近代物理實(shí)驗(yàn)（選修）

1、近代物理實(shí)驗(yàn) （選修） 主 講：鄭 喬 聯(lián)系電話：7935553,一、近代物理,在19世紀(jì)末，經(jīng)典力學(xué)、熱力學(xué)、統(tǒng)計(jì)物理學(xué)和電動(dòng)力學(xué)取得一系列成就，物理學(xué)家建立了一座座宏偉的科學(xué)大廈。此時(shí)，不少人認(rèn)為，后

2、輩物理學(xué)家似乎只有做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了。但是，“在物理學(xué)晴朗的天空出現(xiàn)了兩朵令人不安的“烏云”（開(kāi)爾文1900.4）”。一朵是邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)（相對(duì)論）；一朵是與 黑體輻射有關(guān)（量子力學(xué)）。正是這兩朵烏云，掀起了物理學(xué)上深刻的革命——近代物理的蓬勃發(fā)展。,近代物理的內(nèi)容：1、量子力學(xué)和狹義相對(duì)論 （微型計(jì)算機(jī)、激光和光通信、核能、納米科學(xué)、同步輻射）2、原子和分子（化學(xué)、生物學(xué)、材料科學(xué)、 超導(dǎo)）3、原子核和粒子

3、（核能開(kāi)發(fā)、核技術(shù)應(yīng)用）4、廣義相對(duì)論和天體（正確的時(shí)空觀）5、混沌（非線性科學(xué)）,一、原子和分子理論的幾個(gè)代表性事件1、原子的行星模型 原子中帶正電部分集中在原子中心很小的體積中，但它占有整個(gè)原子99.9%以上的質(zhì)量，電子圍繞原子核做不停的轉(zhuǎn)動(dòng)。 它的意義及困難①最重要的意義是提出了原子的“核式結(jié)構(gòu)，根據(jù)這一模型，利用散射來(lái)研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法成為材料分析的有力手段。例：用α粒子對(duì)月球表面的盧瑟福

4、散射，分析了月球表面的成分，與取樣結(jié)果基本符合。,②無(wú)法解釋原子的穩(wěn)定性。由于電子在做加速運(yùn)動(dòng)時(shí)不斷地失去自己的能量，從而向著核作螺旋形的運(yùn)動(dòng)，最終掉到核內(nèi)，使正負(fù)電荷中和，原子完全崩潰（原子坍塌）。2、黑體輻射的普朗克的量子假說(shuō) 若一物體對(duì)什么光都吸收而無(wú)反射，我們就稱(chēng)這種物體為“絕對(duì)黑體”簡(jiǎn)稱(chēng)黑體。 一束光一旦從狹縫射入空腔后，就難再通過(guò)狹縫反射出去，這個(gè)空腔的開(kāi)口就可以被看成是黑體。,如圖所示

5、經(jīng)典：普朗克：,電磁輻射的能量交換只能是量子化的，即 由于普朗克的量子說(shuō)與經(jīng)典物理的概念嚴(yán)重背離，正式提出五年之后，沒(méi)有人理會(huì)，直到1905年才由愛(ài)因斯坦作了發(fā)展，提出光的量子說(shuō)，用E=hν成功地解釋了光電效應(yīng)。3、著名的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)①光電效應(yīng),②密立根油滴實(shí)驗(yàn)③夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)、,4、目前的著名實(shí)驗(yàn) 原子的概念并非是一種假設(shè)，目前人們不但能觀測(cè)到實(shí)實(shí)在在的原子，還能在某些特

6、定條件下人為地操縱和控制它們。下圖就是用掃描隧道顯微鏡的探針在銅的表面上逐個(gè)將48個(gè)鐵原子擺成的直徑為142.6A0的圓環(huán)。,沒(méi)有原子結(jié)構(gòu)模型的研究，就不會(huì)有今天的近代物理（量子力學(xué)）的高樓大廈。 隨著對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)更深層次的研究的不斷深化，近十年來(lái)，人們又在做“油滴實(shí)驗(yàn)”企圖尋找分?jǐn)?shù)電荷。（近代物理的很多實(shí)驗(yàn)都是有著很強(qiáng)的生命力）,二、原子核和粒子 原子核是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)層次。它介于原子與粒子之

7、間，是由質(zhì)子與中子（統(tǒng)稱(chēng)核子）組成的非相對(duì)論量子多體體系。 原子核在物質(zhì)結(jié)構(gòu)“鏈”上所處的地位如圖：,5、原子物理與其它學(xué)科的關(guān)系：,基于原子核物理的核磁共振技術(shù)在已在物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。（今年生物和醫(yī)學(xué)的諾貝爾獎(jiǎng)） 核磁共振：原子核的磁矩在恒定磁場(chǎng)和高頻磁場(chǎng)同時(shí)作用且滿足一定條件時(shí)所發(fā)生的共振吸收現(xiàn)象。 一個(gè)磁矩和一個(gè)恒定磁場(chǎng)

