近代物理学史优秀PPT.ppt
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1、历史回顾一、经典物理学的成就和基本观念一、经典物理学的成就和基本观念二、现代物理学革命的序幕二、现代物理学革命的序幕三、相对论的建立三、相对论的建立四、量子论的初期发展与量子力学建立四、量子论的初期发展与量子力学建立五、原子结构理论的发展五、原子结构理论的发展六、原子核物理的建立与发展六、原子核物理的建立与发展七、传感及测量技术七、传感及测量技术历史回顾(I)1900年普朗克量子论1905年爱因斯坦相对论开拓了现代物理学的新纪元探讨范围在空间尺度上从亚核世界到整个字宙,在时间尺度上从小于10-21秒到宇宙年龄历史回顾(II)百多年前创立的麦克斯韦电磁场理论为无线电、电视、雷达的技术独创和浩大的
2、工业电力网络以及现代通汛系统的建立奠定了理沦基础拉姆(美国)独创了微波技术,进而探讨氢原子的精细结构;库什(美国)用射频束技术精确地测定出电子磁矩,创新了核理论,共同获得了1955年诺贝尔物理学奖微波试验基本学问和试验4-1 反射式速调管的特性和波导工作状态的测量历史回顾(III)磁光效应指的是具有固有磁矩的物质在外磁场的作用下,电磁特性发生变更,因而使光波在其内部的传输特性也发生变更的现象。1845年,Michael Faraday首先发觉了磁光效应,他发觉当外加磁场加在玻璃样品上时,透射光的偏振面将发生旋转历史回顾(IV)1877年John Kerr在视察偏振光从抛光过的电磁铁磁极反射出来
3、时,发觉了磁光克尔效应(magneto-optic Kerr effect)试验2-3 法拉第效应试验2-4 磁光克尔效应历史回顾(V)本世纪20年头创立的量子力学理论为描述微观物体的行为供应了一个全新的框架,变更了我们最基本的测量原理,并为了解原子、分子和凝合态物质的结构铺平了道路。因而导致了诸如半导体、光通讯等新兴技术的崛起,并为研制奇异材料和激光器件开拓了道路历史回顾(VI)1947年肖克莱、巴丁和布喇顿所发觉的晶体管效应揭开了今日发生在我们四周的计算机革命的序幕。没有人能够知道这场革命最终将会如何变更我们的生活和人类社会,但是它所显露出的信息社会的近期前景巳特别迷人肖克利、巴丁、布拉顿
4、因独创晶体管及对晶体管效应的探讨共同获得了1956年诺贝尔物理学奖计算机的基本技术,计算机的仿真技术,计算机的数值计算技术历史回顾(VII)试验试验5-4 5-4 计算机系统结构原理及组装调试计算机系统结构原理及组装调试 试验试验试验试验5-1 5-1 计算机虚拟仿真物理试验计算机虚拟仿真物理试验试验试验5-2 5-2 计算机数值模拟试验(混沌系统计算机数值模拟试验(混沌系统 模型的一个例子)模型的一个例子)一、经典物理学的成就和基本观念(一)经典力学和机械确定论(一)经典力学和机械确定论(二)热力学与能量和熵(二)热力学与能量和熵(三)经典电动力学和(三)经典电动力学和“以太以太”说说(四)
5、经典物理学的完成和局限(四)经典物理学的完成和局限由伽利略(15641642)和牛顿(16421727)等人于17世纪创立的经典物理学,经过18世纪在各个基础部门的拓展到19世纪得到了全面、系统和快速的发展达到了它辉煌的顶峰。到19世纪末,已建成了一个包括力、热、声、光、电诸学科在内的、宏伟完整的理论体系。特殊是它的三大支柱经典力学、经典电动力学、经典热力学和统计力学已臻于成熟和完善,不仅在理论的表述和结构上已特别严谨和完备,而且它们所蕴涵的特别明晰和深刻的物理学基本观念,对人类的科学相识也产生了深远的影响(一)经典力学和机械确定论(一)经典力学和机械确定论由牛顿把它概括在一个严密的统一理论中
