诺贝尔物理学教学设计

诺贝尔物理学教学设计指导思想与教学理论诺贝尔物理学奖获得者简介专题是一个介绍性的课程。介绍性的课程主要是要注重讲述内容的通俗易懂，同时能够达到科普的目的。所以在教学过程中主要注重的是讲述内容的生动和与现实生活的贴近，以期能够有跟更多的互动过程，丰富教学形式。教学背景分析诺贝尔物理学奖对每一个听课的同学来说已经有一定的了解，不必介绍其历史成因和具体授奖的形式以及其影响力。但是具体到每一年的诺贝尔物理学奖的得奖情况，却不胜了解。对于获得奖项的物理成果和其对现在生活带来的巨大影响也没有完全的了解。进一步，从获奖情况看来，对近现代物理发展的趋势也没有一个清晰的把握。故采用PPT结合板书的形式，进行综合性，总结性的讲解。教学教学目标知识与技能：1、对1956年—1968年诺贝尔物理学奖获得者有一定的了解。2、对每一年诺贝尔物理学奖获得者所做的贡献有一定的介绍。过程与方法：通过PPT的展示和板书的相结合，对每一年的诺贝尔物理学奖获奖者进行介绍，并相应介绍他们所做的突出性很强的工作。情感态度与价值观：通过对获得诺贝尔物理学奖历史人物的介绍，对科学家的工作有新的了解，同时，对物理学的发展也有一定的了解。并培养科学的情商和信仰。教学重点与难点：教学重点：对每个年份的诺贝尔物理学奖的简略且全面的介绍。教学难点：对每个年份的诺贝尔物理学奖工作的大致介绍。教学过程：1956年诺贝尔物理学奖。——晶体管的发明获奖者简介：1956年诺贝尔物理学奖授予美国加利福尼亚州景山(MountainView)贝克曼仪器公司半导体实验室的肖克利（WilliamShockley,1910-1989）、美国伊利诺斯州乌尔班那伊利诺斯大学的巴丁（JohnBardeen,1908-1991）和美国纽约州谬勒海尔（MurrayHill）贝尔电话实验室的布拉坦（WalterBrattain,1902-1987）,以表彰他们对半导体的研究和晶体管效应的发现。应该指出，晶体管效应的发现是科学家长期探索的结晶，更是基础研究引向应用开发的必然成果。半导体的研究可以追溯到19世纪，例如，1833年法拉第曾经观察过某些化合物（例如硫化银）电阻具有负温度系数。这是半导体效应的先声。1874年，布劳恩（F.Braun）注意到金属和硫化物接触时有整流特性，而1876年亚当斯（W.G.Adams）等人发现光生电动势。1883年，弗利兹（C.E.Fritts）制成第一个实用的硒整流器。无线电报出现后，矿石作为检波器被广泛应用，主要成分是硫化铜，后来用上了硅和锗。氧化铜整流器和硒光电池的商品化，要求科学家深入研究有关现象的实质和原理。1926年，索末菲用费米-狄拉克统计解释了金属中电子的行为。他的学生布洛赫（F.Bloch）研究晶体点阵对电子运动的影响，提出在周期性势场中电子占据的能级可能形成能带。1931年A.H.威耳逊（A.H.Wilson）进一步对固体提出量子力学模型，用能带理论解释导体、绝缘体和半导体的行为特征，其中包括半导体电阻的负温度系数和光电导现象。后来，他又提出杂质能级概念，对掺杂半导体的导电机理作出了说明。能带理论的提出是固体物理学的一大飞跃，但它还不能解释半导体的整流特性和光生电动势等表面现象。1939年莫特（N.F.Mott）和肖特基（W.Schottky）各自独立地提出可以解释阻挡层整流的扩散理论。后来，赛兹（F.Seitz）和巴丁继续用能带理论研究电子和点阵的相互作用，逐渐形成半导体物理学。与此同时，由于低温技术和真空技术的发展，半导体各种性质的实验研究得到加强。区域熔炼，掺杂控制等工艺的出现使得半导体器件的制备成为可能。1957年诺贝尔物理学奖——宇称守恒定律的破坏获奖者简介：1957年诺贝尔物理学奖授予美国新泽西州普林斯顿高等研究所来自中国的杨振宁（1922-）和美国纽约哥伦比亚大学来自中国的李政道（1926-），以表彰他们对所谓宇称定律的透彻研究，这些研究导致了与基本粒子有关的一些发现。宇称是描写粒子在空间反演下变换性质的物理量，有正负之分，若在空间反演下波函数不变，则粒子具有正宇称；若改变符号，则为负宇称。