近代物理学史.ppt

一、经典物理学的完成和局限一、经典物理学的完成和局限•大约到了大约到了1895年前后，以经典力学、年前后，以经典力学、经典热力学和统计力学、经典电动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，结力学为三大支柱的经典物理学，结合成一座具有雄伟的建筑体系和动合成一座具有雄伟的建筑体系和动人心弦的人心弦的“美丽的殿堂美丽的殿堂”，达到了它，达到了它的颠峰时期的颠峰时期•在力学方面，与机械观相联系的绝在力学方面，与机械观相联系的绝对时间、绝对空间的概念以及关于对时间、绝对空间的概念以及关于质量的定义，都已受到普遍的批评，质量的定义，都已受到普遍的批评，牛顿对于引力的本质问题也采取了牛顿对于引力的本质问题也采取了回避的态度而牛顿力学的理论框回避的态度而牛顿力学的理论框架实际上必然要把引力看作是一种架实际上必然要把引力看作是一种瞬时传递的超距作用，这与瞬时传递的超距作用，这与19世纪世纪发展起来的场物理学是根本对立的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可与热现象有关的自然过程的不可逆性，反映出热力学原理与经典逆性，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力学和经典电动力学原理之间深刻的内在矛盾，而统计力学中引刻的内在矛盾，而统计力学中引入的概率统计思想以及热力学规入的概率统计思想以及热力学规律的统计性质，已使经典力学的律的统计性质，已使经典力学的严格确定性出现了缺口严格确定性出现了缺口•在光学和电磁学方面，作为光波与电磁在光学和电磁学方面，作为光波与电磁波的传播媒介的波的传播媒介的“以太以太”，其令人难以理，其令人难以理解的特殊性质以及关于它的存在的检测，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。

根都使科学家们费尽心血而一筹莫展根据电磁学理论，可用空间坐标的连续函据电磁学理论，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，这又与经典力学把运动的的物理实在，这又与经典力学把运动的质点看作能量的唯一裁体的观点严重背质点看作能量的唯一裁体的观点严重背离离二、现代物理学革命的序幕（（一）一）19世纪末的三大发现世纪末的三大发现• 1．．X射线的发现射线的发现• 2．放射性的发现．放射性的发现• 3．电子的发现．电子的发现（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．第二朵乌云．第二朵乌云“紫外灾难紫外灾难”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年发现的X射线 （一）（一）19世纪末的三大发现世纪末的三大发现1．．X射线的发现射线的发现•1895年年11月伦琴发现月伦琴发现X射线，一种具有强射线，一种具有强穿透力的新的射线，它是由阴极射线打到穿透力的新的射线，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、千页的书、几厘米厚的木板、15毫米厚的毫米厚的铝片，并可用照相的方法透过人体显示骨铝片，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骼的轮廓和金属物体内部的缺陷•伦琴由于这一发现，理所当然地获得了伦琴由于这一发现，理所当然地获得了1901年首届诺贝尔物理学奖年首届诺贝尔物理学奖劳厄劳厄 (Max von Laue ,1879-1960) (Max von Laue ,1879-1960) 19141914年诺贝尔物理学奖授予德国法兰克福年诺贝尔物理学奖授予德国法兰克福大学的劳厄以表彰他发现了晶体的大学的劳厄以表彰他发现了晶体的X X射线衍射射线衍射。

亨利·布拉格 劳伦斯·布拉格 (William Henry Bragg ,1862-1942) （William Lawrence Bragg, 1890-1971） 19151915年诺贝尔物理学奖授予英国伦敦大学年诺贝尔物理学奖授予英国伦敦大学的亨利的亨利. .布拉格和他的儿子英国曼彻斯特维克托布拉格和他的儿子英国曼彻斯特维克托利亚大学的劳伦斯利亚大学的劳伦斯. .布拉格以表彰他们用布拉格以表彰他们用X X射线射线对晶体结构的分析所作的贡献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年，德国物理学家劳厄才从晶体衍射的新发现判定射的新发现判定X射线是频率极高的电磁射线是频率极高的电磁波不久以后，莫塞莱证实它是由原子波不久以后，莫塞莱证实它是由原子中内层电子跃迁所发出的辐射中内层电子跃迁所发出的辐射•劳厄（德国）发现晶体中的劳厄（德国）发现晶体中的X射线衍射现射线衍射现象获得了象获得了1914年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖•W·H·布拉格、布拉格、W·L·布拉格（英国）因用布拉格（英国）因用X射线对晶体结构的研究共同获得了射线对晶体结构的研究共同获得了1915年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖 贝克勒尔贝克勒尔（（Antoine Henri Becquerel ,1852 -1908）） 1903 1903年诺贝尔物理学奖一半授予法国物理学家亨利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现了自发放射性；另一半授予贝克勒尔以表彰他发现了自发放射性；另一半授予法国物理学家皮埃尔法国物理学家皮埃尔··居里（居里（Pierre Curie ,1859 -Pierre Curie ,1859 -19061906）和玛丽）和玛丽··斯可罗夫斯卡斯可罗夫斯卡··居里（居里（Marie Marie Sklodowska ,1867 - 1934Sklodowska ,1867 - 1934））, ,以表彰他们对贝克勒尔以表彰他们对贝克勒尔发现的辐射现象所作的卓越贡献。

