物理学的发展市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

物理学发展焦健斌焦健斌焦健斌焦健斌山东大学物理与微电子学院山东大学物理与微电子学院山东大学物理与微电子学院山东大学物理与微电子学院.11.16.11.16第1页引子l l奥妙侦探故事构想有一个完美侦探故事。这个故事告诉我们全部主要线索，构想有一个完美侦探故事。这个故事告诉我们全部主要线索，这么使我们不能不提出自己对事件真相看法。假如我们仔细研究这么使我们不能不提出自己对事件真相看法。假如我们仔细研究故事构思，不等作者在书结尾作出交代，我们就早已得到完满解故事构思，不等作者在书结尾作出交代，我们就早已得到完满解答了。答了。宇宙秘密正如这么一个完美侦探故事。宇宙秘密正如这么一个完美侦探故事。这个奥妙侦探故事，至今还没有作出解答。我们甚至不能必这个奥妙侦探故事，至今还没有作出解答。我们甚至不能必定它是否有一个最终答案。不过阅读这本书已使我们得到许多收定它是否有一个最终答案。不过阅读这本书已使我们得到许多收获。它已教会我们知道自然界基本语言，它使我们了解到许多线获。它已教会我们知道自然界基本语言，它使我们了解到许多线索，而且它是科学历次艰辛发展中精神愉快和奋发源泉。索，而且它是科学历次艰辛发展中精神愉快和奋发源泉。第2页物理学概览物理学概览l l物理学是研究宇宙间物质存在基本形式、性质、运动物理学是研究宇宙间物质存在基本形式、性质、运动和转化、内部结构等方面，从而认识这些结构组成元素及和转化、内部结构等方面，从而认识这些结构组成元素及其相互作用、运动和转化基本规律科学。其相互作用、运动和转化基本规律科学。l l物理学各分支学科是按物质不一样存在形式和不一样物理学各分支学科是按物质不一样存在形式和不一样运动形式划分。人对自然界认识来自于实践，伴随实践扩运动形式划分。人对自然界认识来自于实践，伴随实践扩展和深入，物理学内容也在不停扩展和深入。展和深入，物理学内容也在不停扩展和深入。l l伴随物理学各分支学科发展，人们发觉物质不一样存伴随物理学各分支学科发展，人们发觉物质不一样存在形式和不一样运动形式之间存在着联络，于是各分支学在形式和不一样运动形式之间存在着联络，于是各分支学科之间开始相互渗透。物理学也逐步发展成为各分支学科科之间开始相互渗透。物理学也逐步发展成为各分支学科彼此亲密联络统一整体。彼此亲密联络统一整体。l l物理学家力图寻找一切物理现象基本规律，从而统一物理学家力图寻找一切物理现象基本规律，从而统一地了解一切物理现象。这种努力即使逐步有所进展，但现地了解一切物理现象。这种努力即使逐步有所进展，但现在离实现这在离实现这目标还很遥远。看来人们对客观世界探索、目标还很遥远。看来人们对客观世界探索、研究是无穷无尽。研究是无穷无尽。第3页经典物理学大厦l l牛顿（牛顿（NewtonNewton）绝对时空观被确立之后，不少人认为宇宙一切都能）绝对时空观被确立之后，不少人认为宇宙一切都能够用物理公式来表示。十九世纪法国天文学家拉普拉斯（够用物理公式来表示。十九世纪法国天文学家拉普拉斯（LaplaceLaplace）即）即为一代表人物。他认为，给定了方程和初始条件，宇宙一切都是能够为一代表人物。他认为，给定了方程和初始条件，宇宙一切都是能够预测。预测。l l在那个年代里面，凡是能被振荡，能被加速，能被干扰，能被蒸馏，在那个年代里面，凡是能被振荡，能被加速，能被干扰，能被蒸馏，能被化合，能被称质量，或能被变成气体，他们都做到了；在此过程能被化合，能被称质量，或能被变成气体，他们都做到了；在此过程中，他们提出了一大堆普遍定律。这些定律非常主要，非常神气，直中，他们提出了一大堆普遍定律。这些定律非常主要，非常神气，直到今天我们还往往以大写来书写：到今天我们还往往以大写来书写：光电磁场理论光电磁场理论、里氏互比定律里氏互比定律、查理气体定律查理气体定律、体积结合定律体积结合定律、第零定律第零定律、原子价概念原子价概念、质量作用定律质量作用定律 等等，多得数也数不清。整个世界丁丁当当、喀嚓喀等等，多得数也数不清。整个世界丁丁当当、喀嚓喀嚓地回响着他们创造创造出来机器和仪器声音。许多聪明人认为，科嚓地回响着他们创造创造出来机器和仪器声音。许多聪明人认为，科学家们已经没有多少事可干了。学家们已经没有多少事可干了。