粒子系统的宇称等于各粒子宇称的乘积，还要乘上轨道运动的宇称。如果粒子或粒子系统在相互作用前后宇称不改变，就叫做宇称守恒，它反映了物理规律在空间反演下的对称性。宏观物理规律在空间反演下具有不变性，早已为人们所熟知。例如牛顿定律和电磁原理都具有这种性质。图57－1就是一幅描述宇称守恒的示意图。在微观领域内空间反演下的不变性，由于量子理论的发展，早就得到人们的注意。1924年拉坡特（O.Laporte）在研究铁原子辐射的光谱后，认为可以把铁的状态分为两类，他取名为受折（gestrichene）和不受折gestrichene），即现在所谓的偶能级和奇能级。他发现只有当原子从一类能级跃迁到另一类能级时才发生辐射。他当时没有给出说明。在物理文献中，这项选择定则又叫拉坡特定则。1927年，维格纳（E.Wigner）对拉坡特定则作出了说明。他应用了宇称概念，将拉坡特的两种类型的能级归结为一种是正宇称，一种是负宇称。辐射的光子本身具有负宇称，为了使辐射前、后整个系统的宇称保持守恒，原子的宇称必须改变。也就是说，从宇称守恒原理出发，原子在同一宇称的状态间跃迁是禁戒的。后来，这一原理迅速推广到其它许多新的领域，例如核反应、β衰变、介子相互作用以及奇异粒子物理，这一原理成为物理学界公认的定律之一。这是1956年以前的情况。不过，物理学界面临一个难解的问题：θ-τ之谜。1953年—1954年，戴利兹（R.Dalitz）和法布里（E.Fabri）分别指出，从θ介子和τ介子衰变过程：θ→π++π0τ→π++π++π0可以分别获得这两种介子的自旋和宇称的信息。初步看来，这两种介子的宇称是一正一负。为了进一步确证，许多实验室测量研究了π介子的动量分布和角分布。到了1956年春，积累的实验数据肯定θ和τ确是具有不同的宇称，因此不可能是同一种粒子。然而，这两种粒子却具有相同的质量和寿命，应该属于同一种粒子。这就形成一个明显的矛盾，此为θ-τ之谜。开始，物理学家，包括李政道和杨振宁，都试图在常规理论的框架内处理这一疑案。1955年，李政道和奥利尔（J.Orear）猜测是不是较重的介子先衰变为较轻的。1956年4月3日—6日在罗彻斯特（Rochester）召开的第6届罗彻斯特会议上，阿尔瓦雷斯（L.W.Alvarez）报告说，没有观察到李政道-奥利尔所预言的γ射线脉冲。于是李政道和杨振宁提出了另一种解释θ和τ介子质量相等的建议。他们设想每一种奇异粒子都是宇称的双子，形成另一对称性。他们称之为宇称共轭（parityconjugation）。于是各种奇异粒子，例如、等等均应有相反的宇称。然而不久有实验说明粒子没有这类现象。物理学家开展了广泛而热烈的讨论。众说纷纭，莫衷一是。但也有人敞怀遐想。就在李、杨提出宇称双子的建议时，费因曼（R.Feynman）发言说，他和同室的布洛克（M.Block）讨论过好几夜，布洛克提出了一个问题，会不会θ、τ是同一类粒子而又具有不同的宇称态。杨振宁回答，他和李政道考虑过这个看法，但还没有作出定论。那位首先提出宇称守恒原理的维格勒教授也表示或许一种粒子有两种宇称。如果不是主席奥本海默（J.R.Oppenheimer）宣布休会，讨论还会继续进行下去。李政道和杨振宁受到著名物理学家如此热情的鼓励，感到有必要对宇称守恒定律的实验基础作一番详细的调研。他们认真分析了已有的实验资料，发现在基本粒子弱相互作用的领域内，没有一个例子证明宇称是守恒的。于是他们大胆设想，在弱相互作用的领域内，宇称可以不守恒，他们还研究了几个有关的现象，提出利用这些现象可以进行实验，对他们的假说进行验证。这些现象就是：β衰变、介子衰变和超子衰变。1958年诺贝尔物理学奖──切连科夫效应的发现和解释获奖者简介：1958年诺贝尔物理学奖授予苏联莫斯科苏联科学院物理研究所的切连科夫(PavelA.Cherenkow,1904-1990),夫兰克（IljaM.Frank,1908-1990）和塔姆（IgorY.Tamm,1885-1971）以表彰他们发现和解释了切连科夫效应切连科夫效应指的是带电粒子在透明介质中以极高的速度穿过时，会发出一种特殊的光的效应，这是1934年由切连科夫发现的。