发现的辐射现象所作的卓越贡献 居里夫妇2．放射性的发现•贝可勒尔发现底片上有铀盐包的清晰的贝可勒尔发现底片上有铀盐包的清晰的廓影贝可勒尔推想，感光必定是由于廓影贝可勒尔推想，感光必定是由于铀盐自身发出的某种神秘射线所致，实铀盐自身发出的某种神秘射线所致，实验证明，辐射只与铀元素的存在有关，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许多而且纯金属铀的辐射比铀化合物强许多倍，铀辐射不但能使底片感光，还能使倍，铀辐射不但能使底片感光，还能使气体电离变成导体气体电离变成导体•波兰出生的物理学家玛丽波兰出生的物理学家玛丽·居里当时选择居里当时选择了放射性物质作为她博士论文的题目了放射性物质作为她博士论文的题目•她首先证实了铀的辐射强度同铀的数量她首先证实了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，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现了钍也具有她和德国的施米特同时发现了钍也具有这种性质，她建议把物质的这种性质称这种性质，她建议把物质的这种性质称为为“放射性放射性”，以区别于一般的射线以，以区别于一般的射线以后钋和镭的发现，动摇了长期以来科学后钋和镭的发现，动摇了长期以来科学家们所信守的基本理论。

居里夫妇和贝家们所信守的基本理论居里夫妇和贝可勒尔共同获得了可勒尔共同获得了1903年诺贝尔物理学年诺贝尔物理学奖奖•元素衰变理论是一个革命性的理论，它元素衰变理论是一个革命性的理论，它打破了自古以来一直认为的原子永远不打破了自古以来一直认为的原子永远不能破坏和毁灭的传统观念，证明一种元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，但终因实验事等科学泰斗的激烈反对，但终因实验事实的不断证实而得到科学界的承认实的不断证实而得到科学界的承认•实验实验5-3 盖革盖革—弥勒计数器特性和放射性弥勒计数器特性和放射性核衰变统计规律的模拟实验（碳核衰变统计规律的模拟实验（碳14））J.J.J.J.汤姆孙爵士汤姆孙爵士（（Sir Joseph Thomon,1856-1940） 19061906年诺贝尔物理学奖授予英国剑桥大学年诺贝尔物理学奖授予英国剑桥大学的的J.J.J.J.汤姆孙爵士以表彰他对气体导电的理论汤姆孙爵士以表彰他对气体导电的理论和实验所作的贡献。

和实验所作的贡献 3．电子的发现•英国物理学家英国物理学家J.J.汤姆逊支持带电微粒说汤姆逊支持带电微粒说于于1897年对阴极射线进行了周密的实验年对阴极射线进行了周密的实验考察用磁场使阴极射线发生偏转而进考察用磁场使阴极射线发生偏转而进入法拉第筒，证明负电荷确实来自阴极入法拉第筒，证明负电荷确实来自阴极射线他通过阴极射线在电场和磁场中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，发现其荷了阴极射线的荷质比和速度，发现其荷质比的数值大约是氢离子的千分之一，质比的数值大约是氢离子的千分之一，而其速度大约在而其速度大约在109厘米厘米/秒的数量级秒的数量级•约瑟夫约瑟夫·汤姆生（汤姆生（J.J.汤姆逊）（英国）汤姆逊）（英国）对气体放电理论和实验研究作出重对气体放电理论和实验研究作出重要贡献并发现电子而获得了要贡献并发现电子而获得了1906年年诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖（二）经典物理学的两朵乌云（二）经典物理学的两朵乌云•1900年年4月月27日，开尔文在英国皇家学会日，开尔文在英国皇家学会以《以《19世纪热和光的动力理论上空的乌世纪热和光的动力理论上空的乌云》为题所作的长篇演讲中，虽然认为云》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：物理学是万里晴空，但又说：“动力学理动力学理论断言热和光都是运动的方式，可是现论断言热和光都是运动的方式，可是现在，这种理论的优美性和明晰性被两朵在，这种理论的优美性和明晰性被两朵乌云遮蔽得黯然失色了。

