物理學(xué)專業(yè)前沿講座課件

學(xué)時(shí)：36

物理學(xué)講座2022/11/15學(xué)時(shí)：36物理學(xué)講座2022/11/111前言物理學(xué)與核技術(shù)物理學(xué)和粒子物理物理學(xué)與宇宙學(xué)物理學(xué)和激光技術(shù)與工程物理學(xué)與量子技術(shù)內(nèi)容2022/11/15前言內(nèi)容2022/11/112前言技術(shù)源于生產(chǎn)活動(dòng)、生活經(jīng)驗(yàn)技術(shù)的物質(zhì)形式：工具在人類歷史上，技術(shù)的出現(xiàn)先于科學(xué)。

科學(xué)從技術(shù)的探索與運(yùn)用中誕生2022/11/15前言技術(shù)源于生產(chǎn)活動(dòng)、生活經(jīng)驗(yàn)在人類歷史上，技術(shù)的出3前言

科學(xué)知識(shí)的源泉：一是由于生產(chǎn)發(fā)展的需要二是人類對(duì)客觀世界的好奇心和求知的興趣感性認(rèn)識(shí)理性認(rèn)識(shí)思考自然界內(nèi)在的規(guī)律觀察分析歸納2022/11/15前言科學(xué)知識(shí)的源泉：感性認(rèn)識(shí)理性認(rèn)識(shí)思考自然界內(nèi)在的規(guī)4前言科學(xué)（首先是物理科學(xué)）的革命，引發(fā)了生產(chǎn)技術(shù)的革命，使人們對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)、應(yīng)用科學(xué)、工程技術(shù)和生產(chǎn)活動(dòng)的關(guān)系，有了新的感受和認(rèn)識(shí)。哥白尼19世紀(jì)17世紀(jì)16世紀(jì)愛因斯坦麥克斯韋牛頓20世紀(jì)科學(xué)獨(dú)立存在有了完整的體系2022/11/15前言科學(xué)（首先是物理科學(xué)）的革命，引發(fā)了生產(chǎn)技術(shù)的革命，使5前言

物理學(xué)與科學(xué)技術(shù)：互相促進(jìn)、攜手并進(jìn)、相互滲透；與哲學(xué)、社會(huì)科學(xué)密切相關(guān)，共同推動(dòng)著經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展；從生產(chǎn)方式、生活方式與思想觀念上改變了人類文明的進(jìn)程。2022/11/15前言物理學(xué)與科學(xué)技術(shù)：2022/11/116前言物理學(xué)：對(duì)許多工程技術(shù)領(lǐng)域的開創(chuàng)起著先導(dǎo)、引領(lǐng)的作用；工程技術(shù)：直接地創(chuàng)造生產(chǎn)力，反過來開拓、深化了物理學(xué)研究的疆域，并為之提供了豐富精致的環(huán)境條件和研究手段。在現(xiàn)代社會(huì)進(jìn)步的歷程中，物理學(xué)和工程技術(shù)之間存在緊密的相互聯(lián)系和深刻的相互作用。2022/11/15前言物理學(xué)：在現(xiàn)代社會(huì)進(jìn)步的歷程中，物理學(xué)和工程技術(shù)20227一、物理學(xué)與核技術(shù)田灣核電站2022/11/15一、物理學(xué)與核技術(shù)田灣核電站2022/11/118原子核物理學(xué)的新發(fā)現(xiàn)是核工程技術(shù)的基礎(chǔ)與先導(dǎo)

19世紀(jì)末，相繼發(fā)現(xiàn)了放射性、原子光譜、X射線、和電子

1911年盧瑟福提出了原子的核式模型，但存在困難，需要改造

1913年玻爾完善原子結(jié)構(gòu)理論:1）定態(tài)假設(shè)；2）量子化假設(shè)；3）躍遷假設(shè)1905年愛因斯坦提出了相對(duì)性理論；提出了四維時(shí)空的新概念;提出了質(zhì)能關(guān)系及其著名表達(dá)式E=mc2

2022/11/15原子核物理學(xué)的新發(fā)現(xiàn)是核工程技術(shù)的基礎(chǔ)與先導(dǎo)19世紀(jì)末，相9原子原子核+核外電子核衰變?chǔ)了プ儲(chǔ)滤プ?/p>

衰變一、原子核衰變2022/11/15原子原子核+核外電子核衰變?chǔ)了プ円?、原子核衰?022/110例如，一個(gè)鈾核衰變成釷核的方程是

α衰變：α衰變是指某種原子核（稱為母核）因自發(fā)放射粒子（）而轉(zhuǎn)變成新核（稱為子核）的過程。其衰變模式為

特點(diǎn)：1）質(zhì)量數(shù)大于140

2）α粒子能量不連續(xù)，核內(nèi)能量量子化2022/11/15例如，一個(gè)鈾核衰變成釷核的方程是α衰變：α衰變是指某種原11例如，一個(gè)鉀核衰變成鈣核的方程是

β

衰變：原子核通過自發(fā)放射粒子而完成的衰變過程特點(diǎn)：1）出射電子的能量連續(xù)

2）相當(dāng)于核中的中子轉(zhuǎn)變成質(zhì)子2022/11/15例如，一個(gè)鉀核衰變成鈣核的方程是β衰變：原子核通過自12β衰變連續(xù)能譜2022/11/15β衰變連續(xù)能譜2022/11/1113例如，鉈核發(fā)生的衰變

衰變：處于激發(fā)態(tài)的原子核因發(fā)生躍遷而釋放出光子的過程

特點(diǎn)：1）出射光子的能量分立

2）核內(nèi)部能量非連續(xù)2022/11/15例如，鉈核發(fā)生的衰變衰變：處于激發(fā)態(tài)的原子核因發(fā)生躍14放射性:然放射性、人工放射性天然放射性元素的原子序數(shù)都大于81，并依次形成三個(gè)質(zhì)量數(shù)分別為4n、4n+2和4n+3的放射系，即釷(Th)系、鈾(U)系和錒(Ac)系。唯有在人工放射條件下，才能見到質(zhì)量數(shù)是4n+1的镎(Np)放射系，原因是該系各原子核衰變得較快，以致無法長期存在。

2022/11/15放射性:然放射性、人工放射性天然放射性元素的原子序數(shù)都大于15二、衰變速率盧瑟福最早發(fā)現(xiàn)，釷元素放射強(qiáng)度大約1分鐘減弱為原來的1/2，而在2分鐘和3分鐘之內(nèi)依次降低到原來的1/4與1/8；直至按時(shí)間平方反比規(guī)律衰減2022/11/15二、衰變速率盧瑟福最早發(fā)現(xiàn)，釷元素放射強(qiáng)度大約1分鐘減弱為原16衰變關(guān)系半衰期衰變規(guī)律總壽命平均壽命2022/11/15衰變關(guān)系半衰期衰變規(guī)律總壽命平均壽命2022/11/1117核物質(zhì)的放射強(qiáng)度由該物質(zhì)的放射性活度——單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的核的數(shù)量表示放射性活度的單位為居里（Ci）在我國放射性活度的法定單位是貝可勒爾(Bq)表示每秒衰變一次的計(jì)量

2022/11/15核物質(zhì)的放射強(qiáng)度由該物質(zhì)的放射性活度——單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生衰變的18三、原子核的組成

1)由氫的原子核——質(zhì)子組成2）由質(zhì)子和電子組成3）由質(zhì)子與一種中性粒子——中子組成

1919年，盧瑟福提出中子概念1932年，查德威克發(fā)現(xiàn)中子

2022/11/15三、原子核的組成1)由氫的原子核——質(zhì)子組成2022/19海森堡率先提出，質(zhì)子和中子可以通過交換電子而結(jié)合成原子核，其理論后果是導(dǎo)致相互作用的粒子交換機(jī)制，成為現(xiàn)代場(chǎng)論的思想基礎(chǔ)。電子與核子的性質(zhì)內(nèi)稟性質(zhì)電子質(zhì)子中子電荷(e)-e+e0質(zhì)量(MeV/c2)0.5110938.27231939.56563自旋1/21/21/2平均壽命>1031a20s2022/11/15海森堡率先提出，質(zhì)子和中子可以通過交換電子而結(jié)合成原子核20原子核通常用符號(hào)表示，其中，具有相同質(zhì)子數(shù)與相同中子數(shù)的核稱為同種核素，而具有相同質(zhì)子數(shù)與不同中子數(shù)，以及具有不同質(zhì)子數(shù)與相同質(zhì)量數(shù)的核則分別被稱為同位素（如氫元素有三種同位素：、和）和同量異位素（如和等）。、

2022/11/15原子核通常用符號(hào)表示，其中，具有相同21四、原子核的基本性質(zhì)

1）原子核的電荷

+Ze

天然存在的原子核Z<95钚

A=241，242，2442）原子核的質(zhì)量

一個(gè)原子質(zhì)量單位

2022/11/15四、原子核的基本性質(zhì)1）原子核的電荷2）原子核的質(zhì)量2022例如，氧核的質(zhì)量為鉀核的質(zhì)量為質(zhì)子和中子的質(zhì)量可分別表示為

當(dāng)采用原子質(zhì)量單位計(jì)量時(shí)，各原子核的質(zhì)量都非常接近于整數(shù)，因此原子的質(zhì)量數(shù)通常取整數(shù)。

