近代物理 01.ppt
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1、量量 子子 力力 学学基基 础础二十世纪重大发现二十世纪重大发现1.电子的发现:电子的发现:2.X射线的发现:射线的发现:3.放射性的发现:放射性的发现:重要意义:打开了原子世界大门!重要意义:打开了原子世界大门!重要意义:重要意义:X射线是什么?电磁波还是粒子?重要的应用!射线是什么?电磁波还是粒子?重要的应用!重要意义:打开原子核的大门,原子核会裂变原子能!重要意义:打开原子核的大门,原子核会裂变原子能!总之,这些发现向我们打开一个崭新世界!总之,这些发现向我们打开一个崭新世界!总之,这些发现向我们打开一个崭新世界!总之,这些发现向我们打开一个崭新世界!近年来的发展:近年来的发展:*粒子物
2、理粒子物理 高能加速器产生新粒子,已发现高能加速器产生新粒子,已发现300种。种。麦克斯韦理论、狄拉克量子电动力学、重整化方法。麦克斯韦理论、狄拉克量子电动力学、重整化方法。*天体物理天体物理 运用物理学实验方法和理论对宇宙各种星球运用物理学实验方法和理论对宇宙各种星球 进行观进行观 测和研究,从而得出相应的天文规律的学科。应用经典、量测和研究,从而得出相应的天文规律的学科。应用经典、量 子、广义相对论、等离子体物理和粒子物理。子、广义相对论、等离子体物理和粒子物理。*太阳中微子短缺问题太阳中微子短缺问题太阳中微子短缺问题太阳中微子短缺问题*引力波存在的问题引力波存在的问题引力波存在的问题引力
3、波存在的问题 *物体的速度能否超过光速的问题物体的速度能否超过光速的问题物体的速度能否超过光速的问题物体的速度能否超过光速的问题*非平衡热力学及统计物理非平衡热力学及统计物理 物理学发展的总趋向:物理学发展的总趋向:物理学发展的总趋向:物理学发展的总趋向:*学科之间的大综合。学科之间的大综合。*相互渗透结合成边缘学科。相互渗透结合成边缘学科。二十世纪物理学中两个重要的概念:场和对称性二十世纪物理学中两个重要的概念:场和对称性从经典物理学到量子力学过渡时期的三个重大问题的提出从经典物理学到量子力学过渡时期的三个重大问题的提出从经典物理学到量子力学过渡时期的三个重大问题的提出从经典物理学到量子力学
4、过渡时期的三个重大问题的提出 光电效应光电效应 康普顿效应。康普顿效应。黑体辐射问题,即所谓黑体辐射问题,即所谓“紫外灾难紫外灾难”。原子的线光谱和原子结构。原子的线光谱和原子结构。“牛人牛人牛人牛人”图图图图 这张照片是这张照片是1927年第年第五届索尔维会议五届索尔维会议(布鲁塞布鲁塞尔尔)参加者的合影。索尔参加者的合影。索尔维是一个很像诺贝尔的人,维是一个很像诺贝尔的人,本身既是科学家又是家底本身既是科学家又是家底雄厚的实业家,万贯家财雄厚的实业家,万贯家财都捐给科学事业。诺贝尔都捐给科学事业。诺贝尔是设立了以自己名字命名是设立了以自己名字命名的科学奖金,索尔维则是的科学奖金,索尔维则是
5、提供了召开世界最高水平提供了召开世界最高水平学术会议的经费。这就是学术会议的经费。这就是索尔维会议的来历。索尔维会议的来历。1.彼得德拜彼得德拜(Petrus Josephus Wilhelmus Debye)美国物理化学家。)美国物理化学家。1884年出生于荷兰。年出生于荷兰。1901年进入德国亚琛工业大学学习电气工程,年进入德国亚琛工业大学学习电气工程,1905年获电子工程师学位,年获电子工程师学位,因他通过偶极矩研究及因他通过偶极矩研究及因他通过偶极矩研究及因他通过偶极矩研究及x x射线衍射研究对射线衍射研究对射线衍射研究对射线衍射研究对分子结构学科所作贡献而于分子结构学科所作贡献而于分
