近代物理发展史

近代物理发展史
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经典物理与近代物理

第一、立足于牛顿力学的经典物理学和经典自然 科学在很在程度上是关于自然事物、自然属性、 自然过程和自然界规律性的知识，但它往往没有 对这些事物、属性、过程和规律性的机制（道理） 从因果性上作出解释；近代自然科学所能做到的 或应当做到的，则是依据于对微观过程的了解， 解决这些“为什么”的问题。
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3．迈克耳逊—莫雷实验

波动理论假定了真空中充满以太，光相 对于以太的速度C传播，地球上的观察 者所测到真空中光速的数值将是多大呢？ 如果认为地球运动时以太完全没有被带 动，地球上测到的真空光速应该是光对 以太的速度与地球相对于以太速度的矢 量差，为了能够显示出光相对于地球的 传播速度不同于C，迈克耳逊设计了一 个十分巧妙的实验。
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在迈克耳逊最初装置中，采用地球公转速度可得 0.04个条纹，这是一个很小的效应，但他的仪器 装置观察到的只是0.02个条纹的变动,即使进一步 改进,结果都没有观察到条纹的移动.
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4．洛伦兹等人的贡献
斐兹杰惹于1889年，洛伦兹于1892年先后独立地 提出了著名的洛伦兹—斐兹杰惹收缩假定。他们 都承认以太的存在，在以太中静止的一个长为L 的物体，当它沿长度方向相对于以太速率V运动 时，将缩短到
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玻尔理论的形成


光谱 卢瑟福 量子理论
玻尔理论
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1913年《原子构造和分子构造》 提出了两条基 本假设：定态、跃迁

1914年，夫兰克和G．赫兹以能量分立的指导思 想，进行电子与原子的碰撞实验设计。他们利用 慢电子与稀薄水银蒸气碰撞方法，来确定银原子 的激发电位或电离电位。从而证实原子只能处在 一定的分立能量状态当中。由此突破了“自然无 飞跃”能量连续性的经典物理观点。这个实验成 为玻尔原子理论的一个重要证据之一，
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7．爱因斯坦的成功分析

1．兼收并蓄 2．敢于创新， 突破常规精神 3．哲学修养
美发射探测卫星 验证 88年前爱因斯坦的预言 24
第四章 量子力59年 基尔霍夫物体热辐射的发射本领 e(v,T)和吸收本领a(v,T)的比值都相等，并等 于该温度下黑体对同一波长的辐射度 1879年 斯特潘根据实验总结出黑体辐射总 能量与黑体温度四次方成正比的关系 1893年 维恩经验式子 m b 1900年 瑞利 c 4
J.J.汤姆生对电子研究
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二 X射线的研究

1895年，德国的维尔茨堡大 学，伦琴教授 阴极射线研 究 发现了X射线
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三、放射性的发现


对阴极射线研究引起了放射性物质的发 现 。1896年5月18日，贝克勒尔发现了 放射性。 贝克勒尔发现放射性虽然没有伦琴发现 X射线那样轰动一时，意义却更为深远。 因为这是人类第一次接触到核现象，为 后来居里夫妇、卢瑟福等对放射性研究 发展开辟了道路。
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1918年，玻尔为了解释谱线强度这一当 时原子理论无法解决的难题，提出了协 调经典物理理论与微观量子理论之间相 互关系的对应原理
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玻尔的直觉与创新研究方法
玻尔的科研思想与他的直觉相联系在一起， 他从不畏缩不前，也不遵循所谓严格的逻 辑道路的方法。玻尔灵活的思维特点与思 想方法在今天已成为越来越多的人所理解 和赏识。
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⒈定性研究：J.J.汤姆生还改进了赫兹的静电场偏 转实验，他进一步提高了真空度，并且减小极间电 压，以防止气体电离，终于获得了稳定的静电偏转。 ⒉定量研究 ：一种方法是用静电场偏转管在管子 两侧各加一通电线圈以产生垂直于电场方向的磁场， 然后根据电场和磁场分别造成的偏转，计算出阴极 射线的荷质比e/m，另一种方法是测量阴极的温升。 因为阴极射线撞击到阴极，会引起阴极的温度升高。 J.J.汤姆生把热电偶接到阴极，测量它的温度变化， 两种不同的方法得到的结果相近，荷质比 ⒊普遍性证明
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机械波的波动方程与电磁波的 波动方程
机械振动只有在弹性介质中传播才形成机械波，在弹性介质中应 用牛顿定律和胡克定律，即可建立机械波的波动方程，一维横波的波 动方程为
N y y 2 2 x t
2 2
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机械振动只有在弹性介质中传播才形成机械波，在 弹性介质中应用牛顿定律和胡克定律，即可建立机械波 的波动方程，一维横波的波动方程为
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二 节近代物理学的序幕
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一 电子的发现

背景: 电子的发现起源于
对阴极射线的研究。阴极射 线是低压气体放电过程中的 一种奇特现象。这一观点得 到赫兹等人的支持，赞成以 太说的大多是德国人。英国 物理学家克鲁克斯以及舒斯 特根据各自的实验及解释都 认为阴极射线是由粒子组成 的。德国学派主张以太学说， 英国学派主张带电微粒说。
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一 黑体辐射的研究
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为了解决上述困难，普朗克利用内 插法，将适用于短波的维恩公式 和适用于长波的瑞利—金斯公式 衔接起来。在1900年提出了一个 新的公式
U e
hv
hv k
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普朗克与统一思想的波动
普朗克对量子论的研究工作中犹豫徘徊、 畏缩不前的主要原因是物理学的统一性问 题，即如何对量子论的解释。
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4 固体物理学