乌云遮蔽得黯然失色了•第一朵乌云是随着光的波动理论而开始第一朵乌云是随着光的波动理论而开始出现的菲涅耳和托马斯出现的菲涅耳和托马斯·杨研究过这个杨研究过这个理论，它包括这样一个问题：地球如何理论，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通过本质上是光以太这样的弹性固体而运动呢？第二朵乌云是麦克斯韦－玻耳运动呢？第二朵乌云是麦克斯韦－玻耳兹曼关于能量均分的学说兹曼关于能量均分的学说这两朵乌云这两朵乌云涉及到两方面的实验发现与力学、电磁涉及到两方面的实验发现与力学、电磁学、气体分子运动论理论的困难学、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，绝对静止和绝对原理，这个原理认为，绝对静止和绝对匀速运动都是不存在的，一切可测量的、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，都是相对因而也是有物理意义的运动，都是相对于某一参照物的相对运动牛顿本人也于某一参照物的相对运动牛顿本人也充分意识到了确定充分意识到了确定“绝对运动绝对运动”的困难，的困难，最后只能以臆测性的最后只能以臆测性的“绝对空间绝对空间”的存在的存在作为避难所作为避难所•麦克斯韦的电磁场理论获得成功之后，麦克斯韦的电磁场理论获得成功之后，电磁波的载体以太，就成了物化的绝对电磁波的载体以太，就成了物化的绝对空间，静止于宇宙中的以太就构成了一空间，静止于宇宙中的以太就构成了一切物体的切物体的“绝对运动绝对运动”的背景框架。

既然的背景框架既然以太也是一种物质存在，或者说它表征以太也是一种物质存在，或者说它表征着物化了的绝对空间，当然就可以通过着物化了的绝对空间，当然就可以通过精密的实验测出物体相对于以太背景的精密的实验测出物体相对于以太背景的绝对运动绝对运动•美国物理学家迈克尔逊（美国物理学家迈克尔逊（1852－－1931））在在1881年，他和莫雷（年，他和莫雷（1838－－1923）在）在1887年利用干涉仪所进行的精密光学实年利用干涉仪所进行的精密光学实验，都未能观察到所预期的以太相对于验，都未能观察到所预期的以太相对于地球的运动地球的运动第二朵乌云“紫外灾难”•第二朵乌云涉及的是经典物理学另一分第二朵乌云涉及的是经典物理学另一分支，热力学和分子运动论中的一个重要支，热力学和分子运动论中的一个重要问题开尔文明确提到的是问题开尔文明确提到的是“麦克斯韦－麦克斯韦－玻耳兹曼关于能量均分的学说玻耳兹曼关于能量均分的学说”实际上是指是指19世纪末关于黑体辐射研究中所遇世纪末关于黑体辐射研究中所遇到的严重困难到的严重困难•为了解释黑体辐射实验的结果，物理学家为了解释黑体辐射实验的结果，物理学家瑞利和金斯认为能量是一种连续变化的物瑞利和金斯认为能量是一种连续变化的物理量，建立起在波长比较长、温度比较高理量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公的时候和实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，辐射强度可以外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，这和实验数据相差十万八无止境地增加，这和实验数据相差十万八千里，是根本不可能的所以这个失败被千里，是根本不可能的所以这个失败被埃伦菲斯特称为埃伦菲斯特称为“紫外灾难紫外灾难”•20世纪初的这两朵乌云最终导致了物理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学的一场大变革第一朵乌云“以太以太”学学说导致了相对论的诞生第二朵乌云说导致了相对论的诞生第二朵乌云“紫紫外灾难外灾难”导致了量子力学的产生因此也导致了量子力学的产生因此也可以说，对这两朵可以说，对这两朵“乌云乌云”的研究就标志的研究就标志着现代物理时代的到来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．以太漂移实验与收缩假说．以太漂移实验与收缩假说 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1．以太漂移实验与收缩假说．以太漂移实验与收缩假说•自从自从19世纪初，光的波动说复活以来，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须有一个载体，题人们认为光的波动必须有一个载体，它就是它就是“以太以太”关于以太的存在形式在关于以太的存在形式在当时有两种不同的观点，以菲涅耳为代当时有两种不同的观点，以菲涅耳为代表的一派认为以太是静止，以斯托克斯表的一派认为以太是静止，以斯托克斯为代表的一派认为以太是可以被部分曳为代表的一派认为以太是可以被部分曳引的引的（一）（一）狭义相对论狭义相对论的建立的建立•如果静止以太说是正确的，在地球高速如果静止以太说是正确的，在地球高速运动时，应存在着运动时，应存在着“以太风以太风”多年来，多年来，人们做了一系列光学的与电学的以太漂人们做了一系列光学的与电学的以太漂移实验，企图测量地球在静止以太中的移实验，企图测量地球在静止以太中的相对运动，它们均给出了否定的结果相对运动，它们均给出了否定的结果其中最著名的实验是由迈克尔逊和莫雷其中最著名的实验是由迈克尔逊和莫雷完成的完成的迈克耳孙（ Albert Abrham Michelson ,1852 -1931） 1907年诺贝尔物理学奖授予芝加哥大学年诺贝尔物理学奖授予芝加哥大学的迈克耳孙以表彰他对光学精密仪器及用之于的迈克耳孙以表彰他对光学精密仪器及用之于光谱学与计量学研究所作的贡献。

