近代物質(zhì)科學(xué)

1、近代物質(zhì)科學(xué)第1頁，共18頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)54分，星期三參考書目近代物理概論講義中央廣播電大出版近代物理?xiàng)罟鹆值?科學(xué)出版社原子論的歷史和現(xiàn)狀關(guān)洪 北京大學(xué)出版社從X射線到夸克埃米里奧賽格雷 上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社 近代物理學(xué)基礎(chǔ) 上下冊(cè)R.T. Weidner R.L. Sells 高等教育出版社第2頁，共18頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)54分，星期三第一章 引言經(jīng)典物理學(xué)和近代物理經(jīng)典物理學(xué)三大理論體系機(jī)械運(yùn)動(dòng)牛頓定律 熱運(yùn)動(dòng)熱力學(xué)與經(jīng)典統(tǒng)計(jì)物理電磁場運(yùn)動(dòng)麥克斯韋經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)近代物理的兩大支柱 狹義相對(duì)論和量子力學(xué)，諸多分支：原子物理、原子核物理、固體物理等 第3頁

2、，共18頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)54分，星期三經(jīng)典物理的輝煌牛頓力學(xué)建立后，被順利地推廣到剛體和流體。到了19世紀(jì)，熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)和電動(dòng)力學(xué)也建立起來了。古典物理學(xué)在科學(xué)與技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，取得了巨大的成功。1846年海王星的發(fā)現(xiàn)又完全證實(shí)了根據(jù)牛頓理論所作出的預(yù)言。19世紀(jì)40年代能量守恒定律的發(fā)現(xiàn)，揭示了各種物質(zhì)運(yùn)動(dòng)形式之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，從而把力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、化學(xué)等聯(lián)系在一起。牛頓力學(xué)成為各門科學(xué)的理論基礎(chǔ)，這樣，大至日月星辰、小到原子分子，似乎無不被牛頓體系所包羅。大部分人認(rèn)為，物理學(xué)大廈已經(jīng)最終建成，剩下的工作只是把物理常數(shù)的測(cè)量弄得再準(zhǔn)確一些。第4頁，共18

3、頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)54分，星期三經(jīng)典物理學(xué)的危機(jī)開始于“兩朵烏云”：邁克耳遜-莫雷（以太漂移）實(shí)驗(yàn)和黑體輻射 以太漂移實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果 對(duì)比熱和熱輻射定律研究中出現(xiàn)了“紫外災(zāi)難”蔓延于“烏云密布”輻射的量子性質(zhì)問題，如黑體輻射、光電效應(yīng)原子的內(nèi)部問題：如原子光譜、X射線、X粒子散射等第5頁，共18頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)54分，星期三近代物理的發(fā)展得益于原子物理的研究“原子物理的研究和發(fā)展為量子力學(xué)的誕生和發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，反過來，原子與分子物理、化學(xué)性質(zhì)的詮釋卻完全依賴于量子力學(xué)的概念和理論?！钡?頁，共18頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)54分，星期三原子論的歷

4、史和現(xiàn)狀古代原子論思想八卦：天、地、雷、風(fēng)、水、火、山、澤五行：金、木、水、火、土古希臘：比泰戈拉數(shù) 柏拉圖三角形種子論和原子論種子論阿那克薩戈拉”各種種子的同類組合和拆分”原子論留基伯、德謨克利特”宏觀性質(zhì)由原子復(fù)合而成，原子堅(jiān)固不可分”伊壁鳩魯盧克萊修第7頁，共18頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)54分，星期三近代原子論伽利略公開贊同原子論法國迦森迪重申原子學(xué)說，但納入“上帝創(chuàng)造原子”的宗教色彩靜態(tài)原子模型對(duì)物質(zhì)性質(zhì)給出合理解釋玻意耳定律羊毛理論牛頓微粒間的排斥力反比于距離（原子的永恒性歸因于上帝）“熱質(zhì)說”和動(dòng)態(tài)氣體模型伯努利：原子運(yùn)動(dòng)，遇到障礙發(fā)生碰撞第8頁，共18頁，2022年，5

5、月20日，18點(diǎn)54分，星期三從氣體動(dòng)力學(xué)到統(tǒng)計(jì)物理學(xué)英國赫拉帕斯“熱來源自各個(gè)原子固有的運(yùn)動(dòng)，并且正比于各自的動(dòng)量”英國瓦特斯頓：“由運(yùn)動(dòng)粒子組成的氣體的壓強(qiáng)正比于其密度乘以速度的平方”、“氣體溫度的增加正比于分子動(dòng)能的增加”等 瑞利、“焦耳、克倫尼?！钡聡藙谛匏梗阂脙扇说某晒?，考慮氣體分子以各種可能的不同方向互相碰撞以及同器壁碰撞，計(jì)算出平均的效應(yīng)，首次統(tǒng)計(jì)計(jì)算出其他壓強(qiáng)公式。 并引入自由程概念麥克斯韋：導(dǎo)出分子速度的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律波爾茲曼：把麥克斯韋分布函數(shù)因子加上勢(shì)能項(xiàng)；同時(shí)推出熱力學(xué)量和統(tǒng)計(jì)概率相聯(lián)系的等式第9頁，共18頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)54分，星期三進(jìn)入原子內(nèi)部1

