近代物理学史

• 约瑟夫· 汤姆生（J.J.汤姆逊）（英国）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1906年诺贝尔物理 学奖
（二）经典物理学的两朵乌云
• 1900年4月27日，开尔文在英国皇家学会 以《19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 物理学是万里晴空，但又说：“动力学 理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 朵乌云遮蔽得黯然失色了。
• 由伽利略(1564—1642)和牛顿(1642—1727)等人 于17世纪创立的经典物理学，经过18世纪在各 个基础部门的拓展到19世纪得到了全面、系统 和迅速的发展达到了它辉煌的顶峰。到19世纪 末，已建成了一个包括力、热、声、光、电诸 学科在内的、宏伟完整的理论体系。特别是它 的三大支柱——经典力学、经典电动力学、经 典热力学和统计力学——已臻于成熟和完善， 不仅在理论的表述和结构上已十分严谨和完美， 而且它们所蕴涵的十分明晰和深刻的物理学基 本观念，对人类的科学认识也产生了深远的影 响
二、现代物理学革命的序幕
（一）19世纪末的三大发现 • 1．X射线的发现 • 2．放射性的发现 • 3．电子的发现 （二）经典物理学的两朵乌云 • 1．第一朵乌云“以太”学说 • 2．第二朵乌云“紫外灾难”
（一）19世纪末的三大发现
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。
劳厄 (Max von Laue ,1879-1960)
1914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X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）
• 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， 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 为“放射性”，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 学家们所信守的基本理论。居里夫妇和 贝可勒尔共同获得了1903年诺贝尔物理 学奖
1915年诺贝尔物理学奖授予英国伦敦大学 的亨利.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.布拉格以表彰他们用X射线 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 射的新发现判定X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 中内层电子跃迁所发出的辐射 • 劳厄（德国）发现晶体中的X射线衍射现 象获得了1914年诺贝尔物理学奖 • W· 布拉格、W· 布拉格（英国）因用 H· L· X射线对晶体结构的研究共同获得了1915 年诺贝尔物理学奖
• 计算机的基本技术，计算机的仿真技术，计算机 的数值计算技术
历史回顾（VII）
• 实验5-4 计算机系统结构原理及组装调试 实验 • 实验5-1 计算机虚拟仿真物理实验 • 实验5-2 计算机数值模拟实验（混沌系统 模型的一个例子）
一、经典物理学的成就和基本观念
• • • • （一）经典力学和机械决定论 （二）热力学与能量和熵 （三）经典电动力学和“以太”说 （四）经典物理学的完成和局限
2．放射性的发现
• 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 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， 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 气体电离变成导体 • 波兰出生的物理学家玛丽· 居里当时选择 了放射性物质作为她博士论文的题目
• 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 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 于某一参照物的相对运动。牛顿本人也 充分意识到了确定“绝对运动”的困难， 最后只能以臆测性的“绝对空间”的存 在作为避难所
• 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 空间，静止于宇宙中的以太就构成了一 切物体的“绝对运动”的背景框架。既 然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 过精密的实验测出物体相对于以太背景 的绝对运动
J.J.汤姆孙爵士 （Sir Joseph Thomon,1856-1940） 1906年诺贝尔物理学奖授予英国剑桥大学 的J.J.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。
3．电子的发现
• 英国物理学家J.J.汤姆逊支持带电微粒说。 于1897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 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 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 质比的数值大约是氢离子的千分之一， 而其速度大约在109厘米/秒的数量级
1．X射线的发现
• 1895年11月伦琴发现X射线，一种具有强 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 千页的书、几厘米厚的木板、15毫米厚的 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 • 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
（二）热力学与能量和熵
• 能量守恒原理的建立，使物理学思想和 理论结构获得了辉煌的进展是19世纪自 然科学上的一个伟大胜利也是近代物理 学发展中的第二次理论大综合
