近代物理发展史

1近代物理发展史2经典物理与近代物理第一、立足于牛顿力学的经典物理学和经典自然科学在很在程度上是关于自然事物、自然属性、自然过程和自然界规律性的知识，但它往往没有对这些事物、属性、过程和规律性的机制（道理）从因果性上作出解释；近代自然科学所能做到的或应当做到的，则是依据于对微观过程的了解，解决这些“为什么”的问题。3第二、经典自然科学有它的普遍性和整体性，但就对整个自然事物的反映看，经典理论基本上是关于特殊的、局部的自然领域的知识；近代自然科学则具有更高程度的普遍性和更大范围的全局性4一发展中的物理学51相对论相对论是现代物理学的重要基石。它的建立是20世纪自然科学最伟大的发现之一，对物理学、天文学乃至哲学思想都有深远的影响。相对论是科学技术发展到一定阶段的必然产物，是电磁理论合乎逻辑的继续和发展，是物理学各有关分支又一次综合的结果。相对论经迈克耳逊、莫雷实验、洛伦兹及爱因斯坦等人发展而建立。62量子力学1900年普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难，引入了能量了概念，为量子理论奠定了基石。随后爱因斯坦针对光电效应实验与经典理论的矛盾，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，为量子理论的发展打开了局面。1913年，玻尔在卢瑟福有核模型的基础上运用了量子化概念，对氢光谱作出了满意的解释，使量子论取得了初步的胜利。之后经过玻尔、索末菲海森堡、薛定谔、狄拉克等人开创性的工作，终于在1925年-1928年开成了完整的量子力学理论。73原子核及基本粒子原子核物理学起源于放射性的研究，是19世纪末兴起的崭新课题。在这以前，人类对这年领域毫开所知。从事这项研究的物理学家，他们通过作新创制的简陋仪器进行各种实验和观察，从中收集数据，总结经验，寻找规律，探索不断开拓新的领域。1933年以后，原子核物理理论才逐渐形成。84固体物理学20世纪初，固体物理学就开始深入到微观领域，人们开始利用微观规律来计算实验观测量。量子力学首先应用于简谐振子及简单的原子上，并显示了其正确性，其次又在化学键的问题上取得了效果。二十世纪20年代后，固体物理学作为一门学科在物理学领域中诞生。95物理学与技术物理学的发展为新技术提供了基础，与此相反的关系也完全存在。假如不采用电子技术的各式各样的机器，今天的物理学，甚至整个科学研究都可能连一天也存在不下去。要建造超高能物理学所不可缺少的巨大加速器，必须要动员当前最先进的精密机械技术和电子学技术才行。同时由于对技术进步的不断要求，作为这些技术基础的物理学的研究也正在日益加强。可以说，没有上述各方面的条件，就不可能存在今天这种大规模、多方面的物理学研究。10二节近代物理学的序幕11一电子的发现背景:电子的发现起源于对阴极射线的研究。阴极射线是低压气体放电过程中的一种奇特现象。这一观点得到赫兹等人的支持，赞成以太说的大多是德国人。英国物理学家克鲁克斯以及舒斯特根据各自的实验及解释都认为阴极射线是由粒子组成的。德国学派主张以太学说，英国学派主张带电微粒说。12J.J.汤姆生对电子研究⒈定性研究：J.J.汤姆生还改进了赫兹的静电场偏转实验，他进一步提高了真空度，并且减小极间电压，以防止气体电离，终于获得了稳定的静电偏转。⒉定量研究：一种方法是用静电场偏转管在管子两侧各加一通电线圈以产生垂直于电场方向的磁场，然后根据电场和磁场分别造成的偏转，计算出阴极射线的荷质比e/m，另一种方法是测量阴极的温升。因为阴极射线撞击到阴极，会引起阴极的温度升高。J.J.汤姆生把热电偶接到阴极，测量它的温度变化，两种不同的方法得到的结果相近，荷质比⒊普遍性证明13二X射线的研究1895年，德国的维尔茨堡大学，伦琴教授阴极射线研究发现了X射线14三、放射性的发现对阴极射线研究引起了放射性物质的发现。1896年5月18日，贝克勒尔发现了放射性。贝克勒尔发现放射性虽然没有伦琴发现X射线那样轰动一时，意义却更为深远。因为这是人类第一次接触到核现象，为后来居里夫妇、卢瑟福等对放射性研究发展开辟了道路。15第三章相对论的建立相对论的研究起源于“以太漂移”的探索以及光行差的观测。1678年惠更斯把光振动类比于声振动，看成是以太中的弹性脉冲。但是后来由于光的微粒说占了上风，以太理论受到压抑，牛顿就认为不需要以太，他主张超距作用。1800年以后，由于波动说成功地解释了干涉、衍射和偏振等现象，以太学说重新抬头。在波动说的支持者看来，光既然是一种波，就一定要有一种载体，这就是以太。