光谱学与计量学研究所作的贡献 •迈克尔逊在光速测量方面一直享有国际迈克尔逊在光速测量方面一直享有国际上的盛誉上的盛誉•迈克尔逊由于光学精密仪器以及光谱学迈克尔逊由于光学精密仪器以及光谱学与计量学的研究成果而获得了与计量学的研究成果而获得了 1907年诺年诺贝尔物理学奖贝尔物理学奖2．洛仑兹变换•1895年，洛仑兹发表了题为《运动物体年，洛仑兹发表了题为《运动物体中电磁现象和光现象的理论研究》的论中电磁现象和光现象的理论研究》的论文这篇论文讨论了在相对运动与相对文这篇论文讨论了在相对运动与相对静止参照系间，同一物理现象间的坐标静止参照系间，同一物理现象间的坐标变换问题，在一级近似下，提出了洛仑变换问题，在一级近似下，提出了洛仑兹变换关系这一工作对以后的狭义相兹变换关系这一工作对以后的狭义相对论理论体系有着重要的意义对论理论体系有着重要的意义•1905年年5月，洛仑兹完成了《速度小于光速月，洛仑兹完成了《速度小于光速系统中的电磁现象》的论文在这篇论文系统中的电磁现象》的论文在这篇论文中，他发表了著名的时空相对论变换公式，中，他发表了著名的时空相对论变换公式，这就是后来所称的洛仑兹变换式，并且进这就是后来所称的洛仑兹变换式，并且进一步证明了，在洛仑兹变换下，电磁方程一步证明了，在洛仑兹变换下，电磁方程具有不变形式。

在这篇论文中，他还给出具有不变形式在这篇论文中，他还给出了两点极为重要的给论，一个是粒子质量了两点极为重要的给论，一个是粒子质量随速度变化的公式，一个是粒子在以太中随速度变化的公式，一个是粒子在以太中运动的速度不可能大于光速运动的速度不可能大于光速3．彭加勒的相对性原理•在物理学的这场变革中，彭加勒在物理学的在物理学的这场变革中，彭加勒在物理学的几个领域中都做出了重要的贡献其中著名几个领域中都做出了重要的贡献其中著名的有彭加勒相对性原理的建立的有彭加勒相对性原理的建立1895年，彭年，彭加勒首次提出了相对性原理的想法他认为，加勒首次提出了相对性原理的想法他认为，各种实验事实的结论都可以表明，各种实验事实的结论都可以表明，“要证明要证明物质的绝对运动，或者更确切地说，要证明物质的绝对运动，或者更确切地说，要证明可称量物质相对以太的运动是不可能的可称量物质相对以太的运动是不可能的4．狭义相对论基本原理的提出•在狭义相对论中，爱因斯坦成功地把时在狭义相对论中，爱因斯坦成功地把时间与空间、物质与运动、质量与能量、间与空间、物质与运动、质量与能量、多普勒效应与光行差效应、电场与磁场多普勒效应与光行差效应、电场与磁场分别统一起来了，直至把经典力学与经分别统一起来了，直至把经典力学与经典电动力学统一起来，使物理学在抛弃典电动力学统一起来，使物理学在抛弃旧力学理论的框架后，得以在新的理论旧力学理论的框架后，得以在新的理论体系中继续发展体系中继续发展5．闵科夫斯基的4维世界•闵科夫斯基以优美的数学形式，揭示了闵科夫斯基以优美的数学形式，揭示了3维空间与维空间与1维时间的内在联系。

在他所提维时间的内在联系在他所提供的供的4维空间中，不仅全部力学与电动力维空间中，不仅全部力学与电动力学的概念及重要规律得以进一步地简化学的概念及重要规律得以进一步地简化与统一，它们被自然与和谐地纳入到相与统一，它们被自然与和谐地纳入到相对论的理论之中对论的理论之中 （二）广义相对论的建立（二）广义相对论的建立•按狭义相对性原理，由于在洛仑兹变换按狭义相对性原理，由于在洛仑兹变换下，许多物理定律都具有协变形式，相下，许多物理定律都具有协变形式，相对各物理定律而言各个惯性系都应彼对各物理定律而言各个惯性系都应彼此等效狭义相对论在说明惯性运动的此等效狭义相对论在说明惯性运动的相对性上取得了极大的成功，它却存在相对性上取得了极大的成功，它却存在明显的缺陷首先是惯性系是什么？如明显的缺陷首先是惯性系是什么？如何确定物体在做惯性运动最终又回到何确定物体在做惯性运动最终又回到了了"不动的绝对空间不动的绝对空间"四、量子论的初期发展与量子力学建立（一）量子论的初期发展（一）量子论的初期发展• 1．黑体辐射的研究．黑体辐射的研究• 2．普朗克的．普朗克的“量子量子”假说假说• 3．光量子假说．光量子假说（二）量子力学理论的建立（二）量子力学理论的建立• 1．德布罗意波．德布罗意波• 2．薛定谔的波动力学．薛定谔的波动力学• 3．海森伯的矩阵力学．海森伯的矩阵力学• 4．量子力学的万本哈根学派的诠释．量子力学的万本哈根学派的诠释1．黑体辐射的研究•1879年德国物理学家斯特藩从实验结果年德国物理学家斯特藩从实验结果中得出了黑体单位表面积单位时间的热中得出了黑体单位表面积单位时间的热辐射总能量与绝对温度的四次方成正比辐射总能量与绝对温度的四次方成正比的定律，这个结果在的定律，这个结果在1884年被玻耳兹曼年被玻耳兹曼从光的电磁理论和热力学理论做出了论从光的电磁理论和热力学理论做出了论证。