6、,实现了近代物理学发展史上第一次理论大综合。在l687年出版的自然哲学的数学原理中,牛顿提出了动力学的三个基本原理和万有引力定律。利用变分法的数学方法和“最小作用量原理”的物理学基础建立起了和牛顿动力学方程等价的欧拉拉格朗日方程,并最最终1834年由英国的哈密顿(18051865)提出了哈密顿原理和正则方程,建立了“分析力学”理论,实现了牛顿后力学理论的一个最大的飞跃(二)热力学与能量和熵(二)热力学与能量和熵能量守恒原理的建立,使物理学思想和理论结构获得了辉煌的进展是19世纪自然科学上的一个宏大成功也是近代物理学发展中的其次次理论大综合熵原理的发觉,事实上把演化的思想带进了物理学,指出了自然
7、过程的不行逆性和历史性在经典力学和电磁场理论中,基本物理定律中的时间都是对称的、可逆的,它们的基本方程对时间反演都是具有对称性的,运动对于过去和将来没有本质的区分,时间在那里仅仅是从外部描述运动的一个参量,它的变更对运动的性质并无影响。因而时间箭头在那里没有实质性的意义“统计力学”这个名称是1884年由美国物理学家吉布斯(1839一1903)首先提出的。吉布斯在麦克斯韦和玻耳兹曼思想的基础上,明确形成了“系综”概念,创立了系综统计方法。从而将热学的唯象的和分子运动论的两个基本的探讨方向统一到一个有机整体之中,完成了统计力学这个经典物理学的又一次理论大综合(三)经典电动力学和(三)经典电动力学和
8、“以太以太”说说1862年,麦克斯韦引入了一个电磁以太的准力学模型和“位移电流”假设,1864年提出了电动力学方程组,预言了电磁波的存在,井揭示了光的电磁波动本性。麦克斯韦的方案使媒递接触观念得以完全实现,并使电磁学理论的全部物理基础得以奠定,成为近代物理学发展中的第三次理论大综合(四)经典物理学的完成和局限(四)经典物理学的完成和局限大约到了1895年前后,以经典力学、经典热力学和统计力学、经典电动力学为三大支柱的经典物理学,结合成一座具有宏伟的建筑体系和动人心弦的“美丽的殿堂”,达到了它的颠峰时期在力学方面,与机械观相联系的确定时间、确定空间的概念以及关于质量的定义,都已受到普遍的指责,牛
9、顿对于引力的本质问题也实行了回避的看法。而牛顿力学的理论框架事实上必定要把引力看作是一种瞬时传递的超距作用,这与19世纪发展起来的场物理学是根本对立的在热学方面,熵增加原理揭示的与热现象有关的自然过程的不行逆性,反映出热力学原理与经典力学和经典电动力学原理之间深刻的内在冲突,而统计力学中引入的概率统计思想以及热力学规律的统计性质,已使经典力学的严格确定性出现了缺口在光学和电磁学方面,作为光波与电磁波的传播媒介的“以太”,其令人难以理解的特殊性质以及关于它的存在的检测,都使科学家们费尽心血而一筹莫展。依据电磁学理论,可用空间坐标的连续函数描写的场,是具有能量的不能再简化的物理实在,这又与经典力学
10、把运动的质点看作能量的唯一裁体的观点严峻背离二、现代物理学革命的序幕(一)(一)19世纪末的三大发觉世纪末的三大发觉 1X射线的发觉射线的发觉 2放射性的发觉放射性的发觉 3电子的发觉电子的发觉(二)经典物理学的两朵乌云(二)经典物理学的两朵乌云 1第一朵乌云第一朵乌云“以太以太”学说学说 2其次朵乌云其次朵乌云“紫外灾难紫外灾难”(一)(一)19世纪末的三大发觉世纪末的三大发觉伦琴(Willhelm Konrad Rotgen,1845-1923)1901年,首届诺贝尔物理学奖授予德国物理学家伦琴以表彰他在1895年发觉的X射线。1X射线的发觉射线的发觉1895年11月伦琴发觉X射线,一种具