2022/11/15例如，氧核的質(zhì)量為2022/11/11233）原子核的半徑

實(shí)驗(yàn)表明，原子核的形狀大都為球形且沒有明顯的邊界，因而只能用統(tǒng)計(jì)意義上的區(qū)域半徑來表示其尺度大小，即在這個(gè)半徑以內(nèi)核物質(zhì)存在的幾率很大，而一旦超過這個(gè)半徑結(jié)果會(huì)迅速下降為零。目前，通過電子散射方法測(cè)定的核半徑與其質(zhì)量數(shù)的立方根成正比，2022/11/153）原子核的半徑，2022/11/1124或者說核體積同質(zhì)量數(shù)成正比例如，的半徑僅有

核物質(zhì)密度基本保持一致，即有

2022/11/15或者說核體積同質(zhì)量數(shù)成正比例如，的半徑僅有核物254）原子核的自旋

原子核的自旋應(yīng)當(dāng)由其內(nèi)部核子的自旋角動(dòng)量以及軌道角動(dòng)量共同組成，是原子核內(nèi)稟特性的一種直接反映實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，所有偶偶核（擁有偶數(shù)個(gè)質(zhì)子和中子）的核自旋均為零，而所有奇奇核（擁有奇數(shù)個(gè)質(zhì)子和中子）以及所有奇偶核（擁有奇數(shù)個(gè)核子）的核自旋則分別為整數(shù)和半整數(shù)。2022/11/154）原子核的自旋實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，所有偶偶核（擁有偶數(shù)個(gè)質(zhì)子265）原子核內(nèi)的核力

核力是指廣泛存在于核子之間，并足以克服庫侖斥力而最終促使核子結(jié)合成核的吸引作用。這種作用最早出自海森堡提出的粒子交換概念，但它的有效機(jī)制是由日本物理學(xué)家湯川秀樹揭示出來的。1935年湯川秀樹指出，核力在本質(zhì)上是一種介子（因質(zhì)量介于電子與質(zhì)子之間而得名）交換作用，其交換力程為2022/11/155）原子核內(nèi)的核力2022/11/1127力程應(yīng)當(dāng)?shù)扔诮樽佑腥N帶電狀態(tài)，即帶有正電和負(fù)電的以及不帶電的介子的2022/11/15力程應(yīng)當(dāng)?shù)扔诮樽佑腥N帶電狀態(tài)，即帶有正電和負(fù)電的28核子交換介子的作用圖像2022/11/15核子交換介子的作用圖像2022/11/1129核力的基本特征：（1）屬于強(qiáng)作用，是電磁作用強(qiáng)度的100多倍；（2）為短程力，其有效力程大約僅有；（2）與電荷無關(guān)，即不同核子間的核力基本相同，從而表現(xiàn)出與電荷無關(guān)的性質(zhì)；（3）具有飽和性，即每個(gè)核子只能與鄰近的核子發(fā)生核力作用，因?yàn)槿绻俣ú皇沁@樣，那么質(zhì)量數(shù)越大的核，其核力作用也會(huì)越強(qiáng)，結(jié)果就必然導(dǎo)致核密度的增加。2022/11/15核力的基本特征：（1）屬于強(qiáng)作用，是電磁作用強(qiáng)度的1305）原子核的結(jié)合能

實(shí)驗(yàn)表明，所有原子核（除氕核外）的質(zhì)量總要略小于其內(nèi)部核子的質(zhì)量之和，即從而造成所謂的質(zhì)量虧損2022/11/155）原子核的結(jié)合能從而造成所謂的質(zhì)量虧損2022/11/31虧損質(zhì)量對(duì)應(yīng)著相對(duì)論能量例如，氘核的質(zhì)量其質(zhì)量虧損是對(duì)應(yīng)的結(jié)合能2022/11/15虧損質(zhì)量對(duì)應(yīng)著相對(duì)論能量例如，氘核的質(zhì)量對(duì)應(yīng)的結(jié)合能232平均結(jié)合能——比結(jié)合能——代表了拆散原子核時(shí)所必須對(duì)每個(gè)核子付出的能量擁有更大比結(jié)合能的原子核其狀態(tài)會(huì)更加穩(wěn)定；反之，則穩(wěn)定性較差2022/11/15平均結(jié)合能——比結(jié)合能——代表了拆散原子核時(shí)所必須對(duì)每33比結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)的分布曲線2022/11/15比結(jié)合能隨質(zhì)量數(shù)的分布曲線2022/11/1134一些核素的結(jié)合能和比結(jié)合能（單位）核素結(jié)合能比結(jié)合能核素結(jié)合能比結(jié)合能12H2.2241.112917F128.227.5423He7.7182.573919F147.807.7824He28.307.072040Ca342.058.5536Li31.995.332656Fe492.38.7937Li39.245.6147107Ag915.28.55612C92.167.6854129Xe1087.68.43714N104.667.4854131Xe1103.58.42715N115.497.7054132Xe1112.48.43815O111.957.4682208Pb1636.47.87816O127.617.9892235U1783.87.59817O131.767.7592238U1801.67.572022/11/15一些核素的結(jié)合能和比結(jié)合能（單位）核素結(jié)351．核反應(yīng)分類本質(zhì)上,核反應(yīng)是一種受激衰變過程，要促使一個(gè)原子核發(fā)生反應(yīng)，就必須用其他核或粒子去盡可能地接近它，以便在核力作用范圍內(nèi)引起其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)。例如，歷史上第一個(gè)人工核反應(yīng)(1919年盧瑟福)

五、原子核反應(yīng)

第一個(gè)在加速器上實(shí)現(xiàn)的核反應(yīng)

2022/11/151．核反應(yīng)分類五、原子核反應(yīng)第一個(gè)在加速器上實(shí)現(xiàn)的核反應(yīng)36

目前，人們掌握和認(rèn)識(shí)的核反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到上千種，并且這些反應(yīng)可以一般地寫作如下形式

A+a=B+b

A、a分別表示靶核和入射粒子，B、b分別代表剩余核和出射粒子。2022/11/152022/11/1137核反應(yīng)總體上可按如下幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)劃分1）靶核質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)靶核質(zhì)量數(shù)A的大小對(duì)核反應(yīng)進(jìn)行分類，也即以、和三個(gè)區(qū)間段，將核反應(yīng)區(qū)分為輕核反應(yīng)、中等核反應(yīng)與重核反應(yīng)。2)入射粒子能量標(biāo)準(zhǔn)如果以入射粒子的能量水平為區(qū)分，核反應(yīng)的表現(xiàn)大致不外乎低能、中能以及高能反應(yīng)等三種類型。2022/11/15核反應(yīng)總體上可按如下幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)劃分2022/11/1138

其中，入射粒子能量在140Mev之下的為低能核反應(yīng)，它最多僅能產(chǎn)生3至4個(gè)出射粒子，而能量在140MeV到1Gev之間的中能核反應(yīng)則可以使靶核散裂成許多碎片，唯有能量達(dá)到1GeV之上的高能核反應(yīng)，才有機(jī)會(huì)產(chǎn)生出質(zhì)量更大的介子。3)入射粒子類型標(biāo)準(zhǔn)從入射粒子的種類入手，人們通常會(huì)將核反應(yīng)劃分為中子核反應(yīng)、帶電粒子核反應(yīng)，以及光核反應(yīng)等基本類型，它們分別對(duì)應(yīng)著入射粒子為中子、帶電粒子和光子的核反應(yīng)。此外，如果以出入射粒子的相同與否相區(qū)分，則核反應(yīng)還會(huì)表現(xiàn)為散射與轉(zhuǎn)變過程。2022/11/15其中，入射粒子能量在140Mev之下的為低能核反應(yīng)，392.原子核的裂變與聚變*反應(yīng)能

Q>0，Q<0的反應(yīng)分別稱為放能與吸能反應(yīng)，其中而人們最關(guān)注的是原子核的裂變與聚變反應(yīng)。

1）核裂變從概念上講，核裂變是指一個(gè)重核分裂為若干中等質(zhì)量核的過程，它包括自發(fā)裂變與誘發(fā)裂變兩種類型。2022/11/152.原子核的裂變與聚變2022/11/1140其中，自發(fā)裂變意指原子核在未受其他粒子轟擊是所自發(fā)產(chǎn)生的裂變，而誘發(fā)裂變則對(duì)應(yīng)著重核在遭受外部轟擊下所進(jìn)行的裂變反應(yīng)。由于中等核的比結(jié)合能比重核要大，結(jié)果使得裂變過程不僅能夠產(chǎn)生能量，同時(shí)還表現(xiàn)出了驚人的產(chǎn)能效率。例如，一次裂變所釋放出的能量可以高達(dá)百兆電子伏以上，為化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)能率的上千萬倍。1938年哈恩和史特斯曼發(fā)現(xiàn)中子轟擊鈾核的裂變現(xiàn)象2022/11/15其中，自發(fā)裂變意指原子核在未受其他粒子轟擊是所自發(fā)產(chǎn)生41意大利物理學(xué)家費(fèi)米敏銳地注意到這一反應(yīng)的價(jià)值，他進(jìn)而推測(cè)指出，如果在裂變的產(chǎn)物中出現(xiàn)中子，那它就有可能誘發(fā)出新的反應(yīng)，從而使整個(gè)反應(yīng)以連鎖形式不斷進(jìn)行，直至在反應(yīng)進(jìn)程及能量釋放方面出現(xiàn)一種可怕的失控狀態(tài)——核爆炸。2022/11/152022/11/11422022/11/152022/11/11432）核聚變與裂變反應(yīng)的方向相反，在自然界中還存在著一種由輕原子核聚合成較重原子核的核聚變反應(yīng)，簡(jiǎn)稱核聚變。在聚變過程中，由于參與反應(yīng)的輕微原子核擁有更小的比結(jié)合能，因此當(dāng)它們聚合生成較重原子核時(shí)就會(huì)釋放出更大的能量。典型反應(yīng)例如2022/11/152）核聚變與裂變反應(yīng)的方向相反，在自然界中還存在著一種由輕44