这就是斯特藩证这就是斯特藩-玻耳兹曼定律玻耳兹曼定律维 恩(WilhelmWien ,1864-1928) 1911年诺贝尔物理学奖授予德国乌尔兹堡大学的维恩以表彰他发现了热辐射定律 • 1893年维恩也由电磁学和热力学理论得年维恩也由电磁学和热力学理论得出了辐射能量最强的波长与黑体的温度出了辐射能量最强的波长与黑体的温度成反比的成反比的“位移定律位移定律”，但这两个定律都，但这两个定律都不能具体反映辐射能量随频率和温度的不能具体反映辐射能量随频率和温度的分布情况，只能在一定的范围和条件下分布情况，只能在一定的范围和条件下与实验曲线相吻合维恩因为在黑体辐与实验曲线相吻合维恩因为在黑体辐射方面的研究成果获得了射方面的研究成果获得了1911年诺贝尔年诺贝尔物理学奖物理学奖普郎克 （Max Karl Ernst Ludwig Plank ,1858-1947） 1918年诺贝尔物理学奖授予德国柏林大学的普郎克以承认他发现能量级对物理学的进展所作的贡献 2．普朗克的“量子”假说• 1900年，对热力学有长期研究的德国物年，对热力学有长期研究的德国物理学家普朗克综合了维恩公式和瑞利理学家普朗克综合了维恩公式和瑞利-金金斯公式，利用内插法，引入了一个自己斯公式，利用内插法，引入了一个自己的常数，结果得到一个公式，而这个公的常数，结果得到一个公式，而这个公式与实验结果精确相符，它就是普朗克式与实验结果精确相符，它就是普朗克公式，即普朗克辐射定律公式，即普朗克辐射定律•普朗克的能量子假说：辐射黑体分子、普朗克的能量子假说：辐射黑体分子、原子的振动可看作谐振子，这些谐振子原子的振动可看作谐振子，这些谐振子可以发射和吸收辐射能。

但是这些谐振可以发射和吸收辐射能但是这些谐振子只能处于某些分立的状态，在这些状子只能处于某些分立的状态，在这些状态中，谐振子的能量并不像经典物理学态中，谐振子的能量并不像经典物理学所允许的可具有任意值相应的能量是所允许的可具有任意值相应的能量是某一最小能量（称为能量子）的整数倍某一最小能量（称为能量子）的整数倍•能量子的概念是非常新奇的，它冲破了能量子的概念是非常新奇的，它冲破了传统的概念，揭示了微观世界中一个重传统的概念，揭示了微观世界中一个重要规律，开创了物理学的一个全新领域要规律，开创了物理学的一个全新领域由于普朗克发现了能量子，对建立量子由于普朗克发现了能量子，对建立量子理论做出了卓越贡献，获得了理论做出了卓越贡献，获得了1918年诺年诺贝尔物理学奖贝尔物理学奖•普朗克关于能量只能以普朗克关于能量只能以“能量子能量子”为最小为最小单元作不连续变化的假设，冲击了经典单元作不连续变化的假设，冲击了经典物理学长期信奉的物理学长期信奉的“自然界无跳跃自然界无跳跃”的信的信条，彻底变革了经典物理学中一切因果条，彻底变革了经典物理学中一切因果关系都是以物理量的连续变化为基础的关系都是以物理量的连续变化为基础的物理学思想方法物理学思想方法爱因斯坦 (Allbert Einstein ,1879-1955) 1921年诺贝尔物理学奖授予德国柏林马克斯·普朗克物理研究所的爱因斯坦以表彰他在理论物理学上的发现,特别是发现了光电效应的定律. 3．光量子假说•1905年年6月，爱因斯坦在德国《物理学纪事》月，爱因斯坦在德国《物理学纪事》上发表的《关于光的产生和转化的一个启发性上发表的《关于光的产生和转化的一个启发性观点》，为研究辐射问题带来了一个崭新的观观点》，为研究辐射问题带来了一个崭新的观点。

