体的形状，质量等都是不同的。系时间是不同的，物体的形状，质量等都是不同的。 “横看成岭侧成峰，远近高低各不同。横看成岭侧成峰，远近高低各不同。”（苏轼（苏轼题西林壁题西林壁）现代物理学革命48三、相对论的时空观三、相对论的时空观 时间与空间不仅是相对的、相互关联的。时间与空间不仅是相对的、相互关联的。 而且与物质存在有关，与观察者的运动

26、状态有关而且与物质存在有关，与观察者的运动状态有关 一个参照系中的所有钟都校准了，即相互同步的，一个参照系中的所有钟都校准了，即相互同步的，在另一参照系看这些不同地点的钟都不同步了。在另一参照系看这些不同地点的钟都不同步了。现代物理学革命49四、相对论四、相对论:演绎法的典范演绎法的典范 从一般到特殊的逻辑过程。从一般到特殊的逻辑过程。 从一般的原理推知某个从属于该类事物的特殊事物的新知。从一般的原理推知某个从属于该类事物的特殊事物的新知。 相对论的基本原理相对论的基本原理是从更高层次的基本理念出发的假设，是是从更高层次的基本理念出发的假设，是在极少量的实验事实的启发下，依据其对世界、宇宙的认

27、识在极少量的实验事实的启发下，依据其对世界、宇宙的认识理念（如世界的可认识性、客观规律的简单性、对称性或美理念（如世界的可认识性、客观规律的简单性、对称性或美学原则等）得出的学原则等）得出的现代物理学革命50四、物理学与科学精神 v创新学风 ：想前人所未想，做前人所未做 捆绑着火药喷射筒的弓箭(中国明朝) 现代物理学革命51四、物理学与科学精神 v严谨求是严谨求是 ：精确定量、逻辑、客观、可重复 实验： 精确、定量、可重复 理论： 正确、计算精确、推理逻辑 语言：语言： 精确、简洁、条理清晰精确、简洁、条理清晰 现代物理学革命52四、物理学与科学精神 v踏踏实实，百折不挠踏踏实实，百折不挠 ：

28、科学无捷径科学无捷径，扎实基础，切扎实基础，切莫急功近利莫急功近利 ！尝试，失败，再尝试，再失败尝试，失败，再尝试，再失败 焦耳测定热功当量精确值：38年！ 相对论：15年! 从预言受激辐射到激光诞生：44年！ 从发现超导现象到BCS超导理论：46年！ 从玻色爱因斯坦凝聚理论到实验证明：70余年！ 超弦理论:60年？ 受控热核聚变：100年？ . . . . . . 现代物理学革命53四、物理学与科学精神 v真理的完美性真理的完美性：玄妙、对称、简玄妙、对称、简洁、和谐、统一洁、和谐、统一v物理学最深奥的秘密与“对称性”有关 现代物理学革命54五、物理学在未来科技和社会中的作用五、物理学在未来

29、科技和社会中的作用 物理学是所有自然科学的基础 （1 1）纯物理学）纯物理学研究物质的存在及其运动规律。 目的：认识世界研究新物质、发现新现象、发展新概念、建立新理论-开拓新的学科领域现代物理学革命55五、物理学在未来科技和社会中的作用五、物理学在未来科技和社会中的作用 物理学是所有自然科学的基础物理学是所有自然科学的基础 (2)(2)应用物理学应用物理学 已发现的规律已发现的规律-应用物理应用物理-开发开发-工程工程 力学力学-机械学、结构学机械学、结构学 （建筑，桥梁设计）（建筑，桥梁设计） 电学电学-电工学电工学-电气化电气化 光学光学-应用光学应用光学-光学工程光学工程 电子学电子学-

30、电子工程电子工程-信息科学信息科学 量子论，相对论量子论，相对论-核物理核物理-原子弹、核能的利用交叉作用、原子弹、核能的利用交叉作用、发展发展 现代物理学革命5619世纪末，相继发现了世纪末，相继发现了x射线、放射性和电子射线、放射性和电子 1911年卢瑟福提出了原子的核式模型年卢瑟福提出了原子的核式模型 1913年玻尔完善了原子结构理论年玻尔完善了原子结构理论 1905年爱因斯坦提出了相对性理论；提出了四维时空的年爱因斯坦提出了相对性理论；提出了四维时空的新概念新概念 ;提出了质能关系及其著名表达式提出了质能关系及其著名表达式E=mc2 20世纪初叶，是物理学革命的年代世纪初叶，是物理学革