• 熵原理的发现，实际上把演化的思想带 进了物理学，指出了自然过程的不可逆 性和历史性
பைடு நூலகம்
• 在经典力学和电磁场理论中，基本物理 定律中的时间都是对称的、可逆的，它 们的基本方程对时间反演都是具有对称 性的，运动对于过去和未来没有本质的 区别，时间在那里仅仅是从外部描述运 动的一个参量，它的变化对运动的性质 并无影响。因而时间箭头在那里没有实 质性的意义
（三）经典电动力学和“以太” 说
• 1862年，麦克斯韦引入了一个电磁以太 的准力学模型和“位移电流”假设， 1864年提出了电动力学方程组，预言了 电磁波的存在，井揭示了光的电磁波动 本性。麦克斯韦的方案使媒递接触观念 得以完全实现，并使电磁学理论的全部 物理基础得以奠定，成为近代物理学发 展中的第三次理论大综合
（一）经典力学和机械决定论
• 由牛顿把它概括在一个严密的统一理论中，实 现了近代物理学发展史上第一次理论大综合。 在l687年出版的《自然哲学的数学原理》中， 牛顿提出了动力学的三个基本原理和万有引力 定律。利用变分法的数学方法和“最小作用量 原理”的物理学基础建立起了和牛顿动力学方 程等价的欧拉—拉格朗日方程，并最终于1834 年由英国的哈密顿(1805—1865)提出了哈密顿 原理和正则方程，建立了“分析力学”理论， 实现了牛顿后力学理论的一个最大的飞跃
历史回顾（I）
• 1900年普朗克量子论 • 1905年爱因斯坦相对论
• 开辟了现代物理学的新纪元
• 研究范围在空间尺度上从亚核世界到整 个字宙，在时间尺度上从小于10-21秒到 宇宙年龄
历史回顾（II）
• —百多年前创立的麦克斯韦电磁场理论为无线电、 电视、雷达的技术发明和庞大的工业电力网络以及 现代通汛系统的建立奠定了理沦基础
历史回顾（IV）
• 1877年John Kerr在观察偏振光从抛光过 的电磁铁磁极反射出来时，发现了磁光 克尔效应（magneto-optic Kerr effect） • 实验2-3 法拉第效应
• 实验2-4 磁光克尔效应
历史回顾（V）
• 本世纪20年代创立的量子力学理论为描述微观 物体的行为提供了一个全新的框架，改变了我 们最基本的测量原理，并为了解原子、分子和 凝聚态物质的结构铺平了道路。因而导致了诸 如半导体、光通讯等新兴技术的崛起，并为研 制奇异材料和激光器件开辟了道路
（四）经典物理学的完成和局限
• 大约到了1895年前后，以经典力学、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，结合成一座具 有雄伟的建筑体系和动人心弦的“美丽 的殿堂”，达到了它的颠峰时期
• 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 力看作是一种瞬时传递的超距作用，这 与19世纪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 波的传播媒介的“以太”，其令人难以 理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 背离
• “统计力学”这个名称是1884年由美国物 理学家吉布斯(1839一1903)首先提出的。 吉布斯在麦克斯韦和玻耳兹曼思想的基 础上，明确形成了“系综”概念，创立 了系综统计方法。从而将热学的唯象的 和分子运动论的两个基本的研究方向统 一到一个有机整体之中，完成了统计力 学这个经典物理学的又一次理论大综合
• 实验4-2 微波布拉格衍射
贝克勒尔
（Antoine Henri Becquerel ,1852 -1908）
居里夫妇
1903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；另一半授予法 国物理学家皮埃尔· 居里（Pierre Curie ,1859 -1906 ）和玛丽· 斯可罗夫斯卡· 居里（Marie Sklodowska ,1867 - 1934）,以表彰他们对贝克勒尔发现的辐射现 象所作的卓越贡献。
• 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· 杨研究过这个 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 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。”这两朵乌 云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
1．第一朵乌云“以太”学说
经典和近代物理学史
——兼谈诺贝尔物理学奖和一些技术
物理实验中心近代物理实验室 2008.2.21
历史回顾
• 一、经典物理学的成就和基本观念 • 二、现代物理学革命的序幕 • 三、相对论的建立 • 四、量子论的初期发展与量子力学建立 • 五、原子结构理论的发展 • 六、原子核物理的建立与发展 • 七、传感及测量技术
历史回顾（VI）
• 1947年肖克莱、巴丁和布喇顿所发现的晶体管效 应揭开了今天发生在我们周围的计算机革命的序 幕。没有人能够知道这场革命最终将会如何改变 我们的生活和人类社会，但是它所显露出的信息 社会的近期前景巳十分诱人 • 肖克利、巴丁、布拉顿因发明晶体管及对晶体管 效应的研究共同获得了1956年诺贝尔物理学奖
• 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 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。 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 实的不断证实而得到科学界的承认 • 实验5-3 盖革—弥勒计数器特性和放射 性核衰变统计规律的模拟实验（碳14）
• 拉姆（美国）发明了微波技术，进而研究氢原子的 精细结构；库什（美国）用射频束技术精确地测定 出电子磁矩，创新了核理论，共同获得了1955年诺 贝尔物理学奖
• 微波实验基本知识和实验4-1 反射式速调管的特性 和波导工作状态的测量
历史回顾（III）
• 磁光效应指的是具有固有磁矩的物质在外 磁场的作用下，电磁特性发生变化，因而使光 波在其内部的传输特性也发生变化的现象。 1845年，Michael Faraday首先发现了磁光效应， 他发现当外加磁场加在玻璃样品上时，透射光 的偏振面将发生旋转