6、子结构学科所作贡献而于分子结构学科所作贡献而于19361936年获诺贝尔化学奖金年获诺贝尔化学奖金年获诺贝尔化学奖金年获诺贝尔化学奖金。1966年逝世。年逝世。2.2.威廉亨利布喇格威廉亨利布喇格威廉亨利布喇格威廉亨利布喇格(William Henry Bragg,18621942)英国物理学家。是英国物理学家。是现代固体物理学的奠基人之一。现代固体物理学的奠基人之一。由于在使用由于在使用由于在使用由于在使用x x射线衍射研究晶体原子和分子结构射线衍射研究晶体原子和分子结构射线衍射研究晶体原子和分子结构射线衍射研究晶体原子和分子结构方面所作出的开创性贡献,他与儿子分享了方面所作出的开创性贡献,
7、他与儿子分享了方面所作出的开创性贡献,他与儿子分享了方面所作出的开创性贡献,他与儿子分享了19151915年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。父子两代同父子两代同获一个诺贝尔奖,这在历史上恐怕是绝无仅有的。获一个诺贝尔奖,这在历史上恐怕是绝无仅有的。3.3.爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦(Albert Einstein,1879-1955),举世闻名的德裔美国科学家,举世闻名的德裔美国科学家,现代物理学的开创者和奠基人。现代物理学的开创者和奠基人。是是是是20202020世纪最伟大的科学家,被公认为人类世纪最伟大的科学家,被公认为人类世纪最伟大的科学家,被
8、公认为人类世纪最伟大的科学家,被公认为人类历史上最具有创造性才智的人物之一历史上最具有创造性才智的人物之一历史上最具有创造性才智的人物之一历史上最具有创造性才智的人物之一。他的名字与相对论密不可分,其实,他的名字与相对论密不可分,其实,相对论包括两种理论:其一是他相对论包括两种理论:其一是他1905年提出声狭义相对论;其二是他年提出声狭义相对论;其二是他1915年提出的广义相对论。后者,我们最年提出的广义相对论。后者,我们最好称之为爱因斯坦引力论。好称之为爱因斯坦引力论。爱因斯坦爱因斯坦1900年毕业于苏黎士工业大学,年毕业于苏黎士工业大学,1909年开始在大学任教,年开始在大学任教,1914
9、年任年任威廉皇家物理研究所所长兼柏林大学教授。后被迫移居美国,威廉皇家物理研究所所长兼柏林大学教授。后被迫移居美国,1940年入美国籍。十九世纪末年入美国籍。十九世纪末期是物理学的变革时期,爱因斯坦从实验事实出发,从新考查了物理学的基本概念,在理论期是物理学的变革时期,爱因斯坦从实验事实出发,从新考查了物理学的基本概念,在理论上作出了根本性的突破。他的一些成就大大推动了天文学的发展。他的量子理论对天体物理上作出了根本性的突破。他的一些成就大大推动了天文学的发展。他的量子理论对天体物理学、特别是理论天体物理学都有很大的影响。理论天体物理学的第一个成熟的方面学、特别是理论天体物理学都有很大的影响。
10、理论天体物理学的第一个成熟的方面恒星恒星大气理论,就是在量子理论和辐射理论的基础上建立起来的。大气理论,就是在量子理论和辐射理论的基础上建立起来的。爱因斯坦的狭义相对论成功地爱因斯坦的狭义相对论成功地爱因斯坦的狭义相对论成功地爱因斯坦的狭义相对论成功地揭示了能量与质量之间的关系,解决了长期存在的恒星能源来源的难题。揭示了能量与质量之间的关系,解决了长期存在的恒星能源来源的难题。揭示了能量与质量之间的关系,解决了长期存在的恒星能源来源的难题。揭示了能量与质量之间的关系,解决了长期存在的恒星能源来源的难题。近年来发现越来越近年来发现越来越多的高能物理现象,狭义相对论已成为解释这种现象的一种最基本的
