现代物理学导论

1、请说明激光的原理和特点。激光的原理光与物质的相互作用，实质上是组成物质的微观粒子吸收或辐射光子，同时改变自身运动状况的表现。微观粒子都具有特定的一套能级（通常这些能级是分立的）。任一时刻粒子只能处在与某一能级相对应的状态（或者简单地表述为处在某一个能级上）。与光子相互作用时，粒子从一个能级跃迁到另一个能级，并相应地吸收或辐射光子。光子的能量值为此两能级的能量差△E，频率为ν=△E/h（h为普朗克常量）。1917年爱因斯坦从理论上指出：除自发辐射外，处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。他指出当频率为ν=（E2-E1）/h的光子入射时，也会引发粒子以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子，这个过程称为受激辐射。如果大量原子处在高能级E2上，当有一个频率ν=（E2-E1）/h的光子入射，从而激励E2上的原子产生受激辐射，得到两个特征完全相同的光子，这两个光子再激励E2能级上原子，又使其产生受激辐射，可得到四个特征相同的光子，这意味着原来的光信号被放大了。这种在受激辐射过程中产生并被放大的光就是激光。激光的特点（一）定向发光普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜，使辐射光汇集起来向一个方向射出。激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，按照其光斑直径将覆盖整个月球。（二）亮度极高在激光发明前，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高，与太阳的亮度不相上下，而红宝石激光器的激光亮度，能超过氙灯的几百亿倍。因为激光的亮度极高，所以能够照亮远距离的物体。红宝石激光器发射的光束在月球上产生的照度约为0.02勒克斯（光照度的单位），颜色鲜红，激光光斑明显可见。若用功率最强的探照灯照射月球，产生的照度只有约一万亿分之一勒克斯，人眼根本无法察觉。激光亮度极高的主要原因是定向发光。大量光子集中在一个极小的空间范围内射出，能量密度自然极高。（三）颜色极纯光的颜色由光的波长（或频率）决定。一定的波长对应一定的颜色。太阳光的波长分布范围约在0.76微米至0.4微米之间，对应的颜色从红色到紫色共7种颜色，所以太阳光谈不上单色性。发射单种颜色光的光源称为单色光源，它发射的光波波长单一。比如氪灯、氦灯、氖灯、氢灯等都是单色光源，只发射某一种颜色的光。单色光源的光波波长虽然单一，但仍有一定的分布范围。如氪灯只发射红光，单色性很好，被誉为单色性之冠，波长分布的范围仍有0.00001纳米，因此氪灯发出的红光，若仔细辨认仍包含有几十种红色。由此可见，光辐射的波长分布区间越窄，单色性越好。激光器输出的光，波长分布范围非常窄，因此颜色极纯。以输出红光的氦氖激光器为例，其光的波长分布范围可以窄到2×10-9纳米，是氪灯发射的红光波长分布范围的万分之二。由此可见，激光器的单色性远远超过任何一种单色光源。此外，激光还有其它特点：相干性好。激光的频率、振动方向、相位高度一致，使激光光波在空间重叠时，重叠区的光强分布会出现稳定的强弱相间现象。这种现象叫做光的干涉，所以激光是相干光。而普通光源发出的光，其频率、振动方向、相位不一致，称为非相干光。闪光时间可以极短。由于技术上的原因，普通光源的闪光时间不可能很短，照相用的闪光灯，闪光时间是千分之一秒左右。脉冲激光的闪光时间很短，可达到6飞秒（1飞秒=10-15秒）。闪光时间极短的光源在生产、科研和军事方面都有重要的用途。2、你的研究方向和激光（光学）有什么联系，或是会有什么潜在应用？我的研究方向是测控技术与仪器，研究的主要课题是关于破片的速度衰减规律的实验研究。