第4页大厦内部设施力学力学牛顿运动三定律：牛顿运动三定律：运动学基本规律运动学基本规律牛顿万有引力定律：动力学牛顿万有引力定律：动力学热力学第零定律：温度概念热力学第零定律：温度概念一一：能量守恒，能量概念：能量守恒，能量概念宏观理论宏观理论热学热学二二：熵概念：熵概念三三：绝对零度不能到达：绝对零度不能到达统计物理学：统计物理学：微观理论微观理论电磁学电磁学麦克斯韦电磁理论：电磁场运动规律麦克斯韦电磁理论：电磁场运动规律洛伦兹力规律：洛伦兹力规律：电磁场与带电物质间相互作用电磁场与带电物质间相互作用光学光学光是电磁波！光是电磁波！第5页经典力学经典力学（I）l l经典力学是研究宏观物体做低速机械运动现象和规律学科。经典力学是研究宏观物体做低速机械运动现象和规律学科。l l宏观是相对于原子等微观粒子而言；低速是相对于光速而言。物体空宏观是相对于原子等微观粒子而言；低速是相对于光速而言。物体空间位置随时间改变称为机械运动。间位置随时间改变称为机械运动。l l人们日常生活直接接触到并首先加以研究都是宏观低速机械运动。人们日常生活直接接触到并首先加以研究都是宏观低速机械运动。伽利略（伽利略（GalileoGalileiGalileoGalilei，1564-16421564-1642），意大利物理），意大利物理学家、天文学家和哲学家，学家、天文学家和哲学家，近代试验科学先驱者。近代试验科学先驱者。开普勒开普勒(JohannesKepler(JohannesKepler，1571-1630)1571-1630)是德国近代著名天是德国近代著名天文学家、数学家、物理学家和文学家、数学家、物理学家和哲学家。哲学家。第6页经典力学经典力学（II）l l牛顿深入研究了前人发觉和总结经验规律牛顿深入研究了前人发觉和总结经验规律和初步现象性理论，发觉了宏观低速机械和初步现象性理论，发觉了宏观低速机械运动基本规律，为经典力学奠定了基础。运动基本规律，为经典力学奠定了基础。l l经典力学中基本物理量是质点空间坐标和经典力学中基本物理量是质点空间坐标和动量动量。l l在经典力学中，力学系统总能量和总动量在经典力学中，力学系统总能量和总动量有尤其主要意义。有尤其主要意义。l l早在早在1919世纪，经典力学就已经成为物理学世纪，经典力学就已经成为物理学中十分成熟分支学科，它包含了丰富内容。中十分成熟分支学科，它包含了丰富内容。比如：质点力学、刚体力学、分析力学、比如：质点力学、刚体力学、分析力学、弹性力学、塑性力学、流体力学等。弹性力学、塑性力学、流体力学等。*机械运动中，很普遍一个运动形式就是振动和波动。声学就是研究这种运动产生、传输、转化和吸收分支学科。机械运动中，很普遍一个运动形式就是振动和波动。声学就是研究这种运动产生、传输、转化和吸收分支学科。牛顿（牛顿（IsaacNewtonIsaacNewton，1643-1643-17271727）英国伟大科学家，经典物理英国伟大科学家，经典物理学理论体系建立者。学理论体系建立者。第7页热学、热力学和经典统计力学热学、热力学和经典统计力学（I）l l热学热学热学热学是研究物质处于热状态时相关性质和规律物理学分支，它起源于是研究物质处于热状态时相关性质和规律物理学分支，它起源于人类对冷热现象探索。人类生存在季节交替、气候变幻自然界中，冷人类对冷热现象探索。人类生存在季节交替、气候变幻自然界中，冷热现象是他们最早观察和认识自然现象之一。热现象是他们最早观察和认识自然现象之一。l l热力学热力学热力学热力学是热学理论一个方面。热力学主要是从能量转化观点来研究物是热学理论一个方面。热力学主要是从能量转化观点来研究物质热性质，它揭示了能量从一个形式转换为另一个形式时遵从宏观规质热性质，它揭示了能量从一个形式转换为另一个形式时遵从宏观规律。律。不包括物质微观结构和微观粒子相互作用。不包括物质微观结构和微观粒子相互作用。l l统计力学统计力学统计力学统计力学应用数学中统计分析方法，研究大量粒子平均行为。统计力应用数学中统计分析方法，研究大量粒子平均行为。统计力学依据物质微观组成和相互作用，研究由大量粒子组成宏观物体性质学依据物质微观组成和相互作用，研究由大量粒子组成宏观物体性质和行为统计规律，是理论物理一个主要分支。和行为统计规律，是理论物理一个主要分支。第8页热学、热力学和经典统计力学热学、热力学和经典统计力学（II）l l热力学三定律是热力学基本理论。l l19世纪中期，焦耳等人用试验确定了热量和功之间定量关系，从而建立了热力学第一定律。热力学第一定律反应了能量守恒和转换时应该遵从关系，它引进了系统态函数内能。