11、理论工具。其广义相对多的高能物理现象,狭义相对论已成为解释这种现象的一种最基本的理论工具。其广义相对论也解决了一个天文学上多年的不解之谜,并推断出后来被验证了的光线弯曲现象,还成为论也解决了一个天文学上多年的不解之谜,并推断出后来被验证了的光线弯曲现象,还成为后来许多天文概念的理论基础。后来许多天文概念的理论基础。爱因斯坦对天文学最大的贡献莫过于他的宇宙学理论。他爱因斯坦对天文学最大的贡献莫过于他的宇宙学理论。他创立了相对论宇宙学,建立了静态有限无边的自洽的动力学宇宙模型,并引进了宇宙学原理、创立了相对论宇宙学,建立了静态有限无边的自洽的动力学宇宙模型,并引进了宇宙学原理、弯曲空间等新概念,大
12、大推动了现代天文学的发展。弯曲空间等新概念,大大推动了现代天文学的发展。4.4.埃伦费斯特埃伦费斯特埃伦费斯特埃伦费斯特(Paul Ehrenfest,18801933)荷兰物理学家。如果说,玻尔的对应原荷兰物理学家。如果说,玻尔的对应原理是在经典物理学和量子力学之间架起的一座桥梁,那么,埃伦费斯特的浸渐原理则是理是在经典物理学和量子力学之间架起的一座桥梁,那么,埃伦费斯特的浸渐原理则是两者之间的又一座桥梁。埃伦费斯特是奥地利人,在维也纳大学听过玻尔兹曼讲授热的两者之间的又一座桥梁。埃伦费斯特是奥地利人,在维也纳大学听过玻尔兹曼讲授热的分子运动论。分子运动论。1904年获博士学位后从事统计物理
13、学研究。鉴于他出色的理论素养,洛仑年获博士学位后从事统计物理学研究。鉴于他出色的理论素养,洛仑兹在兹在1912年推荐他接任自己在荷兰莱顿大学的教授职务。此后,埃伦费斯特一直在莱顿年推荐他接任自己在荷兰莱顿大学的教授职务。此后,埃伦费斯特一直在莱顿大学主持工作。大学主持工作。1913年,埃伦费斯特提出一条原理:两相互以浸渐变换联系的体系年,埃伦费斯特提出一条原理:两相互以浸渐变换联系的体系A、B之间存在如下关系:无限缓慢变化的一个或几个参量,可以使不同体系在它们之间相互之间存在如下关系:无限缓慢变化的一个或几个参量,可以使不同体系在它们之间相互导出。这些参量,埃伦费斯特称为浸渐不变量。导出。这些
14、参量,埃伦费斯特称为浸渐不变量。浸渐原理揭示了量子化条件的奥秘。浸渐原理揭示了量子化条件的奥秘。因为玻尔在不久前提出的量子化条件式:因为玻尔在不久前提出的量子化条件式:2W/=nh 及由此推出的角动量量子化条件及由此推出的角动量量子化条件M=nh/2都是埃伦费斯特的浸渐不变量。都是埃伦费斯特的浸渐不变量。5.保罗狄拉克保罗狄拉克(paul adrien maurice dirac,19021984)英国物理学)英国物理学家。家。1930年,他用数学方法描述电子运动规律时,发现电子的电荷可以年,他用数学方法描述电子运动规律时,发现电子的电荷可以是负电荷、也可以是正电荷的。狄拉克猜想,在自然界中可
15、能存在一种是负电荷、也可以是正电荷的。狄拉克猜想,在自然界中可能存在一种“反常的反常的”带正电荷的电子。带正电荷的电子。6.薛定谔薛定谔(erwin schrodinger,1887-1961)奥地利理论物理学家,与爱)奥地利理论物理学家,与爱因斯坦、玻尔、玻恩、海森伯等一起于因斯坦、玻尔、玻恩、海森伯等一起于20世纪世纪20年代后期,发展了量子年代后期,发展了量子力学。力学。因建立描述电子和其他亚原子粒子的运动的波动方程,获得因建立描述电子和其他亚原子粒子的运动的波动方程,获得因建立描述电子和其他亚原子粒子的运动的波动方程,获得因建立描述电子和其他亚原子粒子的运动的波动方程,获得193319