面杀伤和防空等种类的战斗部大多都采用破片式战斗部，它们利用破片来毁伤目标，破片能不能有效地杀伤目标与其打击同一目标时的形状、质量和速度有很大的关系。因此研究破片的速度衰减规律很有必要。实验设置若干个等距离的光幕靶，破片在飞行过程中经过各个光幕靶时光电传感器感受不到光信号，因此基于PXI总线的数据采集系统上采集到一个低脉冲信号，每两个电脉冲信号之间的间隔时间便是破片飞过两个对应光幕靶的时间。再根据预先确定的靶距就可推算出在这段距离上破片的速度变化。3、请详述诺奖百年历史中，哪个诺奖科学奖项目你印象最深（请详述诺奖内容和对你学科的影响）？2000年美国的基尔比（J.S.Kilby）发明集成电路。集成电路（integratedcircuit）是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。1958年9月12日，德州仪器工程师基尔比发明第一颗积体电路IC。这个装置揭开二十世纪资讯革命的序幕，同时宣告矽器时代来临。在基尔比之前，电晶体取代笨重不稳定的真空管，但随电路系统不断扩张，元件愈来愈大，却遇到新瓶颈。尤其生产一颗电晶体的成本高达十美元，怎麽缩小元件体积，降低成本，变成应用上的大问题。基尔比的新概念，是利用单独一片矽做出完整的电路，如此可把电路缩到极小。集成电路为我们在研究课题过程中提供了很多便利，同时使电路性能提高了很多倍，使电路测试结果误差减小。设想如果没有集成电路，全部是一个一个零散的元器件组成的电路，元器件数量的增多不仅使电路看起来繁冗复杂，更减弱了电路的稳定性和可靠性。同时由于受外界干扰，我们自己搭建的电路性能往往是很弱的。另一方面，电路功能具有单一性，但我们做实验时往往需要实现多种功能，如果每实现一个功能就要搭建一组电路会在很大程度上降低效率。因此集成电路对于我们实验研究有极大的帮助。4、请介绍你所在的学科中受到现代物理的影响的内容（至少三项）。（1）集成电路的发明，打破了电路与原件分离的传统做法，使电子设备朝微型化方向扩展，经过大规模集成电路阶段后，超大规模集成电路又在迅猛发展，而计算机就是由这些物理元件组成的通用信息处理工具，为我们实验研究提供了便利。（2）爱因斯坦从玻尔的原子结构理论出发,给出了自发辐射和受激辐射的概念,用统计的方法导出了普朗克的辐射定律。爱因斯坦的这一成就导致激光技术的发展，以激光器发明为诞生标志的光电子技术使信息技术上了一个新台阶。光电传感器正是运用了这一点，将光信号转化为电信号，再进行后续实验处理。（3）单片机以及labview、MATLAB等本学科常用软件正是运用了集成电路。5、请介绍你所在的学科在普通生活中的体现（至少三项）。现代化的生活中充满了测控技术与仪器，大到飞机汽车，小到电脑钟表，全是测控系统。（1）空调：传感器感应现在的室内温度，并发送信号控制其制冷，循环检测，知道温度达到设定值为止。（2）汽车：运用单片机技术，用微型电脑控制汽车。（3）冰箱：传感器感应冰箱内温度，控制其保持在适宜冷冻和冷藏温度下。1、请列出麦克斯韦方程，并解释说明每个公式的含义。（1）静电场的高斯定律：在没有自由电荷的空间，由变化磁场激发的涡旋电场的电场线是一系列的闭合曲线。通过场中任何封闭曲面的电位移通量等于零。（2）稳恒磁场的高斯定律：通过任意闭合表面的磁通量等于零。-（3）静电场的环路定理：在静电场中，场强沿任意闭合路径的线积分等于0；与静电场力作功和路径无关是一致的，这种力场也叫保守力场或势场.（4）磁场的安培环路定理：在稳恒磁场中，磁感强度H沿任何闭合路径的线积分，等于这闭合路径所包围的各个电流之代数和。2、请简述一下普朗克、玻尔、薛定谔、海森堡在量子力学中的贡献。1900年，普朗克提出辐射量子假说，假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式(能量子)实现的，能量子的大小同辐射频率成正比，比例常数称为普朗克常数，从而得出黑体辐射能量分布公式，成功地解释了黑体辐射现象。