11、有强穿透力的新的射线,它是由阴极射线打到玻璃管壁上所产生的;它可以穿透厚达一千页的书、几厘米厚的木板、15毫米厚的铝片,并可用照相的方法透过人体显示骨骼的轮廓和金属物体内部的缺陷伦琴由于这一发觉,天经地义地获得了1901年首届诺贝尔物理学奖劳厄(Max von Laue,1879-1960)1914年诺贝尔物理学奖授予德国法兰克福高校的劳厄以表彰他发觉了晶体的X射线衍射。亨利布拉格 劳伦斯布拉格(William Henry Bragg,1862-1942)(William Lawrence Bragg,1890-1971)1915年诺贝尔物理学奖授予英国伦敦高校的亨利.布拉格和他的儿子英国曼彻
12、斯特维克托利亚高校的劳伦斯.布拉格以表彰他们用X射线对晶体结构的分析所作的贡献。1912年,德国物理学家劳厄才从晶体衍射的新发觉判定X射线是频率极高的电磁波。不久以后,莫塞莱证明它是由原子中内层电子跃迁所发出的辐射劳厄(德国)发觉晶体中的X射线衍射现象获得了1914年诺贝尔物理学奖WH布拉格、WL布拉格(英国)因用X射线对晶体结构的探讨共同获得了1915年诺贝尔物理学奖试验4-2 微波布拉格衍射 贝克勒尔(Antoine Henri Becquerel,1852-1908)1903年诺贝尔物理学奖一半授予法国物理学家亨利贝克勒尔以表彰他发觉了自发放射性;另一半授予法国物理学家皮埃尔居里(Pie
13、rre Curie,1859-1906)和玛丽斯可罗夫斯卡居里(Marie Sklodowska,1867-1934),以表彰他们对贝克勒尔发觉的辐射现象所作的卓越贡献。居里夫妇2放射性的发觉贝可勒尔发觉底片上有铀盐包的清晰的廓影。贝可勒尔推想,感光必定是由于铀盐自身发出的某种奇妙射线所致,试验证明,辐射只与铀元素的存在有关,而且纯金属铀的辐射比铀化合物强很多倍,铀辐射不但能使底片感光,还能使气体电离变成导体波兰诞生的物理学家玛丽居里当时选择了放射性物质作为她博士论文的题目她首先证明白铀的辐射强度同铀的数量成正比,而同其化学形式无关,随后,她和德国的施米特同时发觉了钍也具有这种性质,她建议把物
14、质的这种性质称为“放射性”,以区分于一般的射线。以后钋和镭的发觉,动摇了长期以来科学家们所信守的基本理论。居里夫妇和贝可勒尔共同获得了1903年诺贝尔物理学奖元素衰变理论是一个革命性的理论,它打破了自古以来始终认为的原子恒久不能破坏和毁灭的传统观念,证明一种元素的原子可以变成另一种元素的原子。这个理论虽然受到了门捷列夫和开尔文等科学泰斗的激烈反对,但终因试验事实的不断证明而得到科学界的承认试验5-3 盖革弥勒计数器特性和放射性核衰变统计规律的模拟试验(碳14)J.J.汤姆孙爵士(Sir Joseph Thomon,1856-1940)1906年诺贝尔物理学奖授予英国剑桥高校的J.J.汤姆孙爵士