1934年切连科夫在苏联的《苏联科学院院报》上发表论文，宣布当把镭源发出的辐射穿透某些高折射率的介质，包括液体和固体，并被介质吸收时，从介质里就会发出一种特殊的辐射，是淡蓝色的微弱可见光。人们就把这种特殊的辐射称为切连科夫辐射。这种辐射应该在以前几十年中间早已被医生和X射线专家观察到过，因为用X射线和γ射线照射荧光物质，会发出强烈的荧光，在一定的条件下就应该会伴随有切连科夫辐射。但是，从来没有人注意到这件事。大家都把由此出现的发光现象都归于荧光或磷光。切连科夫具有敏锐的观察力，他注意到了多年来普遍未曾注意的现象。他不相信这种光学现象真是荧光现象。从他第一次实验起他就坚信自己的怀疑是正确的。例如，他发现这一辐射与液体的成分基本无关，这与荧光的特性不符。在用多次蒸馏过的水做实验之后，他又排除了是水中杂质引起荧光的可能性。切连科夫对这种新的未知的辐射继续进行系统的研究。他又发现这种辐射沿入射镭辐射的方向是偏振的，正是镭辐射产生了二次电子，才会引起可见辐射。他把镭辐射挡住，只让电子穿过液体，证明正是电子引起了这种新型辐射。这样一来，切连科夫既排除了荧光辐射的可能性，也排除了镭辐射的直接作用，证实是高速带电粒子在介质中的一种相互作用。夫兰克1908年10月23日出生于彼德堡。他是数学教授的儿子，1930年毕业于莫斯科大学，在那里，他得到了瓦维洛夫的教导，1931年在列宁格勒光学研究所工作，1934年以后在苏联科学院物理研究所工作，1941年起任研究室主任。夫兰克主要从事物理光学、低能电子物理和核物理方面的研究，1937年和塔姆合作，用经典电动力学对切连科夫辐射作出解释，因而和瓦维洛夫、切连科夫和塔姆一起获苏联国家奖。后来他又对这种辐射做了许多深入的研究，考虑到介质的折射性质和色散的多普勒效应，1942年建立了所谓复合多普勒效应的理论，1947年与金斯伯合作，建立超光速条件下的反常多普勒效应理论，并预言了穿越辐射的产生。塔姆1895年7月8日出生于西伯利亚的海参崴，1918年毕业于莫斯科大学，1924年—1941年以及1954年起，在莫斯科大学任教。1934年起又在苏联科学院物理研究所工作。1933年被选为苏联科学院通讯院士，1953年被选为院士。塔姆的基本研究工作是关于量子力学及其应用、辐射理论、宇宙线、核子相互作用等。从1930年起，先后建立了固体中光散射的量子理论和光被电子散射的理论，金属中的光电效应理论。在理论上证明了在晶体表面存在着电子特征状态的可能性（后被称为塔姆能级），根据这一论证，在晶体中不同的表面效应就可以得到解释。1934年的实验中发现切连科夫效应后，他与夫兰克一起于1937年提出解释这一效应的辐射理论并因此项研究成果获得1958年的诺贝尔物理学奖只是他的理论工作中的一部分。1945年塔姆提出处理核子相互作用的近似方法。从1950年起与萨哈罗夫一起研究受控热核聚变。1959年诺贝尔物理学奖──反质子的发现获奖者简介：1959年诺贝尔物理学奖授予美国加利福尼亚州伯克利加州大学的西格雷（EmilioGinoSegrè，1905—1989）和张伯伦（OwenChamberlain，1920—），以表彰他们发现了反质子。1955年西格雷和张伯伦发现反质子标志着人类对反世界的认识又上了一个新的台阶，这是狄拉克理论的一个胜利，也是人工加速带电粒子的努力所取得的又一项重大成果。自1951年能够产生介子的同步稳相加速器开始在芝加哥运转以后，那里的科学家就集中力量寻找各种基本粒子存在的证据。费米发现正π介子与质子的碰撞截面显出非常高的极大值。在这以后，人们在这一能区陆续发现了数百种新粒子。这时在伯克利辐射实验室，以劳伦斯为首的核物理学家们正在努力建造一种能量更高，规模更大的加速器——质子同步稳相加速器。他们的目标指向新的核子。电子的反粒子早已于1932年被发现，这就是正电子。根据狄拉克理论，人们一直在期望能发现反质子和反中子。