等價(jià)于目前實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)的方式有引力約束、磁約束與慣性約束機(jī)制2022/11/152022/11/1145被寄予厚望的磁約束聚變反應(yīng)裝置——托克馬克環(huán)流器（Tokamak）2022/11/15被寄予厚望的磁約束聚變反應(yīng)裝置——托克馬克環(huán)流器（To46慣性約束機(jī)制2022/11/15慣性約束機(jī)制2022/11/1147對(duì)核結(jié)構(gòu)和質(zhì)量的研究，使人們認(rèn)識(shí)到原子核結(jié)合能隨原子量變化的規(guī)律：一個(gè)重核分裂成兩個(gè)中等質(zhì)量的核時(shí)，會(huì)釋放能量；某些輕核聚合成重核時(shí)將釋放比前者大4倍以上的能量；E=ΔMC2ΔM----質(zhì)量虧損。原子核物理學(xué)的新發(fā)現(xiàn)是核技術(shù)的基礎(chǔ)與先導(dǎo)

2022/11/15對(duì)核結(jié)構(gòu)和質(zhì)量的研究，使人們認(rèn)識(shí)到原子核結(jié)合能隨原子量變化的48原子核物理的發(fā)現(xiàn)，奠定了裂變核能與聚變核能應(yīng)用的基礎(chǔ)。核能應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)還必須進(jìn)一步解決一系列應(yīng)用物理學(xué)和工程技術(shù)上的問題。

原子核物理學(xué)的新發(fā)現(xiàn)是核工程技術(shù)的基礎(chǔ)與先導(dǎo)

E=MC22022/11/15原子核物理的發(fā)現(xiàn)，奠定了裂變核能與聚變核能應(yīng)用的基礎(chǔ)。原子核49核武器與核能

1)

核裂變能（原子能）被用來制造原子彈時(shí)，必須突破諸多的關(guān)鍵問題：

可裂變材料的選取和制備；確定實(shí)現(xiàn)鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)所必須的裂變物質(zhì)的最小體積（臨界體積）或臨界質(zhì)量；達(dá)到臨界與裂變點(diǎn)火的技術(shù)途徑；2022/11/15核武器與核能1)核裂變能（原子能）被用來制造原子彈時(shí)，必50核武器與核能

高能炸藥研究，爆轟物理規(guī)律及其精確的時(shí)空控制；將流體力學(xué)，中子核物理等耦合在一起的全過程數(shù)值模擬，整套物理參數(shù)；核部件與非核部件的加工，材料相容性研究及結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)；核試驗(yàn)的方法，核試驗(yàn)診斷理論與測(cè)試技術(shù)等。2022/11/15核武器與核能高能炸藥研究，爆轟物理規(guī)律及其精確的時(shí)空控制；51核武器與核能

2)核聚變放能是氫彈的物理基礎(chǔ)。制造氫彈必須創(chuàng)造性地解決一系列問題：必要的熱核燃料（如氘和氚或鋰等）的制備；如何利用原子彈爆炸的能量產(chǎn)生高溫、高壓來點(diǎn)燃聚變材料，并使之自持燃燒；氫彈2022/11/15核武器與核能2)核聚變放能是氫彈的物理基礎(chǔ)。制造氫彈必須52核武器與核能掌握輻射輸運(yùn)的規(guī)律、輻射流體力學(xué)及高溫高密度等離子體物理、狀態(tài)方程、高剝離度原子參數(shù)；利用適當(dāng)?shù)牟牧虾颓擅畹臉?gòu)形實(shí)現(xiàn)熱核爆炸；特殊效應(yīng)的核武器（如中子彈等）還需進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)等。2022/11/15核武器與核能掌握輻射輸運(yùn)的規(guī)律、輻射流體力學(xué)及高溫高密度等53核武器與核能

問題的解決是物理工作和工程技術(shù)緊密交叉結(jié)合的過程：如,核爆炸的物理診斷學(xué)，就是為了弄清核武器爆炸后快速而復(fù)雜的物理過程、各種物理量隨時(shí)、空的變化規(guī)律，從而做到不僅知其然，而且知其所以然。有意思的是，幾個(gè)核國家突破氫彈的工作是“英雄所見略同”。

兩個(gè)太陽2022/11/15核武器與核能問題的解決是物理工作和工程技術(shù)緊密交叉結(jié)合的過54核武器與核能

3）明智的人類把核能用于和平目的，作為潔凈的能源?；诤肆炎兎磻?yīng)堆的核電站由核島和常規(guī)島構(gòu)成在核島內(nèi)要使核能以可控的、安全的、長期持續(xù)的形式釋放出來；通過常規(guī)島轉(zhuǎn)換成電能供人使用。2022/11/15核武器與核能3）明智的人類把核能用于和平目的，作為潔凈的能55核武器與核能

在核燃料的選擇、制備、控制方法、結(jié)構(gòu)和安全設(shè)計(jì)等方面需解決一系列的工程、技術(shù)問題。2022/11/15核武器與核能在核燃料的選擇、制備、控制方法、結(jié)構(gòu)和安全設(shè)計(jì)56核武器與核能

基于核聚變反應(yīng)堆的聚變電站是解決人類未來能源問題的一個(gè)希望。要實(shí)現(xiàn)熱核燃料的“點(diǎn)火”，并有凈能量輸出；必須控制熱核聚變反應(yīng)的速率；是一項(xiàng)有難度的大科學(xué)工程；目前處于前期實(shí)驗(yàn)研究階段。2022/11/15核武器與核能基于核聚變反應(yīng)堆的聚變電站57核工程技術(shù)的發(fā)展深化著物理學(xué)的研究

核爆炸的物理環(huán)境：瞬時(shí)的快變的高溫高密度等離子體和混合輻射場(chǎng)。揭示了高溫高密度等離子體的某些特有規(guī)律，如非平衡燃燒需用“三溫方程”描述。輻射場(chǎng)本身也可能是非平衡的。2022/11/15核工程技術(shù)的發(fā)展深化著物理學(xué)的研究核爆炸的物理環(huán)境58核工程技術(shù)的發(fā)展深化著物理學(xué)的研究

再如，一般情況下，可用線性的波爾茲曼方程來描述中子輸運(yùn)過程；但在發(fā)生劇烈熱核聚變的區(qū)域和時(shí)間內(nèi)，中子之間的碰撞已不可忽略，于是提出了非線性中子輸運(yùn)方程及其解法。

2022/11/15核工程技術(shù)的發(fā)展深化著物理學(xué)的研究再如，2022/59

核武器物理和工程發(fā)展的過程中，形成了一個(gè)新興的交叉學(xué)科——高能量密度物理學(xué)。廣義地，“高能量密度”是指能量超過1011J/m3，或壓力超過1兆巴，溫度超過400ev，電磁波強(qiáng)度超過3×1015w/cm2的物質(zhì)狀態(tài)；在核武器物理領(lǐng)域，“高能量密度”特指溫度超過103ev，壓力超過107atm，高密度的物質(zhì)狀態(tài)。核工程技術(shù)的發(fā)展深化著物理學(xué)的研究

2022/11/15核武器物理和工程發(fā)展的過程中，形成了一60核工程技術(shù)的發(fā)展深化著物理學(xué)的研究

進(jìn)行高能量密度物理研究的裝置包括：激光慣性約束聚變裝置基于脈沖功率技術(shù)的Z箍縮裝置長脈沖（μs）功率裝置（如美國的Atlas）等神光II裝置2022/11/15核工程技術(shù)的發(fā)展深化著物理學(xué)的研究進(jìn)行高能量密度物理研61核技術(shù)的發(fā)展深化著物理學(xué)的研究

研究的內(nèi)容包括：材料特性可壓縮流體動(dòng)力學(xué)輻射流體動(dòng)力學(xué)核聚變物理天體物理等。是以大科學(xué)工程為手段研究基礎(chǔ)物理學(xué)2022/11/15核技術(shù)的發(fā)展深化著物理學(xué)的研究研究的內(nèi)容包括：是以大62核工程技術(shù)的發(fā)展深化著物理學(xué)的研究可見：

物理學(xué)引領(lǐng)工程技術(shù)生產(chǎn)力反哺物理學(xué)工程技術(shù)2022/11/15核工程技術(shù)的發(fā)展深化著物理學(xué)的研究生產(chǎn)力反哺物理學(xué)工程技術(shù)263一、原子核的基本性質(zhì)1.原子核的電荷

莫塞萊（H.G.J.Moseley）定律X射線的特征頻率v2.原子核的質(zhì)量

A=Z+N3.原子核的半徑1）核力作用半徑2）電荷分布半徑

2022/11/15一、原子核的基本性質(zhì)1.原子核的電荷X射線的特征頻率v2.原644.原子核的自旋與磁矩5.原子核的結(jié)合能6.原子核的比結(jié)合能2022/11/154.原子核的自旋與磁矩5.原子核的結(jié)合能6.原子核的比結(jié)合能65比結(jié)合能曲線2022/11/15比結(jié)合能曲線2022/11/1166強(qiáng)相互作用力

2103牛頓短程力1fm

具有飽和性的交換力π介子與電荷無關(guān)與自旋有關(guān)自旋平行力大于反平行二、核力三、核模型液滴模型殼模型集體模型既考慮核子的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，又考慮形變、轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)等集體運(yùn)動(dòng)