15、以表彰他对气体导电的理论和试验所作的贡献。3电子的发觉英国物理学家J.J.汤姆逊支持带电微粒说。于1897年对阴极射线进行了周密的试验考察。用磁场使阴极射线发生偏转而进入法拉第筒,证明负电荷的确来自阴极射线。他通过阴极射线在电场和磁场中分别发生偏转时偏转量的测定,计算出了阴极射线的荷质比和速度,发觉其荷质比的数值大约是氢离子的千分之一,而其速度大约在109厘米/秒的数量级约瑟夫汤姆生(J.J.汤姆逊)(英国)对气体放电理论和试验探讨作出重要贡献并发觉电子而获得了1906年诺贝尔物理学奖(二)经典物理学的两朵乌云(二)经典物理学的两朵乌云1900年4月27日,开尔文在英国皇家学会以19世纪热和光
16、的动力理论上空的乌云为题所作的长篇演讲中,虽然认为物理学是万里晴空,但又说:“动力学理论断言热和光都是运动的方式,可是现在,这种理论的美丽性和明晰性被两朵乌云遮挡得黯然失色了。第一朵乌云是随着光的波动理论而起先出现的。菲涅耳和托马斯杨探讨过这个理论,它包括这样一个问题:地球如何通过本质上是光以太这样的弹性固体而运动呢?其次朵乌云是麦克斯韦玻耳兹曼关于能量均分的学说。”这两朵乌云涉及到两方面的试验发觉与力学、电磁学、气体分子运动论理论的困难1第一朵乌云“以太”学说相对性原理是经典力学的一个最基本的原理,这个原理认为,确定静止和确定匀速运动都是不存在的,一切可测量的、因而也是有物理意义的运动,都是
17、相对于某一参照物的相对运动。牛顿本人也充分意识到了确定“确定运动”的困难,最终只能以臆测性的“确定空间”的存在作为避难所麦克斯韦的电磁场理论获得成功之后,电磁波的载体以太,就成了物化的确定空间,静止于宇宙中的以太就构成了一切物体的“确定运动”的背景框架。既然以太也是一种物质存在,或者说它表征着物化了的确定空间,当然就可以通过精密的试验测出物体相对于以太背景的确定运动美国物理学家迈克尔逊(18521931)在1881年,他和莫雷(18381923)在1887年利用干涉仪所进行的精密光学试验,都未能视察到所预期的以太相对于地球的运动其次朵乌云“紫外灾难”其次朵乌云涉及的是经典物理学另一分支,热力学
18、和分子运动论中的一个重要问题。开尔文明确提到的是“麦克斯韦玻耳兹曼关于能量均分的学说”。事实上是指19世纪末关于黑体辐射探讨中所遇到的严峻困难为了说明黑体辐射试验的结果,物理学家瑞利和金斯认为能量是一种连续变更的物理量,建立起在波长比较长、温度比较高的时候和试验事实比较符合的黑体辐射公式。但是,这个公式推出,在短波区(紫外光区)随着波长的变短,辐射强度可以无止境地增加,这和试验数据相差十万八千里,是根本不行能的。所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”20世纪初的这两朵乌云最终导致了物理学的一场大变革。第一朵乌云“以太”学说导致了相对论的诞生。其次朵乌云“紫外灾难”导致了量子力学的产生。因此也
19、可以说,对这两朵“乌云”的探讨就标记着现代物理时代的到来三、相对论的建立(一)狭义相对论的建立(一)狭义相对论的建立 1以太漂移试验与收缩假说以太漂移试验与收缩假说 2洛仑兹变换洛仑兹变换 3彭加勒的相对性原理彭加勒的相对性原理 4狭义相对论基本原理的提出狭义相对论基本原理的提出 5闵科夫斯基的闵科夫斯基的4维世界维世界(二)广义相对论的建立(二)广义相对论的建立(一)狭义相对论的建立(一)狭义相对论的建立1以太漂移试验与收缩假说自从19世纪初,光的波动说复活以来,关于传光的媒质,始终是一个争论的话题。人们认为光的波动必需有一个载体,它就是“以太”。关于以太的存在形式在当时有两种不同的观点,以
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