6、897年，湯姆遜發(fā)現(xiàn)、確定電子為一種新微粒，之前：法拉第觀測(cè)低壓氣體放電陰極射線：原子得失電荷只能是基本單元的整數(shù)倍；以太的激蕩或者一種新的輻射。法國南希大學(xué)布隆德洛 N射線 美國伍德打假洛侖茲力、塞曼和拉莫爾e/m比值 湯姆遜成果密立根1906-1916，精確測(cè)定了電子的電荷第10頁，共18頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)54分，星期三放射性的發(fā)現(xiàn)1895，倫琴射線發(fā)現(xiàn)1912年勞埃測(cè)定了X射線的波長X射線從何而來？貝克勒耳通過熒光材料驗(yàn)證（硫酸鈾銑鉀）：意外收獲”鈾射線”居里夫人：鈾、釷、釙、鐳盧瑟福在鈾射線中發(fā)現(xiàn)了射線和射線。維拉德發(fā)現(xiàn)射線推翻了原子永恒不變的傳統(tǒng)觀念！同時(shí)也帶來了“發(fā)

7、射性能量從何而來” 的困惑！經(jīng)典理論解釋的無力，終于讓科學(xué)家們尋找新的理論第11頁，共18頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)54分，星期三因果關(guān)系（決定論）粒子概念和波動(dòng)概念概率連續(xù)性和量子化第12頁，共18頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)54分，星期三物理學(xué)理論的適用范圍速度和尺寸是選用不同理論的依據(jù)各種理論之間沒有明確的界限存在現(xiàn)有理論的盲區(qū)第13頁，共18頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)54分，星期三預(yù)備知識(shí)（1）對(duì)應(yīng)原理1923年玻爾提出：物理學(xué)上任何一種新理論，不論它的特性或細(xì)節(jié)如何，當(dāng)把它應(yīng)用于普遍性較小的理論所適用的情況時(shí)，這種新理論必定可化為與它相對(duì)應(yīng)的已牢固確立的經(jīng)典理論

8、。這就是說可把舊的有局限的理論視為新的一般的理論的一個(gè)特殊近似！第14頁，共18頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)54分，星期三幾何光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)幾何光學(xué)能夠解釋光的直線傳播、反射和折射；波動(dòng)光學(xué)除此之外還能夠解釋干涉和衍射，但也不是全部，有的還要用電磁輻射的量子論。單色光通過單狹縫時(shí)的光強(qiáng)分布第15頁，共18頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)54分，星期三經(jīng)典物理學(xué)對(duì)粒子和波動(dòng)的描述討論最簡單的波形式正弦波表明電磁波在一切可能時(shí)刻t擴(kuò)展到一切可能的X值處。一個(gè)理想的波，其波長和頻率是可以無限準(zhǔn)確的知道的。這種波不會(huì)局限在空間任何一個(gè)有限位置，而相反，它必然沿著它的傳播方向無限擴(kuò)展。如果要測(cè)量并無誤的知道波的頻率，那么這波必然是無限的。？第16頁，共18頁，2022年，5月20日，18點(diǎn)54分，星期三證明設(shè)有一標(biāo)準(zhǔn)鐘，假定它是產(chǎn)生波的振蕩器，以它產(chǎn)生的波的頻率與某入射波的頻率比較。通過讓兩列波產(chǎn)生拍來確定入射波的頻率。如果標(biāo)準(zhǔn)鐘的頻率和入射波頻率相等，則沒有拍出現(xiàn)。但是要完全肯定沒有拍現(xiàn)象出現(xiàn)，必須觀察無限長時(shí)間才行，而此時(shí)所測(cè)量的波已經(jīng)在空間無限擴(kuò)展。設(shè)標(biāo)準(zhǔn)鐘頻率為1,在有限時(shí)間t內(nèi)觀測(cè)拍頻 2。只有當(dāng)拍的周期等于或小于t時(shí)才能確信t時(shí)間內(nèi)觀察到一個(gè)完整的拍。即有：誤差方程： t時(shí)間內(nèi)波傳播的距離第17頁，共18頁，20