只要简单地把狄拉克理论应用到质子，就可以预见到反质子的特性，其质量和质子相等，电量和磁矩则相等而反号，但是，斯特恩却发现质子的磁矩和狄拉克理论的推算竟完全不同，这清楚地表明了，不能作简单的类比。从宇宙射线的观察虽然对此能有所启示，例如1947年海瓦德（E.Hayward）就曾报道过观察到类似的事例，却不能作出明确的结论。1955年伯克利的质子同步稳相加速器的能量达到了6Gev（京电子伏），相当于在质量中心可达2GeV。这是要产生质子-反质子对所需的最小能量。人们正是按这要求设计这台大型加速器的。张伯伦-西格雷小组用这台设备把质子加速到6.2GeV，打到铜靶上，如果一切正常，应该能从出射束中检测到反质子。但是出射束是质子、中子和各种介子的混杂物。要从这堆亚原子的混杂物中检测出反质子却不是一件容易的事。它带负电，用磁场就可以从其在磁场中的偏转检验出来。但要确定其质量，却必须对它同时测量两个独立的量：动量和能量（或速度和射程）。这一测量是用磁装置和在10m多远处安装的切连科夫计数器进行的。从照相乳胶所得的爆炸性核蜕变“星形”径迹记录，可以判断是反质子轰击原子核的事件，从而证明了反质子的存在。1960年诺贝尔物理学奖──泡室的发明获奖者简介：1960年诺贝尔物理学奖授予美国加利福尼亚州伯克利加州大学的格拉塞（DonaldA.Glaser，1926—），以表彰他发明了泡室。泡室是探测高能带电粒子径迹的又一种有效的手段，它曾在50年代以后一度成了高能物理实验的最风行的探测设备，为高能物理学创造了许多重大发现的机会。泡室是由一密闭容器组成，容器中盛有工作液体，液体在特定的温度和压力下进行绝热膨胀，由于在一定的时间间隔内（例如50ms）处于过热状态，液体不会马上沸腾，这时如果有高速带电粒子通过液体，在带电粒子所经轨迹上不断与液体原子发生碰撞而产生低能电子，因而形成离子对，这些离子在复合时会引起局部发热，从而以这些离子为核心形成胚胎气泡，经过很短的时间后，胚胎气泡逐渐长大，就沿粒子所经路径留下痕迹。如果这时对其进行拍照，就可以把一连串的气泡拍摄下来，从而得到记录有高能带电粒子轨迹的底片。照相结束后，在液体沸腾之前，立即压缩工作液体，气泡随之消失，整个系统就很快回到初始状态，准备作下一次探测。泡室的原理和膨胀云室有些类似，可以看成是膨胀云室的逆过程，但却更为简便快捷。它兼有云室和乳胶的优点。它和云室都可以按人们的意志在特定的时间间隔里靠特定的方法，以带电粒子为核心使气体凝结为液体，或者使液体蒸发形成气泡，从而留下粒子的径迹。它和乳胶相同的地方在于工作物质本身即可当作靶子。泡室的优点更多，它的空间和时间分辨率高，工作循环周期短，本底干净、径迹清晰，可反复操作。但也有不足之处，那就是扫描和测量时间还嫌太长，体积有限，而且甚为昂贵，不适应现代粒子能量越来越高、作用截面越来越小的要求。用泡室发现了Σ0，Ξ0，Σ+，Ω-等粒子以及几百种共振粒子。它还可用于探测各种类型粒子的衰变。1961年诺贝尔物理学奖──核子结构和穆斯堡尔效应获奖者简介：1960年诺贝尔物理学奖授予美国加利福尼亚州斯坦福大学的霍夫斯塔特(RobertHofstadter,1915-1990),以表彰他在电子受原子核散射的先驱性研究及由此获得的核子结构的发现;另一半授予德国慕尼黑技术学院和美国加利福尼亚州帕萨迪那州理工学院教授穆斯堡尔(RudolfLudwigMöbauer,1929-)霍夫斯塔特是斯坦福大学两英里（3km）长直线加速器中心（SLAC）的主要负责人。他和他的合作者利用这台设备发现质子和中子（通称核子）是内部相当复杂的物体，而不是过去假设的那种类点性的或“基本”的粒子。他们测量了这两个粒子的电荷和磁矩的大小和分布。或者说，他测出了这两个核子的四个电磁形状因子。每个核子各有电的和磁的形状因子，所以共有四个形状因子。形状因子是核物理学中的一个技术术语，用以描述粒子与其它粒子以及场是如何相互作用的。因此，形状因子要比普通的大小和形状更具普遍意义。霍夫斯塔特不但发现核子的形状因子确实存在，而且了解到这些因子是如何起作用的，他的成果导致了理论物理学家，特别是南部阳一郎（Y.Nambu）提出新型重介子的存在。