热力学第一定律也能够表述为：第一类永动机是不可能造成。l l1854年克劳修斯引进一个函数：熵，并指出：不可能把热从低温物体传到高温物体而不引发其它改变，这就是热力学第二定律克氏表述。几乎同时，开尔文以不一样方式表述了热力学第二定律内容。l l19能斯脱提出一个关于低温现象定律：用任何方法都不能使系统抵达绝对零度。此定律称为热力学第三定律。焦耳（焦耳（JamesJamesPrescortPrescortJoule,1818Joule,181818891889）英国出）英国出色物理学家。色物理学家。克劳修斯（克劳修斯（RudolphClausius,1822RudolphClausius,182218881888）德国物理学家，是气体动理论和热力学主要德国物理学家，是气体动理论和热力学主要奠基人之一。奠基人之一。开尔文（开尔文（BaronKelvinofBaronKelvinofLargsLargs，1824190718241907）是英）是英国著名物理学家、创造家，国著名物理学家、创造家，原名原名WilliamThomsonWilliamThomson。他。他被看作英帝国第一位物理学被看作英帝国第一位物理学家。家。能斯脱能斯脱(WaltherHermann(WaltherHermannNernstNernst，18641941)18641941)，德国，德国著名物理化学家。是电化学、著名物理化学家。是电化学、溶液理论、低温物理和光化学溶液理论、低温物理和光化学等领域奠基者之一。等领域奠基者之一。第9页热学、热力学和经典统计力学热学、热力学和经典统计力学（III）l l深入研究热现象本质，就产生了统计力学。非平衡统深入研究热现象本质，就产生了统计力学。非平衡统计力学所研究问题复杂，直到计力学所研究问题复杂，直到2020世纪中期以后才取得世纪中期以后才取得了比较大进展。了比较大进展。l l在一定时期内，人们对客观世界认识总是有不足，认在一定时期内，人们对客观世界认识总是有不足，认识到只是相正确真理，经典力学和以经典力学为基础识到只是相正确真理，经典力学和以经典力学为基础经典统计力学也是这么。经典力学应用于原子、分子经典统计力学也是这么。经典力学应用于原子、分子以及宏观物体微观结构时，其不足就显示出来，因而以及宏观物体微观结构时，其不足就显示出来，因而发展了量子力学。与之对应，经典统计力学也发展成发展了量子力学。与之对应，经典统计力学也发展成为以量子力学为基础量子统计力学。为以量子力学为基础量子统计力学。第10页经典电磁学、经典电动力学经典电磁学、经典电动力学（I）l l电磁学是研究电、磁和电磁相互作用现象，及其电磁学是研究电、磁和电磁相互作用现象，及其规律和应用物理学分支学科。规律和应用物理学分支学科。l l人们很早就接触到电和磁现象，并知道磁棒有南人们很早就接触到电和磁现象，并知道磁棒有南北两极。在北两极。在1818世纪，发觉电荷有两种：正电荷和世纪，发觉电荷有两种：正电荷和负电荷。不论是电荷还是磁极都是同性相斥，异负电荷。不论是电荷还是磁极都是同性相斥，异性相吸，作用力方向在电荷之间或磁极之间连接性相吸，作用力方向在电荷之间或磁极之间连接线上，力大小和它们之间距离平方成反比。在这线上，力大小和它们之间距离平方成反比。在这两点上和万有引力很相同。两点上和万有引力很相同。1818世纪末发觉电荷能世纪末发觉电荷能够流动，这就是电流。但长久没有发觉电和磁之够流动，这就是电流。但长久没有发觉电和磁之间联络。间联络。第11页经典电磁学、经典电动力学经典电磁学、经典电动力学（II）l l1919世纪前期，奥斯特发觉电流能够使小磁针偏转。而后安培发觉作用世纪前期，奥斯特发觉电流能够使小磁针偏转。而后安培发觉作用力方向和电流方向，以及磁针到经过电流导线垂直线方向相互垂直。力方向和电流方向，以及磁针到经过电流导线垂直线方向相互垂直。很快之后，法拉第又发觉，当磁棒插入导线圈时，导线圈中就产生电很快之后，法拉第又发觉，当磁棒插入导线圈时，导线圈中就产生电流。这些试验表明，在电和磁之间存在着亲密联络。流。这些试验表明，在电和磁之间存在着亲密联络。奥斯特奥斯特(HansChristian(HansChristianOerstedOersted，17771851)17771851)，丹麦，丹麦物理学家，电磁学主要奠基人物理学家，电磁学主要奠基人之一。之一。安培安培(AndrMarieAmpre1775(AndrMarieAmpre177518361836年年)，法国物理学家，对数学和，法国物理学家，对数学和化学也有贡献。