2022/11/15強(qiáng)相互作用力2103牛頓二、核力三、核模型液滴67四、原子核的衰變及衰變規(guī)律α衰變

β衰變?chǔ)盟プ?022/11/15四、原子核的衰變及衰變規(guī)律α衰變2022/11/1168二、粒子物理和粒子探測(cè)

2022/11/15二、粒子物理和粒子探測(cè)2022/11/1169基本粒子的發(fā)現(xiàn)電子e-光子γ質(zhì)子p他質(zhì)量Q=+1,mp=938.3MeV

中子n質(zhì)量Q=0,mn=939.6MeV

2022/11/15基本粒子的發(fā)現(xiàn)電子e-2022/11/1170Dirac理論1928年相對(duì)論量子力學(xué)2022/11/15Dirac理論1928年相對(duì)論量子力學(xué)2022/11/1171正電子的發(fā)現(xiàn)1932年美國物理學(xué)家安德森發(fā)現(xiàn)高能光子穿過重原子核附近時(shí)可以轉(zhuǎn)化為一個(gè)電子和一個(gè)質(zhì)量與之相同且?guī)挝徽姾傻牧Ｗ?/p>

——正電子2022/11/15正電子的發(fā)現(xiàn)1932年美國物理學(xué)家安德森發(fā)現(xiàn)高能光子穿過重原72狄拉克理論的意義提出狄拉克海概念，使人們重新評(píng)價(jià)真空——真空不空不僅電子有反粒子，一切基本粒子都有其反粒子?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了這個(gè)想法，從1953年起人們又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子、反中子、反介子等一系列反粒子。正粒子與反粒子具有相同的質(zhì)量、自旋、壽命以及相反的電荷和磁矩等。按照正反物質(zhì)對(duì)稱的觀點(diǎn)，人們相信，在自然界中必然會(huì)存在反原子、反物質(zhì)、反天體，乃至反物質(zhì)世界。2022/11/15狄拉克理論的意義提出狄拉克海概念，使人們重新評(píng)價(jià)真空——真空73粒子的內(nèi)稟屬性全同性：粒子所表現(xiàn)出的一個(gè)最基本的特征就是全同性

質(zhì)量不同種粒子之間的差別主要反映在粒子的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)和相互作用性質(zhì)的不同，并通過一些特征物理量體現(xiàn)出來。所有粒子都有其自身確定的質(zhì)量，并與運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)（例如最重的Z0粒子，質(zhì)量為m=91.1882GeV，約為電子的178451倍）

2022/11/15粒子的內(nèi)稟屬性全同性：粒子所表現(xiàn)出的一個(gè)最基本的特征就是全同74壽命與寬度許多粒子都不穩(wěn)定，從而表現(xiàn)出一定的壽命τ(如τz

=2.643×10^-25s)，并且τ與粒子質(zhì)量分布寬度Γ之間滿足如下關(guān)系其中粒子衰變規(guī)律為電荷電荷量子化，其精度范圍1931年狄拉克指出存在磁單極g2022/11/15壽命與寬度許多粒子都不穩(wěn)定，從而表現(xiàn)出一定的壽命τ(如τz75自旋所有粒子都有確定的自旋角動(dòng)量，稱為粒子的自旋。粒子自旋角動(dòng)量可以由一個(gè)自旋量子數(shù)S來表示，其大小等于按照自旋可以將粒子分成兩類：一類是自旋量子數(shù)取整數(shù)（即s=0,1,2…）的玻色子；另一類是自旋量子數(shù)取半整數(shù)奇數(shù)倍（即s=1/2,3/2,5/3…）的費(fèi)米子同位旋

1932年海森堡提出同位旋概念，認(rèn)為與電子自旋的空間取向相似，中子與質(zhì)子也完全能夠視為是同一粒子的兩種取向狀態(tài)，只不過這種取向不是發(fā)生在常規(guī)的空間，而是在一種抽象的同位旋空間。同位旋概念與自旋概念的相似性，不僅表現(xiàn)在它們具有完全相同的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，而且也體現(xiàn)出相同守恒律，即同位旋守恒2022/11/15自旋所有粒子都有確定的自旋角動(dòng)量，稱為粒子的自旋。粒子自旋76和角動(dòng)量守恒，并且擁有相同的數(shù)學(xué)表述。在同位旋空間中，同位旋矢量的取向是量子化的,其量子數(shù)常以I表示

粒子電荷同位旋I同位旋分量I3p+11/2+1/2n01/2-1/2π++11+1π0010π--11-1Λ000Σ++11+1Σ0010Σ--11-12022/11/15和角動(dòng)量守恒，并且擁有相同的數(shù)學(xué)表述。在同位旋空間中，同位旋77基本相互作用對(duì)自然界各種作用過程的歸納與總結(jié)揭示出四種基本相互作用：引力作用、電磁作用、強(qiáng)作用以及弱作用。它們是造成自然界一切現(xiàn)象的根源，并且在不同空間范圍內(nèi)發(fā)揮作用。具體地說，引力和電磁作用是遵循平方反比規(guī)律的長程力，而強(qiáng)作用和弱作用則屬于衰減更快的短程力。正因?yàn)榇嬖诹Τ躺系牟顒e，人們很早就認(rèn)識(shí)到引力作用與電磁作用的存在，但強(qiáng)作用和弱作用只是在原子核物理發(fā)展之后才逐步被揭示出來。2022/11/15基本相互作用對(duì)自然界各種作用過程的歸納與總結(jié)揭示出四種基本相781）引力作用引力作用是存在于一切物體之間的一種長程吸引作用，也是目前已知四種作用中最弱的一種作用。在1687年牛頓在其出版的《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》一書中就已經(jīng)明確提出了萬有引力概念。牛頓引力理論雖然完成了運(yùn)動(dòng)在宏觀世界的統(tǒng)一，但它割裂了時(shí)間和空間的本質(zhì)聯(lián)系。只有等到時(shí)空一體的概念確立之后，愛因斯坦才從廣義相對(duì)論的等效原理出發(fā)，進(jìn)一步闡明了引力作用在本質(zhì)上的幾何意義。2022/11/151）引力作用引力作用是存在于一切物體之間的一種長程吸792）電磁作用作為一種帶電粒子間的長程作用，電磁作用不僅普遍存在于宏觀范圍，而且在微觀領(lǐng)域也同樣占有主導(dǎo)地位。例如，原子就是由電子與原子核結(jié)合成的電磁作用系統(tǒng)，而就其本質(zhì)而言，人們司空見慣的諸如摩擦力、彈力，以及流體的壓力與浮力等相互作用力，也無一不是源于物體內(nèi)部分子間的電磁作用。并且可以毫不夸張地說，電磁作用其實(shí)還是人們目前認(rèn)識(shí)得最為深刻和應(yīng)用最為廣泛的一種作用。2022/11/152）電磁作用作為一種帶電粒子間的長程作用，電磁作用不803）強(qiáng)作用正如我們此前已經(jīng)指出的那樣，強(qiáng)作用被認(rèn)為是將中子和質(zhì)子束縛組成原子核的力，這種力不但具有作用強(qiáng)度大和作用力程短的特點(diǎn)，同時(shí)還表現(xiàn)出了趨向平衡的性質(zhì)。這就是，在平衡距離以外強(qiáng)作用將以吸引為主，但在小距離處則會(huì)轉(zhuǎn)化為排斥趨勢(shì)。2022/11/153）強(qiáng)作用正如我們此前已經(jīng)指出的那樣，強(qiáng)作用被認(rèn)為是81

4）弱作用弱作用比強(qiáng)作用更弱，力程也更短，大約只有1×10-17m。弱作用的存在主要是制約衰變等一類放射性過程，例如誘發(fā)中子衰變的力量就是源于弱作用的結(jié)果。

2022/11/154）弱作用弱作用比強(qiáng)作用更弱，力程也更短，大約只有182四種基本相互作用的特征比較作用類型引力作用電磁作用強(qiáng)作用弱作用作用強(qiáng)度0．00730．15作用力程宏觀表現(xiàn)有有無無媒介粒子引力子光子介子，膠子粒子2022/11/15四種基本相互作用的特征比較引力作用電磁作用強(qiáng)作用弱作用作用83自然界中的四種基本相互作用，這些作用最終被歸結(jié)為一種所謂的粒子交換機(jī)制。其中，不同相互作用的區(qū)別就在于交換粒子的性質(zhì)不同，以及參與作用的粒子釋放和吸收媒介粒子的能力不同。相互作用雖然在性質(zhì)上表現(xiàn)出了巨大差異，但它們都有一個(gè)共同點(diǎn)，就是需要通過各自不同的媒介粒子場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)力的傳遞，并且通過場(chǎng)論機(jī)制而逐步走向統(tǒng)一。2022/11/15自然界中的四種基本相互作用，這些作用最終被歸結(jié)為一種所84粒子發(fā)現(xiàn)主要從宇宙射線以及加速粒子中尋找更多新粒子，直接導(dǎo)致了20世紀(jì)中后期一個(gè)粒子大發(fā)現(xiàn)?？偨Y(jié)起來，盡管粒子在性質(zhì)上表現(xiàn)得千差萬別，但從它們發(fā)生碰撞的碎片來看可大致劃分為三種類型：1）重子——包括質(zhì)子和中子在內(nèi)的一類質(zhì)量更重的費(fèi)米子；2）介子——包括介子在內(nèi)的一類質(zhì)量介于電子與質(zhì)子之間的玻色子，由于介子和重子都能參與強(qiáng)作用，故而合稱為強(qiáng)子；3）輕子——包括電子在內(nèi)的一類質(zhì)量較輕且不參與強(qiáng)作用的費(fèi)米子。2022/11/15粒子發(fā)現(xiàn)主要從宇宙射線以及加速粒子中尋找更多新粒子，直接導(dǎo)致85粒子的角動(dòng)量分類2022/11/15粒子的角動(dòng)量分類2022/11/1186角動(dòng)量的空間量子化2022/11/15角動(dòng)量的空間量子化2022/11/1187量子排斥效應(yīng)2022/11/15量子排斥效應(yīng)2022/11/1188部分粒子實(shí)例2022/11/15部分粒子實(shí)例2022/11/1189典型粒子的發(fā)現(xiàn)