8、的相互作用能為：,由于相互作用能的大小遠(yuǎn)小于原來(lái)核能級(jí)的相鄰能級(jí)間的能量差，原來(lái)的一個(gè)核能級(jí)附加上相互作用能，只能分裂為2I+1個(gè)子能級(jí)。只有從交變電磁場(chǎng)吸收能量hν,處于低子能級(jí)的原子核就可以躍遷至高子能級(jí)。 即：恒定電磁場(chǎng)保證能級(jí)分裂，交變電磁場(chǎng)使其產(chǎn)生可觀察的吸收峰。當(dāng)把恒定的電磁場(chǎng)變?yōu)樵诳臻g有梯度的電磁場(chǎng)時(shí)，不同空間處的物體或同一樣品的不同位置處的點(diǎn)，相互作用能不同。如同物體成象時(shí)的位相不同一樣，其共振

9、頻率不同，所表現(xiàn)出的吸收譜不同—核磁共振成像技術(shù)。,三、廣義相對(duì)論與天體1、廣義相對(duì)論 基于兩個(gè)基本原理：等效原理和廣義相對(duì)論原理。其中等效原理是整個(gè)廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)，而等效原理的出發(fā)點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)事實(shí)。 等效原理：物質(zhì)慣性質(zhì)量等于引力質(zhì)量 廣義相對(duì)論原理：物理定律在一切參考系中都具有相同的形式，或者說(shuō)物理規(guī)律的表述都相同，即它們?cè)谌我庾鴺?biāo)變換下都具有協(xié)變性。所謂協(xié)變性，就

10、是在坐標(biāo)變換下公式或方程的形式不變。這樣對(duì)物理規(guī)律而言一切參考系都平等，徹底消除了慣性系的特殊地位。,2、天體的研究方法 一是測(cè)量天體離我們的距離，二是獲取天體的物理信息。 物理信息的獲得—光譜測(cè)量 能夠探明天體上發(fā)光體的化學(xué)組成，探明它所含有的原子、分子、離子以及其它粒子的豐度；了解它所在的局部物質(zhì)狀態(tài)、溫度、密度、磁場(chǎng)、電場(chǎng)…..；在近三四十年里，人們能探測(cè)到的

11、已不僅僅是可見(jiàn)光，已經(jīng)擴(kuò)展到包括射電、紅外、紫外以及X射線等在內(nèi)的整個(gè)電磁波譜的各波段。為了減少地球大氣層、電離層的影響，人們盡可能把天文望遠(yuǎn)鏡用衛(wèi)星送上太空。除哈勃太空望遠(yuǎn)鏡外，正在規(guī)劃中的世界空間觀測(cè)站計(jì)劃把紫外天文衛(wèi)星發(fā)射到地球150萬(wàn)公里的太空。,3、光譜的獲得①傳統(tǒng)方法： 光譜是用光譜儀測(cè)量的，其種類(lèi)繁多。但基本結(jié)構(gòu)原理相近，大致由三部分組成：光源、分光器（棱鏡，或光柵）；記錄儀（把分出的不同成分的光強(qiáng)

12、記錄下來(lái)）下圖是棱鏡攝譜儀的原理圖,②利用光敏器件制成的傳感器來(lái)傳輸信息。 各種光電傳感器是以光作為媒介來(lái)感受被測(cè)對(duì)象的信息的，是一種非接觸式測(cè)量，免去了傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量中由于與被測(cè)對(duì)象間的機(jī)械相互作用而導(dǎo)致的測(cè)量誤差，同時(shí)使本來(lái)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的測(cè)量成為可能，這種基于光敏傳感器的非接觸式測(cè)量又是遙測(cè)和遙控的重要基礎(chǔ)。,3、醒目的天體研究,四、混沌1）牛頓的決定性和可預(yù)測(cè)性2）隨機(jī)性的不可預(yù)測(cè)性

13、 在自然界中，決定和混亂（或隨機(jī)）并存而且緊密聯(lián)系。3）混沌，又名渾沌，其原意指事物生成前宇宙的原始空虛狀態(tài)。如今，混沌是指非線性確定性系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和演化具有內(nèi)在隨機(jī)性的一種表現(xiàn)。它的一個(gè)重要特征是：對(duì)初值的極端敏感性。“蝴蝶效應(yīng)”：今天在北京一只蝴蝶扇動(dòng)一下翅膀，可能下月在紐約引起一場(chǎng)暴風(fēng)雨。,混沌實(shí)例1）天體運(yùn)動(dòng)的混沌 三體問(wèn)題，不可能有解析解是不爭(zhēng)的事實(shí)，該類(lèi)問(wèn)題目前只能用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。（天文觀測(cè)面