他们把以太看成是无所不在，绝对静止，极其稀薄的刚性“物质”。16机械波的波动方程与电磁波的波动方程机械振动只有在弹性介质中传播才形成机械波，在弹性介质中应用牛顿定律和胡克定律，即可建立机械波的波动方程，一维横波的波动方程为2222tyxyN17机械振动只有在弹性介质中传播才形成机械波，在弹性介质中应用牛顿定律和胡克定律，即可建立机械波的波动方程，一维横波的波动方程为2222tyxyN18机械波的波动方程和波速这些性质是否也适用于电磁波（包括光波）呢？电磁波有类似于机械波的波动方程，那么，电磁波的波动方程是相对于什么样的参考系建立的？真空中速度是相对于什么参考系的。193．迈克耳逊—莫雷实验波动理论假定了真空中充满以太，光相对于以太的速度C传播，地球上的观察者所测到真空中光速的数值将是多大呢？如果认为地球运动时以太完全没有被带动，地球上测到的真空光速应该是光对以太的速度与地球相对于以太速度的矢量差，为了能够显示出光相对于地球的传播速度不同于C，迈克耳逊设计了一个十分巧妙的实验。20在迈克耳逊最初装置中，采用地球公转速度可得0.04个条纹，这是一个很小的效应，但他的仪器装置观察到的只是0.02个条纹的变动,即使进一步改进,结果都没有观察到条纹的移动.214．洛伦兹等人的贡献斐兹杰惹于1889年，洛伦兹于1892年先后独立地提出了著名的洛伦兹—斐兹杰惹收缩假定。他们都承认以太的存在，在以太中静止的一个长为L的物体，当它沿长度方向相对于以太速率V运动时，将缩短到221cvl225．爱因斯坦与狭义相对论将相对性原理应用于电磁理论，如果认为电磁场的麦克斯韦方程组是正确的（方程组中真空中光速C的普适常数出现）。则必须同时承认真空中光速C对所有惯性系相同，与波源的运动无关。然而，这却是于牛顿力学不相等的。在牛顿力学中，速度总是相对于一定的参考系，不允许在动力学方程中出现普适的速度。236．广义相对论的建立狭义相对论建立之后，爱因斯坦并没有止步，他认为狭义相对论还有许多问题没有解决，例如：为什么惯性质量随能量变化？为什么一切物体在引力场中下落都具有同样的加速度？1916年，爱因斯坦发表了《广义相对论的基础》，对广义相对论的研究作了全面的总结。在论文中，爱因斯坦证明了牛顿理论可以作为相对论引力理论的第一级近似，并且组给出了谱线红移、光线弯曲、行星轨道近日点进动的理论预言247．爱因斯坦的成功分析1．兼收并蓄2．敢于创新，突破常规精神3．哲学修养美发射探测卫星验证88年前爱因斯坦的预言25第四章量子力学的发展26一黑体辐射的研究1859年基尔霍夫物体热辐射的发射本领e(v,T)和吸收本领a(v,T)的比值都相等，并等于该温度下黑体对同一波长的辐射度1879年斯特潘根据实验总结出黑体辐射总能量与黑体温度四次方成正比的关系1893年维恩经验式子1900年瑞利bm43c27为了解决上述困难，普朗克利用内插法，将适用于短波的维恩公式和适用于长波的瑞利—金斯公式衔接起来。在1900年提出了一个新的公式1khvehvU28普朗克与统一思想的波动普朗克对量子论的研究工作中犹豫徘徊、畏缩不前的主要原因是物理学的统一性问题，即如何对量子论的解释。29玻尔理论的形成光谱卢瑟福量子理论玻尔理论301913年《原子构造和分子构造》提出了两条基本假设：定态、跃迁1914年，夫兰克和G．赫兹以能量分立的指导思想，进行电子与原子的碰撞实验设计。他们利用慢电子与稀薄水银蒸气碰撞方法，来确定银原子的激发电位或电离电位。从而证实原子只能处在一定的分立能量状态当中。由此突破了“自然无飞跃”能量连续性的经典物理观点。这个实验成为玻尔原子理论的一个重要证据之一，311918年，玻尔为了解释谱线强度这一当时原子理论无法解决的难题，提出了协调经典物理理论与微观量子理论之间相互关系的对应原理32玻尔的直觉与创新研究方法玻尔的科研思想与他的直觉相联系在一起，他从不畏缩不前，也不遵循所谓严格的逻辑道路的方法。玻尔灵活的思维特点与思想方法在今天已成为越来越多的人所理解和赏识。33量子力学的建立1924年泡利提出不相容原理。这个原理促使乌伦贝克和高斯密特，在1925年提出电子自旋的设想。从而使长期得不到解释的光谱精细结构、反常塞曼效应和斯特恩—盖拉赫实验等难题迎刃而解。同年，海森伯创立了阵矩力学，使量子理论登上了一个新的台阶。1923年德布罗意提出物质波假设，导致了薛定谔在1926年以波动方程的形式建立了新的量子理论。不久薛定谔证明，这两种量子理论是完全等价的，只不过形式不同罢了。1928年狄拉克提出电子的相对论性运动方程——狄拉克方程，奠定了相对论性量子力学的基础。