电动力学首创者。化学也有贡献。电动力学首创者。法拉第法拉第(Michael(MichaelFaradayFaraday，17911867)17911867)是是1919世纪电磁世纪电磁学领域中最伟学领域中最伟大试验物理学大试验物理学家。家。第12页经典电磁学、经典电动力学经典电磁学、经典电动力学（III）在电和磁之间联络被发觉以后，人们认识到，电磁场是物质存在一个特在电和磁之间联络被发觉以后，人们认识到，电磁场是物质存在一个特在电和磁之间联络被发觉以后，人们认识到，电磁场是物质存在一个特在电和磁之间联络被发觉以后，人们认识到，电磁场是物质存在一个特殊形式。殊形式。殊形式。殊形式。麦克斯韦（麦克斯韦（JamesJamesClerkClerkMaxwellMaxwell，1831183118791879）英国）英国物理学家，经典电磁物理学家，经典电磁理论奠基人。理论奠基人。l l1919世纪下半叶，麦克斯韦总结了宏世纪下半叶，麦克斯韦总结了宏观电磁现象规律，并引进位移电流观电磁现象规律，并引进位移电流概念。并提出了一组偏微分方程来概念。并提出了一组偏微分方程来表示电磁现象基本规律，即麦克斯表示电磁现象基本规律，即麦克斯韦方程组，是经典电磁学基本方程。韦方程组，是经典电磁学基本方程。麦克斯韦电磁理论预言了电磁波存麦克斯韦电磁理论预言了电磁波存在，必定了光也是一个电磁波。在，必定了光也是一个电磁波。l l电磁场能够以力作用于带电粒子，电磁场能够以力作用于带电粒子，一个运动中带电粒子既受到电场力，一个运动中带电粒子既受到电场力，也受到磁场力，洛伦兹把运动电荷也受到磁场力，洛伦兹把运动电荷所受到电磁场作用力归结为一个公所受到电磁场作用力归结为一个公式，人们就称这个力为洛伦兹力。式，人们就称这个力为洛伦兹力。洛伦兹洛伦兹(Hendrik(HendrikAntoonAntoonLorentzLorentz，18531928)18531928)是荷兰物是荷兰物理学家、数学家。理学家、数学家。l l描述电磁场基本规律麦克斯韦方程组和洛伦茨力就组成了经典电动力描述电磁场基本规律麦克斯韦方程组和洛伦茨力就组成了经典电动力学基础。学基础。第13页光学和电磁波光学和电磁波l l光学研究光性质及其和物质各种相互作用，光是电磁波。光学研究光性质及其和物质各种相互作用，光是电磁波。l l1717世纪对光本质提出了两种假说：一个假说认为光是由许多微粒世纪对光本质提出了两种假说：一个假说认为光是由许多微粒组成；另一个假说认为光是一个波动。组成；另一个假说认为光是一个波动。1919世纪在试验上确定了光世纪在试验上确定了光有波独具干涉现象，以后试验证实光是电磁波。有波独具干涉现象，以后试验证实光是电磁波。2020世纪初又发觉世纪初又发觉光含有粒子性，人们在深入入研究微观世界后，才认识到光含有光含有粒子性，人们在深入入研究微观世界后，才认识到光含有波粒二象性。波粒二象性。l l光学方法是研究大至天体、小至微生物以至分子、原子结构非常光学方法是研究大至天体、小至微生物以至分子、原子结构非常有效方法。物质所放出来光携带着关于物质内部结构主要信息。有效方法。物质所放出来光携带着关于物质内部结构主要信息。l l在经典电磁学建立与发展过程中，形成了电磁场概念。在物理学在经典电磁学建立与发展过程中，形成了电磁场概念。在物理学其后发展中，场成了非常基本、非常普遍概念。在当代物理学中，其后发展中，场成了非常基本、非常普遍概念。在当代物理学中，场概念已经远远超出了电磁学范围，成为物质一个基本、普遍存场概念已经远远超出了电磁学范围，成为物质一个基本、普遍存在形式。在形式。第14页十九世纪“乌云”动力学理论断言，热和光都是运动方式。但现在这一理论优美性和明晰性却被两朵乌云遮动力学理论断言，热和光都是运动方式。但现在这一理论优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了蔽，显得黯然失色了”Thebeautyandclearnessofthedynamicaltheory,whichassertsheatandlighttobemodesofThebeautyandclearnessofthedynamicaltheory,whichassertsheatandlighttobemodesofmotion,isatpresentobscuredbytwoclouds.motion,isatpresentobscuredbytwoclouds.