31、命的年代。原子核物理学的新发现与核工程技术原子核物理学的新发现与核工程技术物理学与核能工程技术物理学与核能工程技术 现代物理学革命571932年，查德威克发现中子年，查德威克发现中子;海森堡和伊凡宁柯分别海森堡和伊凡宁柯分别独立提出了原子核由质子和中子组成的模型独立提出了原子核由质子和中子组成的模型 1934年约里奥年约里奥-居里夫妇成功地用人工方法产生了放射性同位素居里夫妇成功地用人工方法产生了放射性同位素 1939年哈恩和斯特拉斯曼在实验上发现中子轰击年哈恩和斯特拉斯曼在实验上发现中子轰击下的铀核裂变以及梅特纳和弗里什的理论解释下的铀核裂变以及梅特纳和弗里什的理论解释 原子核物理学的新发现

32、与核工程技术原子核物理学的新发现与核工程技术现代物理学革命58u对核结构和质量的研究，使人们认识到原子核结合对核结构和质量的研究，使人们认识到原子核结合能随原子量变化的规律能随原子量变化的规律：一个重核分裂成两个中等质量的核时，会释放能量；一个重核分裂成两个中等质量的核时，会释放能量；某些轻核聚合成一个较重的核时，会释放能量；某些轻核聚合成一个较重的核时，会释放能量；lE= MC2 M-质量亏损，质量亏损，l一次核聚变时放出的能量要比核裂变时大四倍以上。一次核聚变时放出的能量要比核裂变时大四倍以上。原子核物理学的新发现与核工程技术原子核物理学的新发现与核工程技术现代物理学革命59 原子核物理的

33、发现，奠定了原子核物理的发现，奠定了裂变核能裂变核能与与聚变聚变核能核能应用的基础。应用的基础。 核能应用的实现还必须进一步解决一系列核能应用的实现还必须进一步解决一系列应应用物理学用物理学和和工程技术工程技术上的问题。上的问题。 原子核物理学的新发现与核工程技术原子核物理学的新发现与核工程技术现代物理学革命60光物理的基础研究孕育了激光器的诞生光物理的基础研究孕育了激光器的诞生19世纪的科学家们进行了关于电磁波的卓越的研究世纪的科学家们进行了关于电磁波的卓越的研究1905年爱因斯坦提出了光量子和光电效应的概念，年爱因斯坦提出了光量子和光电效应的概念，揭示了辐射的波粒二象性揭示了辐射的波粒二象

34、性 1916年爱因斯坦提出了受激辐射的概念年爱因斯坦提出了受激辐射的概念1900年普朗克引入的能量量子的概念年普朗克引入的能量量子的概念 基础性、探基础性、探索性研究索性研究物理学和激光技术与工程物理学和激光技术与工程 现代物理学革命61激光走向新技术的开发和工程应用阶段激光走向新技术的开发和工程应用阶段1954年研制成第一台微波激射器年研制成第一台微波激射器 1958年美国的汤斯和苏联的巴索夫及普罗霍洛夫等人提出了激光年美国的汤斯和苏联的巴索夫及普罗霍洛夫等人提出了激光的概念和理论设计的概念和理论设计 1960年美国的梅曼研制成功第一台红宝石激光器；贾万年美国的梅曼研制成功第一台红宝石激光器

35、；贾万等人研制成氦氖激光器。等人研制成氦氖激光器。我国的第一台激光器我国的第一台激光器于于1961年在长春光机所创制成功年在长春光机所创制成功 光物理的基础研究孕育了激光器的诞生光物理的基础研究孕育了激光器的诞生现代物理学革命62 四十多年来，激光器的品种迅速增加：四十多年来，激光器的品种迅速增加：固体激光器固体激光器半导体激光器半导体激光器固体激光器（固体激光器（半导体激光泵浦半导体激光泵浦）化学激光器（化学激光器（HF/DFHF/DF激光、氧碘化学激光器、激光、氧碘化学激光器、COCO2 2激光、激光、燃料激光、氦氖激光燃料激光、氦氖激光）自由电子激光器自由电子激光器x x射线激光器射线激