1）正電子安德森19322022/11/15典型粒子的發(fā)現(xiàn)2022/11/1190正電子的產(chǎn)生圖像2022/11/15正電子的產(chǎn)生圖像2022/11/11911930趙忠堯研究高能γ射線2.6MeV的吸收規(guī)律，發(fā)現(xiàn)反常吸收，同時(shí)放出0.5MeV的各向同性的光子輻射——趙忠堯輻射2022/11/151930趙忠堯研究高能γ射線2.6MeV的吸收規(guī)律，發(fā)現(xiàn)反常922)π介子質(zhì)量是電子的二三百倍，要產(chǎn)生π介子需要幾百M(fèi)eV的能量，當(dāng)時(shí)的粒子加速條件只能從宇宙射線（高能質(zhì)子、α粒子、電子與各種原子核）中尋找，因?yàn)橛钪婢€在與大氣分子碰撞過程可以產(chǎn)生出π介子。1937年，安德森發(fā)現(xiàn)質(zhì)量為電子207倍μ子，有兩種帶電狀態(tài)，即μ±

μ=π？

μ與物質(zhì)的作用非常弱，很相電子，并且衰變2022/11/152)π介子2022/11/1193μ子衰變其平均壽命1948年，張文裕發(fā)現(xiàn)，μ子可以取得原子中的電子而形成μ原子，被原子核內(nèi)的質(zhì)子吸收（稱K吸收）后轉(zhuǎn)化為中子2022/11/15μ子衰變2022/11/1194并釋放出一個(gè)中微子由于μ原子中μ子更靠近核，以致形成屏蔽，，容易發(fā)生聚變——冷聚變?cè)摲磻?yīng)形成的徑跡是2022/11/15并釋放出一個(gè)中微子2022/11/11952022/11/152022/11/11962022/11/152022/11/1197

μ子不是π介子，而是π介子的衰變產(chǎn)物

1947年，鮑威爾用氣球?qū)⒃O(shè)備送到高空去紀(jì)錄宇宙線，發(fā)現(xiàn)

介子，壽命為幾乎與發(fā)現(xiàn)同時(shí)人們又發(fā)現(xiàn)了壽命為2022/11/15μ子不是π介子，而是π介子的衰變產(chǎn)物2022/11/1198中微子β衰變2022/11/15中微子2022/11/1199鎳的衰變2022/11/15鎳的衰變2022/11/111001942年，王淦昌設(shè)想用能動(dòng)量關(guān)系驗(yàn)證中微子的存在，因不β衰變?yōu)槿崴プ?，不宜確定，只能采用K俘獲2022/11/151942年，王淦昌設(shè)想用能動(dòng)量關(guān)系驗(yàn)證中微子的存在，因不β衰101王淦昌建議用Be做實(shí)驗(yàn)，同年阿倫完成實(shí)驗(yàn)，證明失去的動(dòng)量和能量剛好符合中微子的要求，是顯示中微子存在的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)。1956年，柯溫和萊茵斯用200公升水和370加侖的液體閃爍體在核反應(yīng)堆附近找到中微子存在的直接證據(jù)，其探測(cè)原理是：當(dāng)反中微子與水中質(zhì)子碰撞時(shí)會(huì)發(fā)生反應(yīng)2022/11/15王淦昌建議用Be做實(shí)驗(yàn)，同年阿倫完成實(shí)驗(yàn)，證明失去的動(dòng)量和能102由此放出的正電子經(jīng)過減速與電子湮滅，并轉(zhuǎn)化為光子。這些光子射入閃爍體后會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的符合信號(hào)——兩個(gè)閃爍同時(shí)記錄到光子信號(hào)。同時(shí)，作為反應(yīng)產(chǎn)物的中子也會(huì)經(jīng)多次碰撞被水中摻入的鎘(Cd)原子核吸收，直至最終產(chǎn)生若干光子，它們會(huì)再進(jìn)入閃爍體，從而性成一種延遲信號(hào)，據(jù)此證明水中的確發(fā)生了上述反應(yīng)過程2022/11/15由此放出的正電子經(jīng)過減速與電子湮滅，并轉(zhuǎn)化為光子。這些光1032022/11/152022/11/111042022/11/152022/11/11105其他量子數(shù)重子數(shù)B中子、質(zhì)子帶有重子數(shù)，重子數(shù)守恒

輕子數(shù)L電子、中微子帶有輕子數(shù)，輕子數(shù)守恒奇異數(shù)S指K介子、Λ超子、Σ超子和超子等。奇異粒子有以下特征：一是產(chǎn)生迅速，衰變緩慢，如產(chǎn)生的時(shí)間為10^-24s，而平均壽命則是10^-10s，相差14個(gè)量級(jí)；二是協(xié)同產(chǎn)生，獨(dú)立衰變，如K+介子和Λ超子通過粒子反應(yīng)過程

獨(dú)立衰變2022/11/15其他量子數(shù)2022/11/111061953年，美國物理學(xué)家蓋耳曼引入奇異數(shù)奇異數(shù)守恒2022/11/151953年，美國物理學(xué)家蓋耳曼引入奇異數(shù)2022/107第一代基本粒子

2022/11/15第一代基本粒子2022/11/11108第一、二代基本粒子

2022/11/15第一、二代基本粒子2022/11/11109強(qiáng)子性質(zhì)

2022/11/15強(qiáng)子性質(zhì)2022/11/11110輕子家族2022/11/15輕子家族2022/11/11111輕子的性質(zhì)2022/11/15輕子的性質(zhì)2022/11/11112強(qiáng)子

一切參與強(qiáng)相互作用的粒子，稱為強(qiáng)子。強(qiáng)子又可分為兩類：一類是自旋為的整數(shù)倍的粒子，稱為介子，包括帶正、負(fù)電荷和中性的介子，帶正、負(fù)電荷和中性的介子以及介子；另一類是自旋為的半整數(shù)倍的粒子，稱為重子，重子又分為核子（如質(zhì)子和中子）和超子（粒子的靜止質(zhì)量大于質(zhì)子，如等超子）。到目前為止，沒有發(fā)現(xiàn)輕子有任何結(jié)構(gòu)。

2022/11/15強(qiáng)子一切參與強(qiáng)相互作用的粒子，稱為強(qiáng)子。強(qiáng)子又可分為兩113強(qiáng)子的夸克模型

夸克是組成強(qiáng)子的基本單元，其性質(zhì)可概括如下1)夸克是自旋為1/2的費(fèi)米子．2)夸克有紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三色標(biāo)志，即攜帶三種色荷．3)夸克分上(u)、下(d)、粲(c)、奇(s)、頂(t)、底(b)六種味態(tài)．4)重子由三個(gè)夸克組成，可以寫作qqq，其中每個(gè)夸克的重子數(shù)是1/3，反夸克為-1/3．例如，質(zhì)子由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克組成，p=(uud)；中子由兩個(gè)下夸克和一個(gè)上夸克組成，n=(udd)．2022/11/15強(qiáng)子的夸克模型夸克是組成強(qiáng)子的基本單元，其性質(zhì)可概括如1145）介子由夸克和反夸克組成，即，例如介子由一個(gè)上夸克和一個(gè)反下夸克組由于正反夸克可以湮沒，因而這也正好可以說明自然界中為什么不存在穩(wěn)定介子態(tài)的基本事實(shí)．6）每一種夸克都對(duì)應(yīng)著一種反夸克，所以總夸克數(shù)是36?？淇送ㄟ^色作用結(jié)合在一起，其媒介粒子是膠子，膠子共有八種．

2022/11/155）介子由夸克和反夸克組成，即，例如115夸克的基本性質(zhì)

2022/11/15夸克的基本性質(zhì)2022/11/11116粒子的分類1）輕子：6×1+6×1=122）夸克：6×3+6×3=363）規(guī)范粒子:光子γ

1

中間玻色子Ｗ±、Z°3

膠子g

8

引力子g1基本粒子總數(shù)：12+36+13=612022/11/15粒子的分類1）輕子：6×1+6×1=122022/117基本相互作用

在自然界中的基本相互作用有四種，即電磁作用、弱作用、強(qiáng)作用和引力作用。依據(jù)相對(duì)論量子理論的觀點(diǎn)，粒子之間所存在的相互作用是通過交換媒介粒子來實(shí)現(xiàn)的．

2022/11/15基本相互作用在自然界中的基本相互作用有四種，即電磁作用118相互作用的場(chǎng)論圖像2022/11/15相互作用的場(chǎng)論圖像2022/11/11119二、激光原來與技術(shù)

激光加工設(shè)備2022/11/15二、激光原來與技術(shù)激光加工設(shè)備2022/11/11120光物理的基礎(chǔ)研究孕育了激光器的誕生19世紀(jì)的科學(xué)家們進(jìn)行了關(guān)于電磁波的卓越的研究1905年愛因斯坦提出了光量子和光電效應(yīng)的概念，揭示了輻射的波粒二象性