-W.Thomson-W.Thomson在热和光动力理论上空在热和光动力理论上空1919世纪乌云世纪乌云(I).(I).经典理论无法解释地球经典理论无法解释地球穿过以太运动机制穿过以太运动机制(II).(II).能量均分概念提不出分子模型结能量均分概念提不出分子模型结构构第15页危机就是转机地球穿过以太运动机制地球穿过以太运动机制迈克尔逊迈克尔逊-莫雷试验莫雷试验时空相对性，质能转换时空相对性，质能转换相对论相对论相对论相对论能量均分概念提不出分子模型结构能量均分概念提不出分子模型结构黑体辐射研究中困境黑体辐射研究中困境能量量子化，波粒二象性能量量子化，波粒二象性 量子力学量子力学量子力学量子力学两朵乌云VS.两个发觉第16页爱因斯坦l l爱因斯坦爱因斯坦(AlbertEinstein(AlbertEinstein，1879-1955)1879-1955)，举世闻名德裔美，举世闻名德裔美国科学家，当代物理学开创者国科学家，当代物理学开创者和奠基人。和奠基人。第17页狭义相对论和相对论力学狭义相对论和相对论力学l l爱因斯坦从这些试验事实出发，对空间、时间概念爱因斯坦从这些试验事实出发，对空间、时间概念进行了深刻分析，提出了狭义相对论，从而建立了进行了深刻分析，提出了狭义相对论，从而建立了新时空观念。新时空观念。l l狭义相对论基本假设是：狭义相对论基本假设是：在一切惯性参考系中，基本物理规律都一样，在一切惯性参考系中，基本物理规律都一样，都可用同一组数学方程来表示；都可用同一组数学方程来表示；对于任何一个光源发出来光，在一切惯性参对于任何一个光源发出来光，在一切惯性参考系中测量其传输速率，结果都相等。考系中测量其传输速率，结果都相等。在狭义相对论中，空间和时间是彼此亲密联络统在狭义相对论中，空间和时间是彼此亲密联络统一体，空间距离是相正确，时间也是相正确。所以一体，空间距离是相正确，时间也是相正确。所以尺长短，时间长短都是相正确。但在狭义相对论中，尺长短，时间长短都是相正确。但在狭义相对论中，并不是一切都是相正确。并不是一切都是相正确。l l相对论力学另一个主要结论是：质量和能量是能够相互转化。假使质量是相对论力学另一个主要结论是：质量和能量是能够相互转化。假使质量是物质量一个度量，能量是运动量一个度量，则上面结论：物质和运动之间物质量一个度量，能量是运动量一个度量，则上面结论：物质和运动之间存在着不可分割联络，不存在没有运动物质，也不存在没有物质运动，二存在着不可分割联络，不存在没有运动物质，也不存在没有物质运动，二者能够相互转化。这一规律己在核能研究和实践中得到了证实。者能够相互转化。这一规律己在核能研究和实践中得到了证实。第18页广义相对论和万有引力基本理论广义相对论和万有引力基本理论l l狭义相对论给牛顿万有引力定律带来了新问狭义相对论给牛顿万有引力定律带来了新问题。牛顿提出万有引力被认为是一个超距作用，题。牛顿提出万有引力被认为是一个超距作用，它传递不需要时间，产生和抵达是同时。这同狭它传递不需要时间，产生和抵达是同时。这同狭义相对论提出光速是传输速度极限相矛盾。所以，义相对论提出光速是传输速度极限相矛盾。所以，必须对牛顿万有引力定律也要加以改造。必须对牛顿万有引力定律也要加以改造。l l改造关键来自厄缶试验，它以很高准确度证改造关键来自厄缶试验，它以很高准确度证实：惯性质量和引力质量相等，固此不论行星质实：惯性质量和引力质量相等，固此不论行星质量多大多小，只要在某一时刻它们空间坐标和速量多大多小，只要在某一时刻它们空间坐标和速度都相同，那末它们运行轨道都将永远相同。这度都相同，那末它们运行轨道都将永远相同。这个结论启发了爱因斯坦构想：万有引力效应是空个结论启发了爱因斯坦构想：万有引力效应是空间、时间弯曲一个表现，从而提出了广义相对论。间、时间弯曲一个表现，从而提出了广义相对论。l l依据广义相对论，空间、时间弯曲结构决定于物质能量密度、动量密依据广义相对论，空间、时间弯曲结构决定于物质能量密度、动量密度在空间、时间中分布；而空间、时间弯曲结构又反过来决定物体运行轨度在空间、时间中分布；而空间、时间弯曲结构又反过来决定物体运行轨道。在引力不强，空间、时间弯曲度很小情况下，广义相对论结论同牛顿道。在引力不强，空间、时间弯曲度很小情况下，广义相对论结论同牛顿万有引力定律和牛顿运动定律结论趋于一致；当引力较强，空间、时间弯万有引力定律和牛顿运动定律结论趋于一致；当引力较强，空间、时间弯曲较大情况下，就有区分。