后来（1961年），这些重介子陆续发现，它们是ρ介子、ω介子、ψ介子等等。这些介子在核子间的力和相互作用上起着重要作用。穆斯堡尔效应指的是γ射线的无反冲发射和共振吸收效应，这是核物理学中的一种特殊现象。共振吸收的概念由来已久，瑞利在19世纪末就预计到原子体系中有可能产生共振现象。1904年伍德（R.W.Wood）用钠光源实现了原子的共振荧光。他把钠焰发出的D黄线照射装有钠蒸气的透明容器，被容器挡住的屏幕虽然出现阴影，但在容器周围却显示了同一频率的荧光。穆斯堡尔最初的工作是测量铱191的129keVγ辐射的寿命，他所采用的实验方案与马姆福斯等人不同的地方在于：他不是测共振散射，而是测共振吸收强度。测共振散射，必须考虑弹性散射和康普顿散射引起的本底，实验变得十分困难。如果在吸收中测量核共振效应，就可以避免上述困难。然而由于这一效应，特别是对软γ辐射的情况，比起原子壳层的吸收效应小得多，所以要由吸收实验测核能级寿命，对测量仪器精确度和稳定度的要求特别高。穆斯堡尔认为，马姆福斯最先用到的方法看来特别适合这项测量。在这个方法中，用升高温度的办法使发射谱线和吸收谱线增宽，从而增加两谱线互相重叠的程度。如果因为反冲能量损失所导致的发射谱线和吸收谱线的相对位移，只不过是与线宽同数量级，温度升高就可以获得可测量的核吸收效应。对于191Ir的129keV跃迁，由于光子能量较小，谱线位移不大，即使在室温下两谱之间也有相当显著的重叠。这样，不但温度增加，即使温度减小，也有可能在核吸收中得到可观测的变化。他在这两种可能性中选择了降低温度的方案。这主要是考虑在低温下比在高温下更容易得到化学束缚效应。在实验过程中这一假设以意想不到的方式得到证明。把放射源和吸收体同时用液空冷却得到了令人费解的结果。他起初以为是吸收体冷却造成的某种效应。为了消除这些不需要的副效应，他把吸收体留在室温下，仅仅令放射源冷却。经过十分冗长的实验（实验要求仪器极端稳定），得到的结果和预期的一致：比室温时吸收得略微少些，这些测量结果的计算最后得出了待测的寿命值。第二轮实验中，穆斯堡尔试图解释早先实验中同时冷却放射源和吸收体时出现的那些副效应。这一尝试的结果令人震惊：当吸收体冷却时，吸收不是按预期减小，而是猛烈增大。这一结果跟理论预计完全相反。穆斯堡尔先后用铱（Ir）和铂（Pt）作为吸收体，分别测其透射射源的温度从88K升温到370K。实验结果表明，随着温度的升高，透射强度剧增，也就是说，共振吸收剧减。面对这意想不到的结果，穆斯堡尔冷静地作出了理论分析。他注意到兰姆（W.E.Lamb）关于晶体中原子对中子的俘获过程的论文。这篇论文发表在1939年的《物理评论》，讨论慢中子受晶体的弹性散射。兰姆假设在核能级跃迁时晶体的晶体状态不发生任何变化。这一前提给穆斯堡尔很大启发，使他认识到降温后截面增大（即透射强度比减小）的原因可能就是由于原子核与晶体间的束缚增强的缘故。兰姆研究的对象虽然不同，但处理方法完全可以借鉴。穆斯堡尔借助于这一现成的结论模式，把它移植到γ辐射的共振吸收问题上，很快就作出了理论计算。按照这一思想很容易推想到，如果原子核完全被晶体束缚住，就可以得到更大的共振吸收截面，穆斯堡尔领悟到，这正是无反冲γ共振。他这样解释无反冲γ共振：束缚在晶体内的原子核在发射或吸收一个量子时，一般会使吸收反冲动量的晶格振动态发生变化。由于内能的量子化，晶体只能以分立的数量吸收反冲能量。随着温度的降低，内部能态被激发的几率越来越小。所以对于一部分量子跃迁的软γ射线来说，晶体将作为一个整体来吸收反冲动量。由于晶体具有很大质量，在这种情况下发射或吸收的能量实际上不受损失，因而能够理想地满足共振条件。1962年诺贝尔物理学奖──凝聚态理论获奖者简介：1962年诺贝尔物理学奖授予苏联莫斯科苏联科学院的朗道（LevD.Landau，1908—1968），以表彰他作出了凝聚态特别是液氦的先驱性理论。朗道是犹太血统的苏联物理学家，在他短暂的一生里，对理论物理学的许多方面，同时也为苏联的科学、国防和教育作出了重大贡献。