他认为，在普朗克的理论中，只考虑了腔点他认为，在普朗克的理论中，只考虑了腔壁上振子能量的量子化，但对空腔内电磁辐射壁上振子能量的量子化，但对空腔内电磁辐射的处理，还是用的麦克斯韦电磁波动理论，这的处理，还是用的麦克斯韦电磁波动理论，这种观点是不彻底的在爱因斯坦看来，电磁场种观点是不彻底的在爱因斯坦看来，电磁场能量本身也是量子化的，辐射场不是连续的，能量本身也是量子化的，辐射场不是连续的，而是由分立的能量子组成的他把这种能量子而是由分立的能量子组成的他把这种能量子称为称为“光量子光量子”后来美国物理学家路易斯把它后来美国物理学家路易斯把它改称为改称为“光子光子”•爱因斯坦研究了用光的能量连续分布的爱因斯坦研究了用光的能量连续分布的理论难以解释的光电效应现象理论难以解释的光电效应现象•由于爱因斯坦在数学物理学的成就，特由于爱因斯坦在数学物理学的成就，特别是光电效应定律的发现获得了别是光电效应定律的发现获得了1921年年诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖路易斯.德布罗意 (Prince Louis-victor de Broglie ,1892-1987) 1929年诺贝尔物理学奖授予法国巴黎索本大学的路易斯.德布罗意以表彰他发现了电子的波动性. （二）量子力学理论的建立（二）量子力学理论的建立1．德布罗意波•1923年年9月至月至10月间，德布罗意在连续发月间，德布罗意在连续发表了三篇论文《辐射表了三篇论文《辐射―波和量子》、波和量子》、《光学－光量子、衍射和干涉》、《物《光学－光量子、衍射和干涉》、《物理学－量子、气体运动理论以及费马原理学－量子、气体运动理论以及费马原理》。

在这几篇短文中，提出了理》在这几篇短文中，提出了“德布罗德布罗意波意波”的思想1824年，德布罗在《量子年，德布罗在《量子理论研究》的博士论文中，系统地阐述理论研究》的博士论文中，系统地阐述了他在前几篇文章中提出的相波理论了他在前几篇文章中提出的相波理论•他因为发现了电子的波动性而获得了他因为发现了电子的波动性而获得了1929年诺贝尔物理学奖，他也是唯一一年诺贝尔物理学奖，他也是唯一一个因博士论文而获得诺贝尔物理学奖的个因博士论文而获得诺贝尔物理学奖的人（以前的观点）人（以前的观点）五、原子结构理论的发展•1．原子有核模型的建立原子有核模型的建立•2．玻尔原子结构的量子理论．玻尔原子结构的量子理论•3．玻尔理论的推广．玻尔理论的推广尼尔斯·玻尔 （Niels Bohr,1885-1962） 1922年诺贝尔物理学奖授予丹麦哥本哈根年诺贝尔物理学奖授予丹麦哥本哈根的尼尔斯的尼尔斯·玻尔以表彰他在研究原子结构玻尔以表彰他在研究原子结构,特别特别是研究从原子发出的辐射所作的贡献是研究从原子发出的辐射所作的贡献 1．原子有核模型的建立．原子有核模型的建立•1909年，卢瑟福的助手盖革，学生马斯年，卢瑟福的助手盖革，学生马斯登从粒子被很薄的金箔散射的实验中，登从粒子被很薄的金箔散射的实验中，观察到了一种出人意料的现象：大约有观察到了一种出人意料的现象：大约有八千分之一的粒子的偏转角度超过八千分之一的粒子的偏转角度超过90度，度，有的甚至被反弹回来。

粒子散射实验的有的甚至被反弹回来粒子散射实验的意外结果，为建立正确的原子有核棋型意外结果，为建立正确的原子有核棋型据供了科学依据据供了科学依据2．玻尔原子结构的量子理论．玻尔原子结构的量子理论•1913年玻尔提出的原子结构理论，是量年玻尔提出的原子结构理论，是量子论发展史上的一个重要阶段在此之子论发展史上的一个重要阶段在此之前，量子论主要被用于与辐射有关的问前，量子论主要被用于与辐射有关的问题，玻尔的理论却表明在描述原子的结题，玻尔的理论却表明在描述原子的结构和运动规律中，作用量子也具有本质构和运动规律中，作用量子也具有本质的意义他希望把量子概念与卢瑟福原的意义他希望把量子概念与卢瑟福原子模型结合起来，以解决原子结构的稳子模型结合起来，以解决原子结构的稳定性问题定性问题•玻玻尔尔理理论论提提出出了了一一个个动动态态的的原原于于结结构构轮轮廓廓，，揭揭示示了了光光谱谱线线与与原原子子结结构构的的内内在在联联系系，，从从而而推推动动了了物物质质结结构构理理论论的的发发展展玻玻尔尔由由于于这这一一杰杰出出的的工工作作，，获获得得了了1922年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖弗兰克 G.赫兹 (James Franck ,1882-1964) (Gustav Hertz ,1887-1975) 1925年诺贝尔物理学奖授予德国格丁根大年诺贝尔物理学奖授予德国格丁根大学的弗兰克和哈雷大学的学的弗兰克和哈雷大学的G.赫兹以表彰他们发赫兹以表彰他们发现原子受电子碰撞的定律现原子受电子碰撞的定律.•弗兰克和赫兹（德国）发现原子和电子弗兰克和赫兹（德国）发现原子和电子的碰撞规律共同获得了的碰撞规律共同获得了1925年年诺贝尔物诺贝尔物理学奖理学奖洛伦兹 塞曼（Hendrik Lorentz，1853 -1928）（Pieter Zeeman，1865-1943） 1902年诺贝尔物理学奖授予荷兰莱顿大学的洛伦兹和荷兰阿姆斯特丹大学塞曼,以表彰他们在研究磁性对辐射现象的影响所作的特殊贡献。