16、3319331933年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖。7.康普敦康普敦(Arthur Holly Compton 18921962).19221923年间研究了年间研究了x射线射线经金属或石墨等物质散射后的光谱经金属或石墨等物质散射后的光谱.1921192119211921年在实验中证明了年在实验中证明了年在实验中证明了年在实验中证明了X X X X射线的粒子性。射线的粒子性。射线的粒子性。射线的粒子性。1923年他发表了年他发表了X射线被电子散射所引起的频率变小现象,即康普顿效应,这射线被电子散射所引起的频率变小现象,即康普顿效应,这是近代物理学的一大发现。按经典波动
17、理论,静止物体对波的散射不会改变频是近代物理学的一大发现。按经典波动理论,静止物体对波的散射不会改变频率。而按爱因斯坦光量子说这是两个率。而按爱因斯坦光量子说这是两个“粒子粒子”碰撞的结果。光量子在碰撞时不碰撞的结果。光量子在碰撞时不仅将能量传递而且也将动量传递给了电子,它进一步证实了爱因斯坦的光子理仅将能量传递而且也将动量传递给了电子,它进一步证实了爱因斯坦的光子理论,揭示出光的二象性。论,揭示出光的二象性。8.8.沃尔夫冈泡利沃尔夫冈泡利沃尔夫冈泡利沃尔夫冈泡利(wolfgang pauli,19001958),美籍奥地利科学家,是迎着),美籍奥地利科学家,是迎着20世纪世纪一同来到世界的
18、,父亲是维也纳大学的物理化学教授,教父是奥地利的物理学家兼哲学一同来到世界的,父亲是维也纳大学的物理化学教授,教父是奥地利的物理学家兼哲学家。其家。其提出了不相容原理提出了不相容原理提出了不相容原理提出了不相容原理,为周期表奠定了理论基础。其发表了,为周期表奠定了理论基础。其发表了“不相容原理不相容原理”:原子:原子中不可能有两个或两个以上的电子处于同一量子态这一原理使当时许多有关原子结构中不可能有两个或两个以上的电子处于同一量子态这一原理使当时许多有关原子结构的问题得以圆满解决,对所有实体物质的基本粒子(通常称之为费米子,如质子、中子、的问题得以圆满解决,对所有实体物质的基本粒子(通常称之为
19、费米子,如质子、中子、夸克等)都适用,构成了量子统计力学夸克等)都适用,构成了量子统计力学费米统计的基点。费米统计的基点。9.海森伯海森伯(werner karl heisenberg 19071976)德国理论物理学家,量子力学第一种有)德国理论物理学家,量子力学第一种有效形式(矩阵力学)的创建者。海森伯鉴于玻尔原子模型所存在的问题,抛弃了所有的效形式(矩阵力学)的创建者。海森伯鉴于玻尔原子模型所存在的问题,抛弃了所有的原子模型,而着眼于观察发射光谱线的频率、强度和极化,利用矩阵数学,将这三者从原子模型,而着眼于观察发射光谱线的频率、强度和极化,利用矩阵数学,将这三者从数学上联系起来,从而提
20、出微观粒子的不可观察的力学量,如位置、动量应由其所发光数学上联系起来,从而提出微观粒子的不可观察的力学量,如位置、动量应由其所发光谱的可观察的频率、强度经过一定运算(矩阵法则)来表示。他和玻尔等合作,建立了谱的可观察的频率、强度经过一定运算(矩阵法则)来表示。他和玻尔等合作,建立了量子理论第一个数学描述量子理论第一个数学描述矩阵力学。矩阵力学。1927192719271927年,他阐述了著名的不确定关系,即亚原年,他阐述了著名的不确定关系,即亚原年,他阐述了著名的不确定关系,即亚原年,他阐述了著名的不确定关系,即亚原子粒子的位置和动量不可能同时准确测量,成为量子力学的一个基本原理子粒子的位置和