他在国际物理学界享有很高的声望。1962年授予他诺贝尔物理学奖，提到的凝聚态和液氦的理论工作，只是他工作的一小部分。朗道1908年1月22日出生于巴库的一个知识分子家庭里。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。朗道从小聪明过人，被誉为“神童”，四岁就能阅读书籍，小学期间热爱数学，老师所教的内容不能满足他的求知欲，就开始自学。十二、三岁时就已经学会微积分。在数学的引导下他很早就进入了理论物理学领域。但他自幼体弱多病，反应迟钝，致使他晚年在车祸中遭遇不幸。朗道13岁就中学毕业，在巴库大学学习了数学、物理学和化学，1924年16岁时转到列宁格勒大学物理系，在那里受教于著名物理学家约飞、福克、夫伦克耳，从他们那里接触到了当时的物理学前沿，了解到当时尚处于形成阶段的量子理论。1927年朗道19岁大学毕业，在列宁格勒物理技术研究所当研究生。就在大学期间，1927年朗道发表了第一篇学术论文，处理了双原子分子的光谱问题。同一年，他在用波动力学来处理韧致辐射的论文中，首次使用了被称为密度矩阵的概念，这一概念在后来的量子力学和量子统计物理学中起到了重要的作用。1929年—1931年，朗道到欧洲进修，先后访问了德国、瑞士、荷兰、英国、比利时和丹麦，会见了众多的量子物理学家，他也开始引起了国际学术界的注意。特别是在丹麦，玻尔和哥本哈根精神给朗道留下了难忘的印象，对他后来的发展起着重要的作用。在这段时间里，朗道论证了简并电子气体的抗磁性。与此同时，朗道还和佩尔斯合作提出了量子理论中电磁场量的可观测性。1932年，他转到乌克兰首府的哈尔科夫，当了乌克兰科学院物理技术研究所的理论物理部的主任。1934年，他免于答辩获得了列宁格勒大学的数理博士学位；1937年，朗道应莫斯科物理问题研究所所长卡皮查之邀，到该所主持理论物理方面的工作。但是。这时苏联大规模展开了对知识分子的残酷迫害。1938年冬，朗道突然被捕，以所谓“德国间谍”的罪名被判处10年徒刑。由于玻尔等人的大力声援和卡皮查的尽力营救，一年后获释。在哈尔科夫期间，朗道考虑了固体物理学中的许多问题，研究了原子碰撞理论、原子物理学、天体物理学、热力学普遍问题、量子电动力学、气体分子运动论和化学反应理论。其中最突出的是库仑相互作用下的运动论方程，铁磁性磁畴结构和铁磁共振理论，反铁磁性理论，原子核的统计理论，以及二级相变理论。二级相变理论不仅说明了许多当时认为很奇特的现象，而且为以后各种新型相变的研究开辟了道路。朗道1937年转到莫斯科，参加卡皮查的超流研究。1940年—1941年间，朗道用数学方法成功地解释了4He在温度低于2K时完全失去粘滞性并具有很大的热导率的原因。他预言在超流性的氦中，声音将以两种不同的速度传播；也就是说声波有两种类型，一种是通常的压力波；另一种是温度波即所谓的“次声”。这一预见1944年得到了实验证实。朗道曾称自己为“最后一个全能物理学家”，这实在并不过分。也许更确切的名称是“全能理论物理学家”。特别是，朗道在物质凝聚态的研究方面进行的基本工作，奠定了凝聚态物理学的基础，而超流理论则更是朗道的杰出创造。1958年，苏联原子能研究所为了庆贺朗道的50寿辰，曾经送给他一块大理石板，板上刻了朗道平生工作中的10项最重要的科学成果，这十项成果是：1）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年—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年—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）。朗道的确是一位伟大的理论物理学家。遗憾正当他步入科学的丰产期时，一场意外的车祸剥夺了他的工作能力。1962年1月7日晨，朗道去杜布纳联合原子核研究所，在途中他乘的车和载重汽车相撞，别人都安然无恙，唯有朗道因反应迟缓而多处受伤。