20世纪初，固体物理学就开始深入到微 观领域，人们开始利用微观规律来计算 实验观测量。量子力学首先应用于简谐 振子及简单的原子上，并显示了其正确 性，其次又在化学键的问题上取得了效 果。二十世纪20年代后，固体物理学作 为一门学科在物理学领域中诞生。
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5 物理学与技术

物理学的发展为新技术提供了基础，与此相反 的关系也完全存在。假如不采用电子技术的各 式各样的机器，今天的物理学，甚至整个科学 研究都可能连一天也存在不下去。要建造超高 能物理学所不可缺少的巨大加速器，必须要动 员当前最先进的精密机械技术和电子学技术才 行。同时由于对技术进步的不断要求，作为这 些技术基础的物理学的研究也正在日益加强。 可以说，没有上述各方面的条件，就不可能存 在今天这种大规模、多方面的物理学研究。
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6 ．广义相对论的建立 狭义相对论建立之后，爱因斯坦并没有止步，他
认为狭义相对论还有许多问题没有解决，例如： 为什么惯性质量随能量变化？为什么一切物体在 引力场中下落都具有同样的加速度？1916年，爱 因斯坦发表了《广义相对论的基础》，对广义相 对论的研究作了全面的总结。在论文中，爱因斯 坦证明了牛顿理论可以作为相对论引力理论的第 一级近似，并且组给出了谱线红移、光线弯曲、 行星轨道近日点进动的理论预言
N y y 2 2 x t
2 2
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机械波的波动方程和波速这些性质是否也适 用于电磁波（包括光波）呢？电磁波有类似 于机械波的波动方程，那么，电磁波的波动 方程是相对于什么样的参考系建立的？真空
中速度是相对于什么参考系的。
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第二、经典自然科学有它的普遍性和整体性， 但就对整个自然事物的反映看，经典理论基本 上是关于特殊的、局部的自然领域的知识；近 代自然科学则具有更高程度的普遍性和更大范 围的全局性
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一
发展中的物理学
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1 相对论

相对论是现代物理学的重要基石。它的 建立是20世纪自然科学最伟大的发现之 一，对物理学、天文学乃至哲学思想都 有深远的影响。相对论是科学技术发展 到一定阶段的必然产物，是电磁理论合 乎逻辑的继续和发展，是物理学各有关 分支又一次综合的结果。相对论经迈克 耳逊、莫雷实验、洛伦兹及爱因斯坦等 人发展而建立。
v l 1 2 c
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5． 爱因斯坦与狭义相对论

将相对性原理应用于电磁理论，如果认 为电磁场的麦克斯韦方程组是正确的 （方程组中真空中光速C的普适常数出 现）。则必须同时承认真空中光速C对 所有惯性系相同，与波源的运动无关。 然而，这却是于牛顿力学不相等的。在 牛顿力学中，速度总是相对于一定的参 考系，不允许在动力学方程中出现普适 的速度。
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量子力学的建立

1924年泡利提出不相容原理。这个原理促使乌 伦贝克和高斯密特，在1925年提出电子自旋的 设想。从而使长期得不到解释的光谱精细结构、 反常塞曼效应和斯特恩—盖拉赫实验等难题迎 刃而解。同年，海森伯创立了阵矩力学，使量 子理论登上了一个新的台阶。1923年德布罗意 提出物质波假设，导致了薛定谔在1926年以波 动方程的形式建立了新的量子理论。不久薛定 谔证明，这两种量子理论是完全等价的，只不 过形式不同罢了。1928年狄拉克提出电子的相 对论性运动方程——狄拉克方程，奠定了相对 论性量子力学的基础。 33
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第三章 相对论的建立
相对论的研究起源于“以太漂移”的探索以及 光行差的观测。1678年惠更斯把光振动类比于声振 动，看成是以太中的弹性脉冲。但是后来由于光的 微粒说占了上风，以太理论受到压抑，牛顿就认为 不需要以太，他主张超距作用。1800年以后，由于 波动说成功地解释了干涉、衍射和偏振等现象，以 太学说重新抬头。在波动说的支持者看来，光既然 是一种波，就一定要有一种载体，这就是以太。他 们把以太看成是无所不在，绝对静止，极其稀薄的 刚性“物质”。
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2 量子力学

1900年普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射 规律的困难，引入了能量了概念，为量子理论 奠定了基石。随后爱因斯坦针对光电效应实验 与经典理论的矛盾，提出了光量子假说，并在 固体比热问题上成功地运用了能量子概念，为 量子理论的发展打开了局面。1913年，玻尔在 卢瑟福有核模型的基础上运用了量子化概念， 对氢光谱作出了满意的解释，使量子论取得了 初步的胜利。之后经过玻尔、索末菲海森堡、 薛定谔、狄拉克等人开创性的工作，终于在 1925年-1928年开成了完整的量子力学理论。