21、动量不可能同时准确测量,成为量子力学的一个基本原理子粒子的位置和动量不可能同时准确测量,成为量子力学的一个基本原理子粒子的位置和动量不可能同时准确测量,成为量子力学的一个基本原理。10.玻恩,玻恩,(max born 18821970)德国理论物理学家,量子力学的奠德国理论物理学家,量子力学的奠基人之一。基人之一。1915年起任洪堡大学理论物理学教授。年起任洪堡大学理论物理学教授。由于在相对论和由于在相对论和由于在相对论和由于在相对论和量子力学方面的突出贡献与德国的另一位科学家瓦尔特量子力学方面的突出贡献与德国的另一位科学家瓦尔特量子力学方面的突出贡献与德国的另一位科学家瓦尔特量子力学方面的突
22、出贡献与德国的另一位科学家瓦尔特波西于波西于波西于波西于1954195419541954年同获诺贝尔奖。年同获诺贝尔奖。年同获诺贝尔奖。年同获诺贝尔奖。11.11.尼尔斯玻尔尼尔斯玻尔尼尔斯玻尔尼尔斯玻尔(bohr niels)1885年年10月月7日生于丹麦首都哥本哈根,日生于丹麦首都哥本哈根,玻尔早在大学作硕士论文和博士论文时,就考玻尔早在大学作硕士论文和博士论文时,就考察了金属中的电子运动,并明确意识到经典理论在阐明微观现象方面的严重缺陷,赞赏普朗克和爱因斯坦在电磁理察了金属中的电子运动,并明确意识到经典理论在阐明微观现象方面的严重缺陷,赞赏普朗克和爱因斯坦在电磁理论方面引入的量子学说论
23、方面引入的量子学说在他研究原子结构问题时,就创造性地把普朗克的量子说和卢瑟福的原子核概念结合了起在他研究原子结构问题时,就创造性地把普朗克的量子说和卢瑟福的原子核概念结合了起在他研究原子结构问题时,就创造性地把普朗克的量子说和卢瑟福的原子核概念结合了起在他研究原子结构问题时,就创造性地把普朗克的量子说和卢瑟福的原子核概念结合了起来来来来在玻尔离开曼彻斯特大学以前,曾向卢瑟福呈交了一份论文提纲,引入了定态的概念,给出了定态应满足的量在玻尔离开曼彻斯特大学以前,曾向卢瑟福呈交了一份论文提纲,引入了定态的概念,给出了定态应满足的量子条件回到哥本哈根后,子条件回到哥本哈根后,1913年初,年初,有朋友
24、建议他研究原子结构,应很好地联系和应用当时已有的丰富而精确的有朋友建议他研究原子结构,应很好地联系和应用当时已有的丰富而精确的光谱学资料,这使他思路大开通过对光谱学资料的考察,玻尔的思维和理论有了巨大的飞跃,使他写出了光谱学资料,这使他思路大开通过对光谱学资料的考察,玻尔的思维和理论有了巨大的飞跃,使他写出了“论原论原子构造和分子构造子构造和分子构造”的长篇论著,的长篇论著,提出了量子不连续性,成功地解释了氢原子和类氢原子的结构和性质提出了量子不连续性,成功地解释了氢原子和类氢原子的结构和性质1921年,年,玻尔发表了玻尔发表了“各元素的原子结构及其物理性质和化学性质各元素的原子结构及其物理性
25、质和化学性质”的长篇演讲,阐述了光谱和原子结构理论的新发展,诠的长篇演讲,阐述了光谱和原子结构理论的新发展,诠释了元素周期表的形成,对周期表中从氢开始的各种元素的原子结构作了说明,同时对周期表上的第释了元素周期表的形成,对周期表中从氢开始的各种元素的原子结构作了说明,同时对周期表上的第72号元素的性号元素的性质作了预言。质作了预言。1922年,发现了这种元素铪,证实了玻尔预言的正确年,发现了这种元素铪,证实了玻尔预言的正确1922年玻尔获诺贝尔物理学奖。年玻尔获诺贝尔物理学奖。12.12.普朗克,(普朗克,(普朗克,(普朗克,(Max Karl Ernst Ludwig Planck 1858
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