经过抢救，生命保住了，却留下了严重的后遗症，丧失了思维能力，并再也没有恢复工作能力。他的生命勉强延续了六年，于1968年4月3日，在莫斯科逝世，享年60岁。1963年诺贝尔物理学奖──原子核理论和对称性原理获奖者简介：1963年诺贝尔物理学奖授予美国物理学家维格纳（EugenePaulWigner，1902—1995）以表彰他对原子核和基本粒子理论，特别是通过基本对称原理的发现和应用所作的贡献；另一半授予美国物理学家玛丽·戈佩特-迈耶夫人（MariaGpeppert-Mayer，1906—1972）和德国物理学家延森（J.Hans.D.Jensen，1907—1973），以表彰他们在发现核壳层结构方面所作的贡献。玛丽·戈佩特-迈耶和延森是在1949年提出核壳层模型理论的，这个模型理论很好地解释了原子核物理中的幻数问题，而维格纳则是在20世纪上半叶，为原子核和基本粒子的基础理论作出了一系列重大贡献。早在1924年索末菲的学生拉坡特（O.Laporte）发现铁原子具有两类不同的能级，并提出所谓的拉坡特跃迁选择定则，当时量子力学尚未形成，无从解释这一定则。年轻的维格纳率先在1927年找到了正确的解答。他把原子能级分为正常项和反射项，认为这两类能级是由于描述原子的波函数在空间反射中具有不变性引起的。1928年2月他又回到这个问题，写了一篇文章，题为：“量子力学中的守恒定律”。这个定律用于分析原子光谱，取得了很大成功，后来广泛运用于原子核物理、介子物理和粒子物理的研究中，甚至一度被尊为微观世界的基本规律，称为“宇称守恒原理”，直到1956年李政道、杨振宁提出弱相互作用过程中宇称不守恒，这一原理的局限性才被揭示。迈耶夫人原名玛丽亚·戈佩特。她于1906年6月28日出生于德国卡托维兹的教授世家，前六代都是德国大学教授。她在格丁根学习物理、数学和化学，1930年在格丁根大学获博士学位。同年与美国物理学家约瑟夫·迈耶（J.Mayer）结婚，随即于1931年与丈夫一起赴美，在约翰斯·霍普金斯大学工作，1939年转哥伦比亚大学，从事铀同位素分离工作。1945年到芝加哥大学新成立的核研究所。1960年任拉约里（LaJolly）加州大学物理学教授。1972年2月20日迈耶夫人在圣地亚哥逝世，她是继居里夫人之后的第二位获得诺贝尔物理学奖的女物理学家。延森1907年6月25日出生于德国的汉堡，其父亲是一位园艺工人。延森之所以能进入学术生涯，是他老师帮助的结果，这位老师很早就看出了他的才能，为他在奥伯纳理科中学（Oberrealschule）取得了奖学金。1926年他从这所学校毕业，然后进入弗赖堡大学就读。1932年在汉堡大学获得了博士学位，并留在该校工作，直至1941年。1949年成为汉堡大学教授。延森和迈耶夫人是独立提出壳层模型理论的，1955年他们合作1964年诺贝尔物理学奖──微波激射器和激光器的发明获奖者简介：1964年诺贝尔物理学奖一半授予美国马萨诸塞州坎布里奇的麻省理工学院的汤斯（CharlesH.Townes，1915—），另一半授予苏联莫斯科苏联科学院列别捷夫物理研究所的巴索夫（NikolayG.Basov，1922—）和普罗霍罗夫（AleksandrM.Prokhorov，1916—），以表彰他们从事量子电子学方面的基础工作，这些工作导致了基于微波激射器和激光原理制成的振荡器和放大器。激光器的发明是20世纪科学技术有划时代意义的一项成就。从60年代一开始，激光理论、激光器件、激光应用各方面的研究广泛开展，各种激光器如雨后春笋一般涌现。几十年来，激光科学成果累累，已成为影响人类社会文明的又一重要因素。量子电子学是无线电电子学和光学的结合点，更与量子物理学和原子物理学的发展密切相关。普朗克的能量子假说和爱因斯坦的光量子理论为量子电子学的发展奠定了基础。特别是爱因斯坦1916年对辐射理论的分析，为激光提供了理论基础。而20世纪40年代雷达的发展促进了微波技术应用于微波与分子的相互作用的研究。汤斯正是期望从这一研究中取得分子、原子和核结构的各种信息，探索出一条通过原子和分子谐振在极短波段实现相干振荡器和放大器的途径。