36、光器准分子激光器准分子激光器金属蒸气激光器等。金属蒸气激光器等。激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响现代物理学革命63p输出激光的频率覆盖着越来越广的范围：输出激光的频率覆盖着越来越广的范围：长至亚毫米（太赫兹）长至亚毫米（太赫兹）短至短至x射线射线激光也在探索中，分立的激光谱线达几千条；激光也在探索中，分立的激光谱线达几千条；p输出激光的光束质量，好的可达近衍射极限。输出激光的光束质量，好的可达近衍射极限。 激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响现代物理学革命64 激光应用的开创性表现在激光应用的开创性表现在 ： 激光光谱

37、技术比传统的分辨率提高了百万倍，灵敏度提激光光谱技术比传统的分辨率提高了百万倍，灵敏度提 高了百亿倍；高了百亿倍； 激光为信息技术开拓了丰富的频率资源；激光为信息技术开拓了丰富的频率资源； 布满全球的光纤网，加上卫星通信布满全球的光纤网，加上卫星通信网，形成了信息高速公路的基础；网，形成了信息高速公路的基础； 光存储、激光全息、激光照排、打光存储、激光全息、激光照排、打印及条码扫描技术等，提供了全新印及条码扫描技术等，提供了全新的多样化的信息服务。的多样化的信息服务。 可擦除小型光盘的刻录母盘激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响现代物理学革命65 激光可在很

38、小的区域上聚焦很高的功率密度：激光可在很小的区域上聚焦很高的功率密度： 在工业制造中可进行精确的切削和表面改性在工业制造中可进行精确的切削和表面改性 做精密的医疗手术做精密的医疗手术 作用于微型靶实现激光核聚变。作用于微型靶实现激光核聚变。激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响现代物理学革命66 激光技术开辟了崭新的军事应用，包括：激光技术开辟了崭新的军事应用，包括：激光瞄准、制导、测距激光瞄准、制导、测距激光雷达激光雷达激光陀螺激光陀螺激光引信激光引信激光致盲传感器激光致盲传感器高能强激光武器等。高能强激光武器等。 ABLABL激光技术与工程的迅速发展及其深

39、刻影响激光技术与工程的迅速发展及其深刻影响物理学与宇航工程物理学与宇航工程 现代物理学革命68物理学为宇航奠定理论基础 宇航学的开端与物理学的进展密不可分。正是宇航学的开端与物理学的进展密不可分。正是物理学的基础和现代技术的发展才使物理学的基础和现代技术的发展才使“嫦娥奔嫦娥奔月月”的佳话和的佳话和“万户万户”航天的理想得以变为现航天的理想得以变为现实。实。物理学与宇航工程物理学与宇航工程 现代物理学革命6917世纪世纪开普勒开普勒通过计算，发现行星沿椭圆轨道运行等通过计算，发现行星沿椭圆轨道运行等开普勒三定律开普勒三定律 1957年年10月苏联成功发射了世界上第一颗人造卫星，月苏联成功发射了

40、世界上第一颗人造卫星，这是人类航天历史上的一个里程碑这是人类航天历史上的一个里程碑 17世纪世纪牛顿力学牛顿力学形成体系，认识了万有引力定律形成体系，认识了万有引力定律 物理学为宇航奠定理论基础物理学为宇航奠定理论基础 20世纪初叶，齐奥尔科夫斯基给出了三个宇宙速度的世纪初叶，齐奥尔科夫斯基给出了三个宇宙速度的概念并精确计算了它们的数值。概念并精确计算了它们的数值。 现代物理学革命70u 低温物理的一个光辉篇章是超导体的研究。低温物理的一个光辉篇章是超导体的研究。物理学与其他工程技术物理学与其他工程技术1911年发现超导现象年发现超导现象20世纪的最后十几年，高温超导研究取得重要进展世纪的最后