1916年愛因斯坦提出了受激輻射的概念1900年普朗克引入的能量量子的概念

基礎(chǔ)性、探索性研究2022/11/15光物理的基礎(chǔ)研究孕育了激光器的誕生19世紀(jì)的科學(xué)家們進(jìn)行了關(guān)121光物理的基礎(chǔ)研究孕育了激光器的誕生激光走向新技術(shù)的開發(fā)和工程應(yīng)用階段1954年研制成第一臺(tái)微波激射器

1958年美國的湯斯和蘇聯(lián)的巴索夫及普羅霍洛夫等人提出了激光的概念和理論設(shè)計(jì)1960年美國的梅曼研制成功第一臺(tái)紅寶石激光器；賈萬等人研制成氦氖激光器。我國的第一臺(tái)激光器于1961年在長春光機(jī)所創(chuàng)制成功

2022/11/15光物理的基礎(chǔ)研究孕育了激光器的誕生激光走向新技術(shù)的開發(fā)和工程122一、激光原理1）激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)*原子能級(jí)間的躍遷通常伴隨輻射和吸收，即1.自發(fā)輻射2.受激輻射3.受激吸收

2022/11/15一、激光原理1）激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)2022/11/11123

粒子數(shù)正常分布與反轉(zhuǎn)分布分布數(shù)分布數(shù)比

ΔE=1eV，T=300K*通過光照、放電激勵(lì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

N2>N1

2022/11/15粒子數(shù)正常分布與反轉(zhuǎn)分布2022/11/11124四能級(jí)結(jié)構(gòu)——存在亞穩(wěn)態(tài)

激勵(lì)頻率連鎖輻射頻率

2022/11/15四能級(jí)結(jié)構(gòu)——存在亞穩(wěn)態(tài)2022/11/11125*光學(xué)諧振腔2022/11/15*光學(xué)諧振腔2022/11/11126激光技術(shù)與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響

激光的特性使之在光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域帶來了革命性的變化：方向性單色性相干性高亮度2022/11/15激光技術(shù)與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響方向性單色性相干性高亮127四十多年來，激光器的品種迅速增加：固體激光器半導(dǎo)體激光器氣體激光器（CO2激光、氦氖激光）激光技術(shù)與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響2022/11/15四十多年來，激光器的品種迅速增加：激光技術(shù)與工程128準(zhǔn)分子激光器自由電子激光器x射線激光器金屬蒸氣激光器等。

激光技術(shù)與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響銅蒸氣激光2022/11/15準(zhǔn)分子激光器激光技術(shù)與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響銅蒸氣激光2129固體激光器以摻雜離子的絕緣晶體為工作物質(zhì)特點(diǎn)：輸出能量大，峰值功率高，結(jié)構(gòu)緊湊牢固

2022/11/15固體激光器以摻雜離子的絕緣晶體為工作物質(zhì)2022/11/11130半導(dǎo)體激光器以半導(dǎo)體為工作物質(zhì)，將電能直接轉(zhuǎn)化為光能特點(diǎn)：1）能量置換效率(50％)高；2）無功熱量小、頻率穩(wěn)定性更好；3）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長。2022/11/15半導(dǎo)體激光器以半導(dǎo)體為工作物質(zhì)，將電能直接轉(zhuǎn)化為光能20221312022/11/152022/11/11132氣體激光器以氣體或蒸氣為工作物質(zhì)特點(diǎn)：輸出光束的質(zhì)量好，功率大2022/11/15氣體激光器以氣體或蒸氣為工作物質(zhì)2022/11/11133化學(xué)光器以化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并進(jìn)而產(chǎn)生受激輻射的激光器特點(diǎn)：1）將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成光能；2）寬輸出光譜；3）功率大2022/11/15化學(xué)光器以化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并進(jìn)而產(chǎn)生受激輻射的激光器134激光器的輸出水平不斷提高：中、小功率器件高功率、高能量激光器；脈沖體制從連續(xù)波、準(zhǔn)連續(xù)波到各種短脈沖、超短脈沖的激光。連續(xù)的高能激光單次輸出能量已達(dá)百萬焦耳以上；超短脈沖：納秒皮秒費(fèi)秒阿秒

脈沖功率密度則可高達(dá)1020瓦/cm2以上。

激光技術(shù)與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響2022/11/15激光器的輸出水平不斷提高：激光技術(shù)與工程的迅速發(fā)展及135輸出激光的頻率覆蓋著越來越廣的范圍：長至亞毫米（太赫茲）短至x射線γ激光也在探索中，分立的激光譜線達(dá)幾千條；輸出激光的光束質(zhì)量，好的可達(dá)近衍射極限。激光技術(shù)與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響2022/11/15輸出激光的頻率覆蓋著越來越廣的范圍：激光技術(shù)與工程的迅速發(fā)展136

激光應(yīng)用的開創(chuàng)性表現(xiàn)在：①激光光譜技術(shù)比傳統(tǒng)的分辨率提高了百萬倍，靈敏度提高了百億倍；②激光為信息技術(shù)開拓了豐富的頻率資源；激光技術(shù)與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響布滿全球的光纖網(wǎng)，加上衛(wèi)星通信網(wǎng)，形成了信息高速公路的基礎(chǔ)；光存儲(chǔ)、激光全息、激光照排、打印及條碼掃描技術(shù)等，提供了全新的多樣化的信息服務(wù)。可擦除小型光盤的刻錄母盤2022/11/15激光應(yīng)用的開創(chuàng)性表現(xiàn)在：激光技術(shù)與工程的迅速發(fā)展及137③激光可在很小的區(qū)域上聚焦很高的功率密度：在工業(yè)制造中可進(jìn)行精確的切削和表面改性做精密的醫(yī)療手術(shù)作用于微型靶實(shí)現(xiàn)激光核聚變。激光技術(shù)與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響2022/11/15③激光可在很小的區(qū)域上聚焦很高的功率密度：激光技術(shù)與工程的138④激光技術(shù)開辟了嶄新的軍事應(yīng)用，包括：激光通訊激光制導(dǎo)與測(cè)距高能強(qiáng)激光武器激光雷達(dá)激光陀螺

激光技術(shù)與工程的迅速發(fā)展及其深刻影響ABLABL2022/11/15④激光技術(shù)開辟了嶄新的軍事應(yīng)用，包括：激光技術(shù)與工程的迅139激光通訊

傳輸信息量大、抗干擾、保密性強(qiáng)

多采用半導(dǎo)體激光器——效率高、壽命長、體積小、質(zhì)量輕、易調(diào)制2022/11/15激光通訊傳輸信息量大、抗干擾、保密性強(qiáng)2022/11/11140激光制導(dǎo)與測(cè)距2022/11/15激光制導(dǎo)與測(cè)距2022/11/11141激光測(cè)距2022/11/15激光測(cè)距2022/11/11142激光武器2022/11/15激光武器2022/11/11143激光應(yīng)用本身及其提供的研究手段又促進(jìn)了物理學(xué)的發(fā)展

非線性光學(xué)成為一個(gè)重要研究領(lǐng)域：激光與介質(zhì)（含大氣）相互作用時(shí)產(chǎn)生各種非線性效應(yīng)的物理本質(zhì)和規(guī)律。產(chǎn)生的條件、特性、機(jī)理：受激拉曼散射自聚焦熱暈光學(xué)和頻與倍頻相干瞬態(tài)光學(xué)效應(yīng)等2022/11/15激光應(yīng)用本身及其提供的研究手段又促進(jìn)了物理學(xué)的發(fā)展非線性光144激光應(yīng)用本身及其提供的研究手段又促進(jìn)了物理學(xué)的發(fā)展

非線性光學(xué)材料及非線性光學(xué)效應(yīng)的幾種應(yīng)用：擴(kuò)展激光的波長范圍發(fā)展非線性光學(xué)相位共軛技術(shù)光學(xué)雙穩(wěn)為研究非線性系統(tǒng)中的動(dòng)力學(xué)行為提供實(shí)用的手段；超短、超強(qiáng)激光將對(duì)強(qiáng)場(chǎng)超快科學(xué)、相對(duì)論非線性物理、天體物理及宇宙學(xué)的研究提供新的手段和極端條件。2022/11/15激光應(yīng)用本身及其提供的研究手段又促進(jìn)了物理學(xué)的發(fā)展非線性光145激光應(yīng)用本身及其提供的研究手段又促進(jìn)了物理學(xué)的發(fā)展

激光光譜學(xué)的高靈敏度和高分辨率：可用于對(duì)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、能譜、瞬態(tài)的變化和微觀動(dòng)力學(xué)進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)原子和分子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)，更精確地確定基本物理常數(shù)的數(shù)值；1995年人們利用激光冷卻的辦法，在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了愛因斯坦1926年預(yù)言的Bose-Einstein凝聚；Bose-Einstein凝聚態(tài)2022/11/15激光應(yīng)用本身及其提供的研究手段又促進(jìn)了物理學(xué)的發(fā)展146激光還在物理學(xué)與其它基礎(chǔ)科學(xué)的交叉學(xué)科研究中，發(fā)揮了巨大的推動(dòng)作用如化學(xué)物理學(xué)生物物理學(xué)（以激光為手段的分子雷達(dá)成為生命活細(xì)胞研究的工具就是一例）等激光應(yīng)用本身及其提供的研究手段又促進(jìn)了物理學(xué)的發(fā)展

2022/11/15激光還在物理學(xué)與其它基礎(chǔ)科學(xué)的交叉學(xué)科研究中，147三、量子技術(shù)及應(yīng)用2022/11/15三、量子技術(shù)及應(yīng)用2022/11/11148量子隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)的本質(zhì)就是粒子對(duì)勢(shì)壘的穿越問題，對(duì)該問題的描述有兩種圖像：1）經(jīng)典運(yùn)動(dòng)圖像——由牛頓方程支配2022/11/15量子隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)的本質(zhì)就是粒子對(duì)勢(shì)壘的穿越問題，對(duì)1492022/11/152022/11/111502）量子運(yùn)動(dòng)圖像