3．玻尔理论的推广．玻尔理论的推广•索索末末菲菲在在1916年年把把一一般般量量子子化化条条件件推推广广到到四四个个自自由由度度，，即即主主量量子子数数，，轨轨道道量量子子数数，，磁磁量量子子数数和和电电子子自自旋旋量量子子数数，，很很好好的的解解释释了了塞塞曼曼效效应应和和碱碱金金属属光光谱谱的的主主线线系，漫线系，锐线系等现象系，漫线系，锐线系等现象•洛洛伦伦兹兹（（荷荷兰兰））和和塞塞曼曼（（荷荷兰兰））关关于于磁磁场场对对辐辐射射现现象象影影响响的的研研究究共共同同获获得得了了1902年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖六、原子核物理的建立与发展•（一）原子核结构的早期探索一）原子核结构的早期探索•1．质子－电子核模型．质子－电子核模型•2．中子的发现．中子的发现•3．核磁矩的发现．核磁矩的发现•（二）粒子加速器的创建与发展（二）粒子加速器的创建与发展•（三）核裂变研究（三）核裂变研究•（四）原子能的应用（四）原子能的应用1．质子－电子核模型•十十九九世世纪纪20年年代代末末到到30年年代代初初，，人人们们认认识识到到的的基基本本粒粒子子仅仅限限于于质质子子、、电电子子和和光光子子。

并并普普遍遍认认为为，，一一切切物物质质都都是是由由电电子子和和质质子子构构成成的的（一）原子核结构的早期探索（一）原子核结构的早期探索查德威克 (Sir James Chadwick ,1891-1974) 1935年诺贝尔物理学奖授予英国利物浦的查德威克以表彰他发现了中子 2．中子的发现•1932年年，，查查德德威威克克用用一一种种射射线线（（中中子子束束））轰轰击击氢氢原原子子核核时时，，发发现现它它被被反反弹弹了了回回来来，，说说明明这这种种射射线线是是具具有有一一定定质质量量的的中中性性粒粒子子流流通通过过对对反反冲冲核核的的动动量量测测定定的的结结果果，，再再利利用用动动量量守守恒恒定定律律进进行行估估算算，，确确定定出出这这种种射射线线中中性性粒粒子子的的质质量量几几乎乎与与质质子子的的相相同同，，查查德德威威克克把把这这种种粒粒子子定定名名为为中中子子于于1932年年在在《《自自然然》》杂杂志志上上发发表表了了《《中中子可能存在》的论文子可能存在》的论文•查查德德威威克克发发现现中中子子，，不不仅仅改改变变了了当当时时人人们们对对物物质质结结构构的的认认识识，，同同时时还还为为研研究究和和变变革革原原子子核核提提供供了了一一种种有有力力的的手手段段，，这这促促进进了了核核裂裂变变工工作作的的发发展展以以及及原原子子能能的的利利用用。

由由于于这这一一重重要要发发现现，，查查德德威威克克获获得了得了1935年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖3．核磁矩的发现•在在第第七七届届索索尔尔维维会会议议上上，，汉汉堡堡大大学学的的斯斯特特恩恩、、依依斯斯特特曼曼、、弗弗里里施施介介绍绍了了他他们们用用氢氢分分子子束束的的斯斯特特恩恩－－革革拉拉赫赫实实验验成成功功测测定了氢核的磁矩定了氢核的磁矩布洛赫 珀塞尔 (Felix Bloch ,1905-1983) (Edward Purcell ,1912-1997) 1952年诺贝尔物理学奖授予美国加利福尼亚斯坦福大学的布洛赫和美国马萨诸塞州坎伯利基哈佛大学的珀塞尔以表彰他们发现了核磁精密测量的新方法及由此所作的发现 •由由布布洛洛赫赫和和珀珀塞塞尔尔所所创创立立的的核核磁磁共共振振技技术术发发展展非非常常迅迅速速先先后后有有80多多种种样样品品核核的的磁磁矩矩都都由由这这种种方方法法测测出出核核磁磁共共振振方方法法在在核核物物理理研研究究、、有有机机化化合合物物的的鉴鉴定定、、未未知知化化合合物物结结构构的的测测定定、、动动物物和和人人体体组组织织的的检检测测等等方方而而都都有有重重要要应应用用。