41、十几年，高温超导研究取得重要进展1957年年BCS超导理论问世超导理论问世1、物理学与超导技术、物理学与超导技术现代物理学革命71超导超导（1911年，K. Onnes） 当温度T降到一定值以下，通过各自和原子的相互作用，电子和电子之间可形成具有吸引力的电子对（Cooper pairs），导体 超导体现代物理学革命72材料临界温度TC(K)水银(Hg)钨(W)锌(Zn)锡(Sn)铅(Pb)铌(Nb)铌三锗（Nb3Ge）4.2（1911年）0.0120.8443.727.2019.2623(1986年）现代物理学革命73应用：v超导线（超导线（10104 4 10 105 5 安培安培/ /毫米

42、毫米2 2）v超导电机（发电机，电动机，变压器等）超导电机（发电机，电动机，变压器等）v强磁场强磁场 15 15 特斯拉特斯拉 （核磁共振仪，加速器等）（核磁共振仪，加速器等）v磁悬浮磁悬浮 2020公斤厘米公斤厘米2 2 . . v超导计算机超导计算机 开关时间开关时间 10 10-9-9 秒秒 v广泛运用于航天、军事、生命科学等领域。广泛运用于航天、军事、生命科学等领域。 现代物理学革命74 超导技术的应用： 电能输送 加速器应用 贮能 超导磁悬浮列车 生物磁学 医学等领域物理学与超导技术物理学与超导技术现代物理学革命75 晶体管：晶体管：一种固体半导体器件，可以一种固体半导体器件，可以用

43、于检波、整流、放大、开关、稳压、用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。信号调制和许多其它功能。 晶体：晶体：原子按某一规律周期性地排列原子按某一规律周期性地排列 半导体：半导体：导电能力介于导体（如金、导电能力介于导体（如金、银、铜等）和绝缘体银、铜等）和绝缘体 ( (如陶瓷、橡胶、如陶瓷、橡胶、塑料等）之间的物质。塑料等）之间的物质。物理学与其他工程技术物理学与其他工程技术现代物理学革命76现代物理学革命77u 纳米科技是在物理与技术紧密结合的过程中发展的一个重要领域，并且很典型地体现了从量变到质变的哲学。 物理学与其他工程技术物理学与其他工程技术现代物理学革命78介质物

44、理学介质物理学（纳米物理学） 当物理系统（或元器件）的尺寸接近电子波长时，电子的波动性开始显现，此时的电子具有相互干涉、衍射、相位记忆、自旋取向等特征，从而导致明显的量子效应。 介观系统:尺寸约10-710-9 米 （可人工制备） 现代物理学革命79介观环内的电子波是驻波，电子波永不消失介观环内的电子波是驻波，电子波永不消失! ! 系统尺寸减少，表面的原子数多于内部原子数，表面效应明显系统尺寸减少，表面的原子数多于内部原子数，表面效应明显 现代物理学革命80u 物理学同其它学科的交叉：物理学同其它学科的交叉：l 生物物理学生物物理学是一个重要的研究方向。是一个重要的研究方向。l 物理学与计算数

45、学和计算机技术的交叉结合，还产生了物理学与计算数学和计算机技术的交叉结合，还产生了计计算物理学算物理学。l 量子理论与信息科学与技术的交叉导致量子理论与信息科学与技术的交叉导致量子通信量子通信的概念、的概念、量子调控技术量子调控技术和和量子信息论量子信息论的产生，并迅速走向技术，包的产生，并迅速走向技术，包括新的光通信技术括新的光通信技术量子通信、光学量子计算等。量子通信、光学量子计算等。物理学与工程技术的结合具有普遍性物理学与工程技术的结合具有普遍性现代物理学革命81物理学在其他自然科学及高新技术中的应用物理学在其他自然科学及高新技术中的应用 物理学与生命科学物理学与生命科学 20世纪最伟大的发现之一-DNA的双螺旋结构就是英国剑桥大学的物理学家克里克和沃森发现的。 医院里最先进的设备往往也是物理学刚刚发展的技术，例如 X光机，B超，CT（计算机X射线断层扫描成像技术），核磁共振扫描仪，检测的精度越来越高。 最近又有正电子成像技术；软X射线直接观察组织切片技术等。 现代物理学革命82物理学在其他自然科学及高新技术中的应用物理学在其他自然科学及高新技术中的应用 二十一世纪的计算机二十一世纪的计算机 量子计算机量子计算机 ：利用量子效应而研制的计算机，目利用量子效应而研制的计算机，目前的方案：利用