——由薛定諤方程支配2022/11/152）量子運(yùn)動(dòng)圖像2022/11/11151勢(shì)函數(shù)運(yùn)動(dòng)模式2022/11/15勢(shì)函數(shù)運(yùn)動(dòng)模式2022/11/11152量子隧穿隧穿系數(shù)2022/11/15量子隧穿隧穿系數(shù)2022/11/11153掃描隧道顯微鏡

STM-ScanningTunnellingMicroscopt

在隧道效應(yīng)的技術(shù)應(yīng)用中，最具影響的是賓尼（Binnig）和羅雷爾（Rohrer）于1981年由研制成的第三代顯微鏡——掃描隧道顯微鏡2022/11/15掃描隧道顯微鏡

STM-ScanningTunnell154由量子力學(xué)可得隧道電流I與勢(shì)壘寬度d有如下關(guān)系：

其中φ是平均勢(shì)壘高度，A為常數(shù)。由上式可以看出隧道電流的大小與所加的操作電壓關(guān)系密切，在探針針尖到被測(cè)物表面的間距只有幾個(gè)原子間距時(shí)，隧道電流與此間距的關(guān)系非常敏感，STM就可以利用探針尖端和金屬表面間的隧道電流隨原子間距變化的性質(zhì)探測(cè)金屬表面結(jié)構(gòu)。2022/11/15由量子力學(xué)可得隧道電流I與勢(shì)壘寬度d有如下關(guān)系：2022/1155金屬探針受一壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電壓控制，能夠沿x、y、z方向掃描移動(dòng)，掃描可達(dá)范圍10^-6米，精度0.1~0.01nm（納米）2022/11/15金屬探針受一壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電壓控制，能夠沿x、y、z方向掃描移156恒流模式將一適當(dāng)工作電壓加在探針與樣品之間，當(dāng)探針在試樣表面作二維掃描過程中接入一反饋回路，反饋回路通過調(diào)整針尖的高度使隧道電流保持在一定的預(yù)設(shè)值上，記錄下控制探針高度的方向驅(qū)動(dòng)電壓，測(cè)得試樣表面的形貌圖。2022/11/15恒流模式將一適當(dāng)工作電壓加在探針與樣品之間，當(dāng)探針157恒高模式斷開反饋回路，使探針在被測(cè)物表面作二維掃描，掃描過程中保持操作電壓及探針針尖高度均為固定值，當(dāng)探針沿樣品表面掃描時(shí)，間隙是一個(gè)變量，而隧道電流是未知的函數(shù)，各點(diǎn)的隧道電流I反映了樣品表面的凸凹狀況。2022/11/15恒高模式斷開反饋回路，使探針在被測(cè)物表面作二維掃158STM的隧道電流有5~6個(gè)數(shù)量級(jí)的變化，適于測(cè)量高度起伏不超過0.5~0.6nm的試樣表面。它的縱向分辨率已達(dá)到0.005nm，橫向分辨率已達(dá)到0.2nm，測(cè)量精度高。表面三維圖像可以直觀地顯示樣品表面原子結(jié)構(gòu)。由此可見，掃描隧道顯微鏡是研究固體表面原子結(jié)構(gòu)的有力手段，也為探討表面吸附、催化和腐蝕等機(jī)理，以及利用表面效應(yīng)制造新型器件提供了方便。掃描隧道探針不僅是觀察原子世界的工具，而且還可以用它進(jìn)行微加工。當(dāng)針尖與樣品間電壓大于5V時(shí)，相應(yīng)能量足以引起表面原子遷移、鍵斷裂和一些化學(xué)反應(yīng)。人們正是運(yùn)用掃描隧道探針移動(dòng)原子，在硅片上形成原子排列而成金屬點(diǎn)、線，或在表面刻線、構(gòu)圖。2022/11/15STM的隧道電流有5~6個(gè)數(shù)量級(jí)的變化，適于測(cè)量高度起伏不超1592022/11/152022/11/11160STM的局限性與發(fā)展盡管STM有著其他儀器不能比擬的諸多優(yōu)點(diǎn)，但由于儀器本身的工作方式所造成的局限性也是顯而易見的。這主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：1.在恒電流工作模式下，STM對(duì)樣品表面微粒之間的某些溝槽不能夠準(zhǔn)確探測(cè)，與此相關(guān)的分辨率較差。在恒高度工作方式下，從原理上這種局限性會(huì)有所改善。但只有采用非常尖銳的探針，其針尖半徑應(yīng)遠(yuǎn)小于粒子之間的距離，才能避免這種缺陷。在觀測(cè)超細(xì)金屬微粒擴(kuò)散時(shí)，這一點(diǎn)顯得尤為重要。

2.

STM所觀察的樣品必須具有一定程度的導(dǎo)電性，對(duì)于半導(dǎo)體，觀測(cè)的效果就差于導(dǎo)體；對(duì)于絕緣體則根本無法直接觀察。賓尼等人1986年研制成功的AFM可以彌補(bǔ)掃描隧道顯微鏡的不足。2022/11/15STM的局限性與發(fā)展盡管STM有著其他儀器不能比擬的諸多優(yōu)點(diǎn)161原子力顯微鏡

AFM-atomicforcemicroscope由賓寧等人于1986年發(fā)明，其原理是利用探針與樣品間的原子力（引力與斥力）隨距離變化的關(guān)系來測(cè)量樣品表面的形貌、彈性、硬度等性質(zhì)，對(duì)各種材料均適用。2022/11/15原子力顯微鏡

AFM-atomicforcemicr162AFM結(jié)構(gòu)示意圖2022/11/15AFM結(jié)構(gòu)示意圖2022/11/11163光子掃描隧道顯微鏡

PSTM-photonscanningtunnellingmicroscope

PSTM利用光子在探針材料與樣品表面間形成勢(shì)壘中的貫穿性質(zhì)而獲得測(cè)量信息。分辨率可達(dá)納米量級(jí)。2022/11/15光子掃描隧道顯微鏡

PSTM-photonscanni164激光冷卻與原子捕陷技術(shù)1975年提出概念，1985年首次實(shí)現(xiàn)。主要應(yīng)用：1）消除譜線的熱致展寬，提高了光譜學(xué)精度與靈敏度；

2）建立高精度的原子頻標(biāo)，將原子鐘的精度提高兩個(gè)量級(jí)；

3）開辟原子、分子及光物理新領(lǐng)域；4）制成能控制20nm~10μm尺度的“光學(xué)鑷子”——分子生物學(xué)、高分子聚合物2022/11/15激光冷卻與原子捕陷技術(shù)1975年提出概念，1985年首次實(shí)現(xiàn)165激光冷卻的基本思想是：運(yùn)動(dòng)著的原子在共振吸收迎面射來的光子后，從基態(tài)過渡到激發(fā)態(tài)，其動(dòng)量就減小，速度也就減小了。速度減小的值為其減速效果相當(dāng)于重力加速度的

10萬倍2022/11/15激光冷卻的基本思想是：運(yùn)動(dòng)著的原子在共振吸收迎面射來的光子后166雙光束冷卻原子，此時(shí)原子將優(yōu)先吸收迎面射來的光子而達(dá)到多普勒冷卻的結(jié)果。

2022/11/15雙光束冷卻原子，此時(shí)原子將優(yōu)先吸收迎面射來的光子而達(dá)到多普勒167三維激光冷卻利用波長為589的黃光冷卻鈉原子的極限為240K，利用波長為852的紅外光冷卻銫原子的極限為124K。但研究者們進(jìn)一步采取了其他方法使原子達(dá)到更低的溫度。1995年達(dá)諾基小組把銫原子冷卻到了2.8的低溫，朱棣文等利用鈉原子噴泉方法曾捕集到溫度僅為24的一群鈉原子。2022/11/15三維激光冷卻利用波長為589的黃光冷卻鈉原子的極限為2168三維光阱與銣原子團(tuán)發(fā)光照片2022/11/15三維光阱與銣原子團(tuán)發(fā)光照片2022/11/11169原子阱技術(shù)原子阱由兩個(gè)平行的電流方向相反的線圈構(gòu)成，其中心磁場(chǎng)為0，并向四周不斷增強(qiáng)。陷在阱中的原子具有磁矩，在中心時(shí)勢(shì)能最低，偏離中心時(shí)就會(huì)受到不均勻磁場(chǎng)的作用力而返回。這種阱曾捕獲10^12個(gè)原子，捕陷時(shí)間長達(dá)12min。2022/11/15原子阱技術(shù)原子阱由兩個(gè)平行的電流方向相反的線圈構(gòu)成，170玻色－愛因斯坦凝聚BEC

BEC是玻色和愛因斯坦分別于1924年預(yù)言的，但長期未被觀察到。這是一種宏觀量子現(xiàn)象，指的是宏觀數(shù)目的粒子（玻色子）處于同一個(gè)量子基態(tài)。它實(shí)現(xiàn)的條件是粒子的德布羅意波長大于粒子的間距。在被激光冷卻的極低溫度下，原子的動(dòng)量很小，因而德布羅意波長大于粒子的間距。同時(shí)，在原子阱內(nèi)又可捕獲足夠多的原子，它們的相互作用很弱而間距較小，因而可能達(dá)到凝聚的條件。1995年果真觀察到了2000個(gè)銣原子在170nK溫度下和5×個(gè)鈉原子在2K溫度下的玻色-愛因斯坦凝聚。2022/11/15玻色－愛因斯坦凝聚BECBEC是玻色和愛因斯坦分別于171三、廣義相對(duì)論與宇宙學(xué)2022/11/15三、廣義相對(duì)論與宇宙學(xué)2022/11/11172人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)大尺度范圍內(nèi)物質(zhì)分布均勻各向同性→宇宙學(xué)原理