1913年，玻尔在卢瑟福有核原子模型的基础上建立起原子的量子理论。按照这个理论，原子中的电子只能在分立的轨道上运动，在轨道上运动时候电子既不吸收能量，也不放出能量。原子具有确定的能量，它所处的这种状态叫“定态”，而且原子只有从一个定态到另一个定态，才能吸收或辐射能量。这个理论虽然有许多成功之处，但对于进一步解释实验现象还有许多困难。玻尔提出互补原理（一个哲学原理），即宏观与微观理论，以及不同领域相似问题之间的对应关系。互补原理指出经典理论是量子理论的极限近似，而且按照互补原理指出的方向，可以由就理论推导出新理论。互补原理试图解释量子理论中一些明显的矛盾，特别是波粒二象性，这在后来量子力学的建立发展过程中得到了充分的验证。1925年，海森堡基于物理理论只处理可观察量的认识，抛弃了不可观察的轨道概念，并从可观察的辐射频率及其强度出发，和玻恩、约尔丹一起建立起矩阵力学，提出了“测不准原理”和S矩阵理论等。他的《量子论的物理学基础》是量子力学领域的一部经典著作。他为原子核物理学做出了重要贡献，为基本粒子理论引入了内部对称量子数。1926年，薛定谔提出了著名的薛定谔方程，为量子力学奠定了坚实的基础，此方程至今仍被认为是绝对的标准。他基于量子性是微观体系波动性的反映这一认识，找到了微观体系的运动方程，从而建立起波动力学，其后不久还证明了波动力学和矩阵力学的数学等价性。3、你对量子物理最感兴趣、最好奇或是最疑惑的方面是什么？请说明。量子力学表明，微观物理实在既不是波也不是粒子，真正的实在是量子态。真实状态分解为隐态和显态，是由于测量所造成的，在这里只有显态才符合经典物理学实在的含义。微观体系的实在性还表现在它的不可分离性上。量子力学把研究对象及其所处的环境看作一个整体，它不允许把世界看成由彼此分离的、独立的部分组成的。关于远隔粒子关联实验的结论，也定量地支持了量子态不可分离.不确定性指经济行为者在事先不能准确地知道自己的某种决策的结果。或者说，只要经济行为者的一种决策的可能结果不止一种，就会产生不确定性。不确定性也指量子力学中量子运动的不确定性。由于观测对某些量的干扰,使得与它关联的量(共轭量)不准确。这是不确定性的起源。在量子力学中，不确定性指测量物理量的不确定性，由于在一定条件下，一些力学量只能处在它的本征态上，所表现出来的值是分立的，因此在不同的时间测量，就有可能得到不同的值，就会出现不确定值，也就是说，当你测量它时，可能得到这个值，可能得到那个值，得到的值是不确定的。只有在这个力学量的本征态上测量它，才能得到确切的值。在经典物理学中，可以用质点的位置和动量精确地描述它的运动。同时知道了加速度，甚至可以预言质点接下来任意时刻的位置和动量，从而描绘出轨迹。但在微观物理学中，不确定性告诉我们，如果要更准确地测量质点的位置，那么测得的动量就更不准确。也就是说，不可能同时准确地测得一个粒子的位置和动量，因而也就不能用轨迹来描述粒子的运动。这就是不确定性原理的具体解释。4、请调研并说明量子物理的前沿，并简述（说明一项即可）。量子信息学：用量子力学的理论来解决信息理论与技术中的问题。量子信息学，是量子力学与信息科学相结合的产物，是以量子力学的态叠加原理为基础，研究信息处理的一门新兴前沿科学。量子信息学包括量子密码术、量子通信、量子计算机等几个方面，近年来在理论和实验上都取得了重大的突破。量子计算机是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。量子计算机的概念源于对可逆计算机的研究。研究可逆计算机的目的是为了解决计算机中的能耗问题。20世纪60年代至70年代，人们发现能耗会导致计算机中的芯片发热，极大地影响了芯片的集成度，从而限制了计算机的运行速度。研究发现，能耗来源于计算过