核核磁磁共共振振已已成成为为波波谱谱学学的的一一个个重重要要分分支支由由于于布布洛洛赫赫与与泊泊塞塞尔尔所所发发现现的的核核磁磁共共振振法法，，他们共同分享了他们共同分享了1952年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖卡斯特勒卡斯特勒(Alfred Kastler(Alfred Kastler，，1902-1984)1902-1984) 1966 1966年诺贝尔物理学奖授予法国巴黎大学，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以表彰他发现和发展了高等师范学校的卡斯特勒以表彰他发现和发展了研究原子中赫兹共振的光学方法研究原子中赫兹共振的光学方法•光泵磁共振技术自光泵磁共振技术自50年代初，法国物理年代初，法国物理学家卡斯特勒首先提出以来，获得了迅学家卡斯特勒首先提出以来，获得了迅速发展目前，在基础研究方面，广泛速发展目前，在基础研究方面，广泛用于原子、分子能级的精细和超精细结用于原子、分子能级的精细和超精细结构及其它各种参数的精密测量，对原子构及其它各种参数的精密测量，对原子分子间各种相互作用进行实验研究在分子间各种相互作用进行实验研究在应用技术方面利用光泵磁共振原理发展应用技术方面利用光泵磁共振原理发展出两种精密仪器，原子频率标准（原子出两种精密仪器，原子频率标准（原子钟）和原子磁强计。

由此卡斯特勒钟）和原子磁强计由此卡斯特勒获得获得了了1966年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖七、传感及测量技术•传传感感器器（（Sensor, Transducer））是是完完成成信信息息拾拾取取 、、 传传 输输 和和 转转 换换 的的 器器 件件 光光 纤纤 传传 感感 器器（（Optical fiber sensor））则则是是以以光光纤纤为为功功能能材材料料的的传传感感器器经经典典的的传传感感器器是是将将非非电电量量转转换换为为电电量量，，而而光光纤纤传传感感器器则则是是将将非非光光量量转转换换为为光光量量光光纤纤传传感感器器与与经经典典传传感感器器的的区区别别是是，，光光纤纤传传感感器器以以光光作作为为感感知知信信息息的的载载体体，，而而不不是是电电；；采采用用光光纤纤传传送送信信息息，，而而不不是是导导线线光光纤纤传传感感具具有有灵灵敏度高、抗电磁干扰以及耐腐蚀防燃等特敏度高、抗电磁干扰以及耐腐蚀防燃等特•光光子子计计数数也也就就是是光光电电子子计计数数，，是是微微弱弱光光（（低低于于10-14W））信信号号探探测测中中的的一一种种新新技技术术它它可可以以探探测测弱弱到到光光能能量量以以单单光光子子到到达达时时的的能能量量。

目目前前已已被被广广泛泛应应用用于于喇喇曼曼散散射射探探测测、、医医学学、、生生物物学学、、物物理理学学等等许许多领域里微弱光现象的研究多领域里微弱光现象的研究•椭圆偏振测量（椭偏术）是研究两媒介椭圆偏振测量（椭偏术）是研究两媒介间界面、表面或薄膜中光学性质变化的间界面、表面或薄膜中光学性质变化的一种光学方法，其原理是利用偏振光束一种光学方法，其原理是利用偏振光束在界面或薄膜上的反射或透射时出现的在界面或薄膜上的反射或透射时出现的偏振变换在各种已有的测定薄膜厚度偏振变换在各种已有的测定薄膜厚度的方法中，如干涉法等，椭偏法是能测的方法中，如干涉法等，椭偏法是能测量厚度最薄和测量精度最高的一种，而量厚度最薄和测量精度最高的一种，而且测量是非破坏性的，并能在一次测量且测量是非破坏性的，并能在一次测量中同时测定膜厚及折射率中同时测定膜厚及折射率•太太阳阳电电池池，，也也称称为为光光伏伏电电池池，，是是将将太太阳阳光光辐辐射射能能直直接接转转换换为为电电能能的的器器件件由由这这种种器器件件封封装装成成太太阳阳电电池池组组件件，，再再按按需需要要将将一一块块以以上上的的组组件件组组合合成成一一定定功功率率的的太太阳阳电电池池方方阵阵，，经经与与储储能能装装置置、、测测量量控控制制装装置置及及直直流流-交交流流变变换换装装置置等等相相配配套套，，即即构构成成太太阳阳电电池池发发电电系系统统，，也也称称为为之之光光伏伏发电系统发电系统•世界上第一块实用型半导体太阳电池是美世界上第一块实用型半导体太阳电池是美国贝尔实验室于国贝尔实验室于1954年研制的。

经过人们年研制的经过人们40多年的努力，太阳电池的研究、开发与多年的努力，太阳电池的研究、开发与产业化已取得巨大进步目前，太阳电池产业化已取得巨大进步目前，太阳电池已成为空间卫星的基本电源和地面无电、已成为空间卫星的基本电源和地面无电、少电地区及某些特殊领域（通信设备、气少电地区及某些特殊领域（通信设备、气象台站、航标灯等）的重要电源象台站、航标灯等）的重要电源。