10^11星系=10^22太陽=10^52kg宇宙正在膨脹→哈勃定律V=Hr宇宙源于150億年前的一次大爆炸→大爆炸宇宙2022/11/15人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)大尺度范圍內(nèi)物質(zhì)分布均勻各向同性2022/1173空間尺度：從極小到極大最遙遠(yuǎn)星系銀河系鄰近恒星太陽地球人類細(xì)胞原子質(zhì)子夸克1026m10-20m10-10m100m1010m1020m2022/11/15空間尺度：從極小到極大最遙遠(yuǎn)星系1026m10-20m1174空間尺度（米）實(shí)物1026宇宙引力半徑1023星系團(tuán)1020地球到銀河系中心的距離1016地球到最近恒星的距離1011地球到太陽的距離109太陽的半徑108地球到月亮的距離106地球半徑103地球上高山100人的身高10-5細(xì)菌10-8大分子10-10原子10-15核子物質(zhì)世界的空間尺度2022/11/15空間尺度（米）實(shí)物1026宇宙引力半徑1023星系團(tuán)10201752022/11/152022/11/11176時(shí)間尺度（秒）物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)周期、壽命1018宇宙年齡1017地球年齡1015恐龍絕滅1014出現(xiàn)古人類1011人類文明史109人類的壽命107地球公轉(zhuǎn)周期106月球的周期104地球自轉(zhuǎn)周期100鐘擺的周期10-3聲波的周期10-6m子的壽命10-8p±介子的壽命10-16p0介子的壽命10-19S0超子的壽命10-25Z0（中間玻色子）的壽命物質(zhì)世界的時(shí)間尺度2022/11/15時(shí)間尺度（秒）物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)周期、壽命1018宇宙年齡1017地177宇宙的時(shí)間表2022/11/15宇宙的時(shí)間表2022/11/11178人類在時(shí)間長河中是無比渺小的2022/11/15人類在時(shí)間長河中是無比渺小的2022/11/11179今天的物理學(xué)今天人類認(rèn)識(shí)的物質(zhì)世界20世紀(jì)：物理學(xué)的黃金時(shí)代

相對(duì)論

量子力學(xué)物理學(xué)的新發(fā)展以及面臨的困難物理與技術(shù)2022/11/15今天的物理學(xué)今天人類認(rèn)識(shí)的物質(zhì)世界2022/11/11180廣義相對(duì)論的誕生正在人們忙于理解狹義相對(duì)論時(shí)，愛因斯坦正接近完成廣義相對(duì)論。1916年，愛因斯坦在老同學(xué)格羅斯曼的幫助下，運(yùn)用黎曼幾何完成了廣義相對(duì)論的最終形式。在這個(gè)理論中，引力是被考慮的主要問題。2022/11/15廣義相對(duì)論的誕生正在人們忙于理解狹義相對(duì)論時(shí)，愛因斯坦正接近1812022/11/152022/11/11182狹義相對(duì)論遺留的問題一方面，狹義相對(duì)論是針對(duì)慣性參照系而專門設(shè)計(jì)的，它既已強(qiáng)調(diào)力學(xué)與電磁學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律在所有慣性系中成立，卻無法為自己找到一個(gè)嚴(yán)格意義上的慣性系，因?yàn)檎鎸?shí)的情況是這種參照系根本就不存在。比如，地球要時(shí)刻圍繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)，而太陽又不斷受到來自銀河系中心的吸引作用，即便是對(duì)于規(guī)模更大的銀河系，也無時(shí)不在進(jìn)行著一系列復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)……。2022/11/15狹義相對(duì)論遺留的問題一方面，狹義相對(duì)論是針對(duì)慣性參照系而專門183另一方面，作為牛頓力學(xué)重要組成部分的萬有引力理論，人們卻無法從根本上將其改造成為符合洛侖茲變換需要的數(shù)學(xué)形式。原因是，在牛頓萬有引力定律中所出現(xiàn)的用于決定引力大小的量，如質(zhì)量與質(zhì)點(diǎn)間距離等，都理所當(dāng)然地被定義成為具有絕對(duì)意義的坐標(biāo)變換不變量．然而依照狹義相對(duì)論的觀點(diǎn)，這些量并不具有坐標(biāo)變換下的不變性，因此牛頓萬有引力理論必須得到修改。2022/11/15另一方面，作為牛頓力學(xué)重要組成部分的萬有引力理論，人們卻無法184廣義相對(duì)論是狹義相對(duì)論的自然延伸，也是對(duì)牛頓引力理論的卓有成效的發(fā)展。廣義相對(duì)論強(qiáng)調(diào)，不僅物理規(guī)律在所有參照系中都應(yīng)當(dāng)具有同樣的表現(xiàn)，而且物質(zhì)的存在也必然會(huì)引起時(shí)空幾何的變化，并由此造成引力作用的根本原因。所以說，廣義相對(duì)論本質(zhì)上是一種引力理論，是對(duì)狹義相對(duì)論在包含引力作用條件下的有效推廣，目的在于給出一般運(yùn)動(dòng)意義下引力源所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)引力場(chǎng)結(jié)構(gòu)，而牛頓引力理論則不過是刻畫了其中一個(gè)特殊的靜態(tài)結(jié)果，即靜態(tài)的引力場(chǎng)。2022/11/15廣義相對(duì)論是狹義相對(duì)論的自然延伸，也是對(duì)牛頓引力理論的卓有成185廣義相對(duì)論原理

要解決慣性系問題以及引力問題，首先必須將包括慣性系和非慣性系在內(nèi)的一切參照系視為等同，尤其要突出它們?cè)诿枋鑫锢硪?guī)律方面應(yīng)該具有平權(quán)的意義；其次是將牛頓引力理論推廣為新型的引力理論。1）廣義相對(duì)性原理：一切物理定律在任何參考系中都應(yīng)當(dāng)具有相同的形式。2022/11/15廣義相對(duì)論原理要解決慣性系問題以及引力問題，首先必須將包括1862）等效原理：在一個(gè)局域范圍內(nèi)，不可能通過實(shí)驗(yàn)來區(qū)分引力與慣性力，它們是等效的。引力場(chǎng)與加速場(chǎng)等效2022/11/152）等效原理：在一個(gè)局域范圍內(nèi)，不可能通過實(shí)驗(yàn)來區(qū)分引力與慣187加速電梯中的觀察者，無法斷定電梯究竟是處于重力作用下還是在加速上升，因?yàn)檫@意味著，物體在重力場(chǎng)與非慣性系中將會(huì)擁有同樣的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)?？梢?，愛因斯坦電梯在揭示運(yùn)動(dòng)規(guī)律方面已完全體現(xiàn)出了與伽利略薩爾維阿蒂大船的異曲同工之妙。

2022/11/15加速電梯中的觀察者，無法斷定電梯究竟是處于重力作用下還是在加188在牛頓力學(xué)看來引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量的相等完全只是一種巧合，其中并沒有什么特別的含義。然而在愛因斯坦眼里，這種相等性質(zhì)卻包藏著極為深刻的物理內(nèi)容，至少，從它身上可以直接導(dǎo)出引力和慣性力對(duì)物理過程的影響具有不可區(qū)分性的推論。當(dāng)然，正是由于認(rèn)識(shí)到引力加速度僅僅取決于引力場(chǎng)分布，而與運(yùn)動(dòng)物體固有屬性無關(guān)的事實(shí)，才使愛因斯坦最終決定要利用物質(zhì)分布對(duì)時(shí)空幾何的影響來描述引力場(chǎng)的性質(zhì)。這樣一來，按照愛因斯坦的定義，慣性系不僅是指狹義相對(duì)論成立或引力為零的參考系，同時(shí)還包括那些在局域引力場(chǎng)中建立于自由落體之上的參照系，簡(jiǎn)稱局部慣性系。重要的是，這些局部慣性系的運(yùn)動(dòng)時(shí)空能夠反映引力場(chǎng)的時(shí)空幾何性質(zhì)，應(yīng)該說，愛因斯坦就是以此確立廣義相對(duì)論的理論框架的。2022/11/15在牛頓力學(xué)看來引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量的相等完全只是一種巧合，其中189廣義相對(duì)論時(shí)空觀從數(shù)學(xué)上看，適用于平直空間中的幾何為歐幾里德（Euclid）幾何，簡(jiǎn)稱歐氏幾何。歐氏幾何表現(xiàn)出了許多人所共知的特點(diǎn)，如兩點(diǎn)間直線距離最短，兩條平行線永不相交，三角形內(nèi)角和等于等。然而，彎曲空間卻不具有這些性質(zhì)，例如在球面上定義的兩點(diǎn)間最短距離為大圓弧距離，而兩條平行線也會(huì)自然相交于一點(diǎn)，因此彎曲空間幾何又被稱為非歐幾何。2022/11/15廣義相對(duì)論時(shí)空觀從數(shù)學(xué)上看，適用于平直空間中的幾何為190彎曲空間2022/11/15彎曲空間2022/11/11191圓周率對(duì)空間幾何屬性的判斷從較大范圍來看，彎曲空間將突出表現(xiàn)為非歐幾何的特征。此時(shí)連