汤斯小组历经两年的试验，终于在1953年制成了第一台微波激射器，取名为“微波激射放大器”（MicrowaveAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation），简称MASER（微波激射器）。与此同时，还有几个科学集体在尝试实现微波的放大。其中在苏联有莫斯科的列别捷夫物理研究所普洛霍洛夫和巴索夫的小组，他们一直在研究分子转动和振动光谱，探索利用微波波谱方法建立频率和时间的标准。他们认定，只要人为地改变能级的集居数就可以大大增加波谱仪的灵敏度，并且预言，利用受激辐射有可能实现这一目标。他们也用非均匀电场使不同能态的分子分离，不过他们的装置比汤斯小组的晚了几个月才运转。1965年诺贝尔物理学奖──量子电动力学的发展获奖者简介：1965年诺贝尔物理学奖授予日本东京教育大学的朝永振一郎（Sin-ItiroTomonaga，1906—1979），美国马萨诸塞州坎布里奇哈佛大学的施温格（JulianS.Schwinger，1918—1994）和美国加利福尼亚州帕萨迪那加州理工学院的费因曼（RichardPhillipsFeynman，1918—1988），以表彰他们在量子电动力学所作的基础工作，这些工作对基本粒子物理学具有深远的影响。量子电动力学是量子场论中最成熟的一个分支，它研究的对象是电磁相互作用的量子性质（即光子的发射和吸收）、带电粒子的产生和湮没、带电粒子间的散射、带电粒子与光子间的散射等等。它概括了原子物理、分子物理、固体物理、核物理和粒子物理各个领域中的电磁相互作用的基本原理。可以说，它集中了所有微观电磁现象所必须遵循的普遍规律，是人类分析和解决微观电磁问题的有力武器。量子电动力学是从量子力学发展而来。量子力学可以用微扰方法来处理光的吸收和受激发射，但却不能处理光的自发射。电磁场的量子化会遇到所谓的真空涨落问题。在用微扰方法计算高一级近似时，往往会出现发散困难，即计算结果变成无穷大，因而失去了确定意义。费因曼、施温格和朝永振一郎的贡献就是用不同方法独立地异途同归地解决了这一困难，从而建立了量子电动力学的新理论体系。他们从不同的渠道运用“重正化”概念把发散量确切地归入电荷与质量的重新定义中，从而使高阶近似的理论结果不再会遇到发散。“重正化”的意思就是用一定的步骤把微扰论积分中出现的发散分离出去，吸收到相互作用耦合常数及粒子的质量中，并通过重新定义相互作用耦合常数和粒子的质量，来获得不发散的矩阵元，使计算结果可与实验对比。有了重正化方法，量子电动力学获得了巨大成功，由此计算出来的电子反常磁矩和兰姆位移与实验结果相符达十几位量级。可见，量子电动力学是何等精确的理论。这一切既要归功于众多对现代物理学作过贡献的物理学家，更要归功于1965年这三位诺贝尔物理学奖获得者。1966年诺贝尔物理学奖──光磁共振方法获奖者简介：1966年诺贝尔物理学奖授予法国巴黎大学，高等师范学校的卡斯特勒（AlfredKastler，1902—1984），以表彰他发现和发展了研究原子中赫兹共振的光学方法。二十世纪上半叶，光谱学的研究提供了大量有关原子分子结构的实验数据。由于雷达技术的发展，在四十年代末兴起了射频和微波波谱学。这些频段的电磁波，其频率要比可见光小上千倍，所产生的光子能量比光频光子的能量小得多，因此可以直接测量到原子的精细能级和超精细塞曼子能级之间的共振跃迁。人们把这个频段的电磁波称为赫兹波，把微波或射频共振称为赫兹共振。光磁共振实际上是使原子、分子的光学频率的共振与射频或微波频率的磁共振同时发生的一种双共振现象。这种方法是卡斯特勒在巴黎提出并实现的。由于这种方法最早实现了粒子数反转，成了发明激光器的先导，所以卡斯特勒被人们誉为“激光之父”。1967年诺贝尔物理学奖──恒星能量的生成获奖者简介：1967年诺贝尔物理学奖授予美国纽约州康奈尔大学的贝特（HansA.Bethe，1906—），以表彰他对核反应理论所作的贡献，特别是涉及恒星能量生成的发现。贝特是20世纪又一位天才的理论物理