不过这种区分经常很小，难以在试验中观察到。曲较大情况下，就有区分。不过这种区分经常很小，难以在试验中观察到。从广义相对论提出到现在，还只有四种试验能检验出这种区分。从广义相对论提出到现在，还只有四种试验能检验出这种区分。第19页相对论意义l l狭义相对论对空间和时间概念进行了革命性狭义相对论对空间和时间概念进行了革命性变革，而且否定了以太概念，必定了电磁场是一变革，而且否定了以太概念，必定了电磁场是一个独立、物质存在特殊形式。因为空间和时间是个独立、物质存在特殊形式。因为空间和时间是物质存在普遍形式，所以狭义相对论对于物理学物质存在普遍形式，所以狭义相对论对于物理学产生了广泛而又深远影响。产生了广泛而又深远影响。l l广义相对论不但对于天体结构和演化研究有广义相对论不但对于天体结构和演化研究有主要意义，对于研究宇宙结构和演化也有主要意主要意义，对于研究宇宙结构和演化也有主要意义。义。l l相对论应该是牛顿力学（经典力学）进化与相对论应该是牛顿力学（经典力学）进化与扩展方面理论。明确了牛顿力学适用范围。扩展方面理论。明确了牛顿力学适用范围。第20页量子力学（I）第21页量子力学（量子力学（II）l l 量子力学是研究微观粒子运动规律物理学分支学科，量子力学是研究微观粒子运动规律物理学分支学科，它主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本它主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子结构、性质基础理论，它与相对论一起组成了当代物粒子结构、性质基础理论，它与相对论一起组成了当代物理学理论基础。理学理论基础。l l量子力学不但是近代物理学基础理论之一，而且在化量子力学不但是近代物理学基础理论之一，而且在化学等相关学科和许多近代技术中也得到了广泛应用。学等相关学科和许多近代技术中也得到了广泛应用。l l 量子力学是在旧量子论基础上发展起来。旧量子论包量子力学是在旧量子论基础上发展起来。旧量子论包含普朗克量子假说、爱因斯坦光量子理论和玻尔原子理论。含普朗克量子假说、爱因斯坦光量子理论和玻尔原子理论。第22页量子力学（量子力学（III）l l19，普朗克提出辐射量子假说，假定电磁场和物质交换能量是以间断形式(能量子)实现，能量子大小同辐射频率成正比，百分比常数称为普朗克常数，从而得出黑体辐射能量分布公式，成功地解释了黑体辐射现象。l l19，爱因斯坦引进光量子(光子)概念，并给出了光子能量、动量与辐射频率和波长关系，成功地解释了光电效应。其后，他又提出固体振动能量也是量子化，从而解释了低温下固体比热问题。l l19，玻尔在卢瑟福有核原子模型基础上建立起原子量子理论。按照这个理论，原子中电子只能在分立轨道上运动，原子含有确定能量，它所处这种状态叫“定态”，而且原子只有从一个定态到另一个定态，才能吸收或辐射能量。这个理论即使有许多成功之处，但对于深入解释试验现象还有许多困难。第23页量子力学（量子力学（IV）普朗克普朗克(MaxKarlErnstLudwigPlanck,(MaxKarlErnstLudwigPlanck,185818581947)1947)德国物理学家。量子论奠基德国物理学家。量子论奠基人之一。被称作第一位理论物理学家。人之一。被称作第一位理论物理学家。玻尔玻尔(NielsHenrikDavidBohr1885(NielsHenrikDavidBohr18851962)1962)丹麦物理学家，哥本哈根学派创始人。丹麦物理学家，哥本哈根学派创始人。第24页量子力学（量子力学（V）l l19231923年德布罗意提出微观粒子含有波粒二象性假说，很快年德布罗意提出微观粒子含有波粒二象性假说，很快即为试验所证实。这一假说成为量子力学处理问题基本出即为试验所证实。这一假说成为量子力学处理问题基本出发点。发点。l l19251925年，海森堡基于物理理论只处理可观察量认识，抛弃年，海森堡基于物理理论只处理可观察量认识，抛弃了不可观察轨道概念，并从可观察辐射频率及其强度出发，了不可观察轨道概念，并从可观察辐射频率及其强度出发，和玻恩、约尔丹一起建立起矩阵力学。和玻恩、约尔丹一起建立起矩阵力学。l l19261926年，薛定谔基于量子性是微观体系波动性反应这一认年，薛定谔基于量子性是微观体系波动性反应这一认识，找到了微观体系运动方程，从而建立起波动力学，其识，找到了微观体系运动方程，从而建立起波动力学，其后很快还证实了波动力学和矩阵力学数学等价性。