2016近现代物理学引论.ppt

近现代物理学引论 到19世纪末，经典物理学理论体系的大厦巍然耸立，使人们普遍产生了一种错觉，认为物理学的发展已经完成，人们对物理世界的解释已经达到了终点，宇宙万物必然按照由精美的数学方程所表达的物理学定律永远运动下去。 著名德国物理学家基尔霍夫曾表示：“物理学将无所作为了，至多只能在已知规律的公式的小数点后面加几个数字罢了。” （一）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。 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 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 美国物理学家迈克尔逊（1852－1931）在1881年，他和莫雷（1838－1923）在1887年利用干涉仪所进行的精密光学实验，都未能观察到所预期的以太相对于地球的运动 第二朵乌云“紫外灾难” 第二朵乌云涉及的是经典物理学另一分支，热力学和分子运动论中的一个重要问题。开尔文明确提到的是“麦克斯韦－玻耳兹曼关于能量均分的学说”。实际上是指19世纪末关于黑体辐射研究中所遇到的严重困难 为了解释黑体辐射实验的结果，物理学家瑞利和金斯认为能量是一种连续变化的物理量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。但是，这个公式推出，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，这和实验数据相差十万八千里，是根本不可能的。所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难” 20世纪初的这两朵乌云最终导致了物理学的一场大变革。第一朵乌云“以太”学说导致了相对论的诞生。第二朵乌云“紫外灾难”导致了量子力学的产生。因此也可以说，对这两朵“乌云”的研究就标志着现代物理时代的到来 （二）十九世纪末物理学的三大发现 ? 自古到今，人们就在不断地思索，世界万物由什么构成的？它有最小结构吗 哲学家亚里士多德等人则认为物质是连续的，世界万物由土、空气、水、火这四种元素组成的，而天则是第五种元素“以太”所组成的 古希腊哲学家德谟克利特等人认为，物质是不连续的，分到最后将由一些不可再分的东西所组成，他把这种物质的基元命名为“a–toms（“原子”）”，古希腊文的意思是“不可再分的东西”。 用于发现镭与钋的沥青铀矿样品 （3） 量子论和量子力学的诞生 1　热辐射与“紫外灾难”一、基尔霍夫辐射定律黑体：理想的热辐射体是“绝对黑体”，简称“黑体”，它是在任何温度下都能全部吸收落在它上面的一切辐射的理想物体。 2 普朗克的量子论 一、普朗克的能量子 德国著名物理学家麦克斯?普朗克少年时就酷爱科学和艺术，中学毕业后对于人生道路的选择举棋不定，究竟 是为科学奋斗终身呢， 还是献身于音乐？普朗 克几度徘徊，反复思考 ，最终还是选定了科学。 3 光的粒子性 1905年，普朗克收到了爱因斯坦的一篇论文，题目叫做《关于光的产生和转化的一个启发性观点》，他在论文里提出了“光量子”对光电效应的一种新解释，普朗克看完论文之后，立即给这位素不相识的青年人写信表示祝贺，爱因斯坦的论文发表后，在物理学界再次引起很大震动。 普朗克荣获1918年度诺贝尔物理学奖，爱因斯坦也因此荣获1921年度诺贝尔物理学奖。从此，人们对普朗克的量子论也另眼相待了。 4 玻尔的量子理论 一般以普朗克宣布其能量子概念的1900年12月14日作为量子物理的诞生日，拉开了量子革命的序幕。 可以把量子论的发展历史划分成三个时期。 旧量子论： 1900年普朗克提出能量子概念， 1905年爱因期坦发展而建立光量子理论， 1913