后很快还证实了波动力学和矩阵力学数学等价性。l l随即狄拉克和约尔丹各自独立地发展了一个普遍变换理论，随即狄拉克和约尔丹各自独立地发展了一个普遍变换理论，给出量子力学简练、完善数学表示形式。给出量子力学简练、完善数学表示形式。第25页量子力学（量子力学（VI）德布罗意（德布罗意（LouisVictorDeLouisVictorDeBroglie,1892Broglie,189219871987）法国物）法国物理学家。理学家。海森堡（海森堡（WernerKarlWernerKarlHeisenberg1901-1976Heisenberg1901-1976）德国理）德国理论物理学家，矩阵力学创建者。论物理学家，矩阵力学创建者。玻恩（玻恩（MaxBornMaxBorn，1882188219701970）德国物理学家。德国物理学家。量子力学他建者量子力学他建者之一，晶格动力之一，晶格动力学奠基人。学奠基人。薛定谔（薛定谔（ErwinSchrdingerErwinSchrdinger，1887188719611961）奥地利理论物理学家，波动力学创始人。奥地利理论物理学家，波动力学创始人。狄拉克（狄拉克（PaulAdrienMauriceDiracPaulAdrienMauriceDirac，1902190219841984）英国理论物理学家，量子力学创始人）英国理论物理学家，量子力学创始人之一。之一。第26页量子力学（量子力学（VII）l l原子物理学基本理论主要是由德布罗意、海森堡、薛定谔、原子物理学基本理论主要是由德布罗意、海森堡、薛定谔、狄拉克等所创建量子力学和量子电动力学。它们与经典力狄拉克等所创建量子力学和量子电动力学。它们与经典力学和经典电动力学主要区分是：物理量所能取数值是不连学和经典电动力学主要区分是：物理量所能取数值是不连续；它们所反应规律不是确定性规律，而是统计规律。续；它们所反应规律不是确定性规律，而是统计规律。l l量子力学和量子电动力学产生于原子物理学研究，不过它量子力学和量子电动力学产生于原子物理学研究，不过它们起作用范围远远超出原子物理学。量子力学是全部微观、们起作用范围远远超出原子物理学。量子力学是全部微观、低速现象所遵照规律，固此不但应用于原子物理，也应用低速现象所遵照规律，固此不但应用于原子物理，也应用于分子物理学、原子核物理学以及宏观物体微观结构研究。于分子物理学、原子核物理学以及宏观物体微观结构研究。量子电动力学则是全部微观电磁现象所必须遵照规律，直量子电动力学则是全部微观电磁现象所必须遵照规律，直到现在，还没有发觉量子电动力学不足。到现在，还没有发觉量子电动力学不足。第27页固体物理学固体物理学l l固体物理学是研究固体性质、它微观结构及其各种内部运固体物理学是研究固体性质、它微观结构及其各种内部运动，以及这种微观结构和内部运动同固体宏观性质关系学动，以及这种微观结构和内部运动同固体宏观性质关系学科。固体内部结构和运动形式很复杂，这方面研究是从晶科。固体内部结构和运动形式很复杂，这方面研究是从晶体开始，因为晶体内部结构简单，而且含有显著规律性，体开始，因为晶体内部结构简单，而且含有显著规律性，较易研究。以后深入研究一切处于凝聚状态物体内部结构、较易研究。以后深入研究一切处于凝聚状态物体内部结构、内部运动以及它们和宏观物理性质关系。这类研究统称为内部运动以及它们和宏观物理性质关系。这类研究统称为凝聚态物理学。凝聚态物理学。l l固体中电子运动状态服从量子力学和量子电动力学规律。固体中电子运动状态服从量子力学和量子电动力学规律。在晶体中，原子在晶体中，原子(离子、分子离子、分子)有规则地排列，形成点阵。有规则地排列，形成点阵。2020世纪初劳厄和法国科学家布拉格父子发展了世纪初劳厄和法国科学家布拉格父子发展了X X射线衍射射线衍射法，用以研究晶体点阵结构。第二次世界大战以后，又发法，用以研究晶体点阵结构。第二次世界大战以后，又发展了中子衍射法，使晶体点阵结构试验研究得到了深入发展了中子衍射法，使晶体点阵结构试验研究得到了深入发展。展。第28页固体物理学（固体物理学（II）l l固体物理对于技术发展有很多主要应用，晶体管创造以后，固体物理对于技术发展有很多主要应用，晶体管创造以后，集成电路技术快速发展，电子学技术、计算技术以至整个集成电路技术快速发展，电子学技术、计算技术以至整个信息产业也随之快速发展。其经济影响和社会影响是革命信息产业也随之快速发展。其经济影响和社会影响是革命性。这种影响甚至在日常生活中也处处可见。固体物理学性。这种影响甚至在日常生活中也处处可见。固体物理学也是材料科学基础。也是材料科学基础。布拉格父子（布拉格父子（WilliamLawrenceBraggWilliamLawrenceBragg（左）（左），1890197118901971；WilliamHenryandBraggWilliamHenryandBragg（右）（右），1862194218621942）英国物理学家。晶体物理学奠基人。）英国物理学家。晶体物理学奠基人。劳厄（劳厄（MaxTheodorFelixVonMaxTheodorFelixVonLaue18791960Laue18791960）德国物理学）德国物理学家。家。X X射线衍射发觉者。射线衍射发觉者。第29页（原子）核物理学（原子）核物理学（I）l l原子核物理学是研究原子核性质，它内部结构、内部运动、原子核物理学是研究原子核性质，它内部结构、内部运动、内部激发状态、衰变过程、裂变过程以及它们之间反应过内部激发状态、衰变过程、裂变过程以及它们之间反应过程学科。程学科。l l18961896年，贝可勒尔发觉天然年，贝可勒尔发觉天然放射性，这是人们第一次观放射性，这是人们第一次观察到核改变。察到核改变。1919，卢瑟福等，卢瑟福等人利用人利用 射线轰击各种原子，射线轰击各种原子，观察观察 射线所发生偏折，从而射线所发生偏折，从而确立了原子核结构，提出了确立了原子核结构，提出了原子结构行星模型，这一成原子结构行星模型，这一成就为原子结构研究奠定了基就为原子结构研究奠定了基础。今后很快，人们便初步础。今后很快，人们便初步搞清了原子壳层结构和电子搞清了原子壳层结构和电子运动规律，建立和发展了描运动规律，建立和发展了描述微观世界物质运动规律量述微观世界物质运动规律量子力学。到子力学。到3030年代初，静电、年代初，静电、直线和盘旋等类型加速器已直线和盘旋等类型加速器已具雏形，人们在高压倍加器具雏形，人们在高压倍加器上进行了初步核反应试验。上进行了初步核反应试验。卢瑟福（卢瑟福（ErnestErnestRutherford,1871Rutherford,187119371937）英）英籍新西兰物理学家。籍新西兰物理学家。第30页（原子）核物理学（原子）核物理学（II）l l经过核反应，已经人工合成了经过核反应，已经人工合成了1717种原种原子序数大于子序数大于9292超铀元素和上千种新放超铀元素和上千种新放射性核素。这种研究深入表明，元素仅射性核素。这种研究深入表明，元素仅仅是在一定条件下相对稳定物质结构单仅是在一定条件下相对稳定物质结构单位，并不是永恒不变。位，并不是永恒不变。l l2020世纪世纪4040年代前后，核物理进入一个年代前后，核物理进入一个大发展阶段。大发展阶段。19391939年，哈恩和斯特拉年，哈恩和斯特拉斯曼发觉了核裂变现象；斯曼发觉了核裂变现象；19421942年，费年，费米建立了第一个链式裂变反应堆，这是米建立了第一个链式裂变反应堆，这是人类掌握核能源开端。人类掌握核能源开端。费米（费米（EnricoFermiEnricoFermi，1901190119541954）是美籍意大利裔物理学）是美籍意大利裔物理学家。原子能事业先驱。家。原子能事业先驱。第31页粒子物理学（粒子物理学（I）l l当前对所能探测到物质结构最深层次研究称为粒当前对所能探测到物质结构最深层次研究称为粒子物理学，又称为高能物理学。子物理学，又称为高能物理学。l l19321932年，查德威克在用年，查德威克在用 粒子轰击核试验中发觉粒子轰击核试验中发觉了中子。随即人们认识到原子核是由质子和中子了中子。随即人们认识到原子核是由质子和中子组成，从而得到了一个全部物质都是由基本结构组成，从而得到了一个全部物质都是由基本结构单元单元质子、中子和电子组成统一世界图像。就质子、中子和电子组成统一世界图像。就在这个时候开始形成了当代基本粒子概念。在这个时候开始形成了当代基本粒子概念。l l从此以后人类认识到基本粒子数目越来越多。从此以后人类认识到基本粒子数目越来越多。这这些基本粒子都是基本吗？些基本粒子都是基本吗？第32页粒子物理学（粒子物理学（II）11）夸克）夸克 强子强子11）重子：）重子：p,n,p,n,粒子粒子22）介子：）介子：,K,K,2 2）轻轻子：子：e,