14、臨的主要問(wèn)題是簡(jiǎn)化的二體問(wèn)題） 長(zhǎng)期的天氣預(yù)報(bào)是不可能的； 恐龍滅絕、1994年一顆彗星撞上木星等都很可能是星體混沌運(yùn)動(dòng)的一種表現(xiàn)。2）生物界的混沌 生物的進(jìn)化（適者生存）就是具有反饋的混沌； 人的自身免疫反應(yīng)。3）飛機(jī)后面產(chǎn)生的氣流渦流、液流后面出現(xiàn)的十分紊亂的流動(dòng),混沌圖,以上的混沌實(shí)例具有很大的實(shí)際意義，但至今沒(méi)有滿意的理論說(shuō)明?；煦鐚W(xué)說(shuō)的建立給

15、這方面的研究提供了可能。,二、高新技術(shù) 以信息技術(shù)為先導(dǎo)，以新材料技術(shù)為基礎(chǔ)，以新能源技術(shù)為支柱，在宏觀領(lǐng)域向空間及海洋技術(shù)發(fā)展，在微觀領(lǐng)域則向生物技術(shù)開(kāi)拓。1、光學(xué)信息處理及數(shù)字化技術(shù) 阿貝成像和空間濾波 起源于19世紀(jì)70年代德國(guó)科學(xué)家阿貝提出的成像原理和20世紀(jì)初的阿貝-波特實(shí)驗(yàn)，它給出了一種新的方式來(lái)描述光信息的傳播，為人們對(duì)光信息的篩選、提取和處理提供了新的思想

16、和途徑。它把通信理論中的調(diào)制、濾波、選頻等概念與方法引入到光學(xué)的領(lǐng)域，其基本思想是用空間頻譜的概念來(lái)分析和處理光信息。理論研究和應(yīng)用范圍日益廣泛，是目前現(xiàn)代光學(xué)中非常活躍的研究方向。,實(shí)例：觀察天空中最亮的恒星天狼星的伴星,光電數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)—CCD技術(shù) 由于在數(shù)碼相機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī)等方面的應(yīng)用，CCD陣列式傳感器得到了很大的發(fā)展。它與普通的成像器件相比有很多明顯的優(yōu)點(diǎn)，它集光點(diǎn)轉(zhuǎn)換功能、存儲(chǔ)功能以及掃描功能于一身。由

17、于它以數(shù)字的方式記錄圖象，使圖象的記錄和處理計(jì)算機(jī)化，在圖象的編輯、網(wǎng)頁(yè)的制作和傳輸、圖象的存儲(chǔ)等方面發(fā)生了一系列革命性的變化。（將開(kāi)出此實(shí)驗(yàn)）,2、納米技術(shù) 納米是nanometer的譯名，即為10-9m，通常用nm表示。但要注意的是，在這里，納米技術(shù)不僅僅意味著空間尺度小，而且是提出一種新的思考方式，即生產(chǎn)過(guò)程要求越來(lái)越精細(xì)，致使在最后能直接操縱單個(gè)原子或分子以制造具有特定功能的產(chǎn)品。它是21世紀(jì)最重要的高新

18、技術(shù)之一。 一旦進(jìn)入納米技術(shù)范圍，量子力學(xué)效應(yīng)就會(huì)出現(xiàn)。而它的得力工具是掃描隧道顯微鏡。事實(shí)表明：納米技術(shù)正是成功地把量子力學(xué)原理應(yīng)用到技術(shù)領(lǐng)域的光輝典范。,納米材料介紹： 納米材料是指幾何尺寸為納米量級(jí)的微?；蛴杉{米大小的微粒在一定條件下加壓成型得到的固體材料。納米材料包括納米金屬、納米金屬化合物、納米陶瓷、納米非晶體材料等。 ① 納米微粒的尺寸比可見(jiàn)光的波長(zhǎng)還小，所以光在納米

19、材料中傳播時(shí)的周期性被破壞，所呈現(xiàn)出的光學(xué)性質(zhì)與普通材料不同。如對(duì)光的反射能力低，納米金屬微粒一般都呈黑色。納米微粒結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是表面原子比很大，從而具有很高的表面能，成為活性極好的催化劑，量子效應(yīng)也非常明顯，在磁、光、聲、熱、電等宏觀特性與普通材料有明顯不同。,②納米材料的應(yīng)用 納米材料具有很多潛在的應(yīng)用價(jià)值，我國(guó)已將納米科學(xué)技術(shù)列入攀登計(jì)劃項(xiàng)目。有以下幾個(gè)方面應(yīng)用： 微電子器件方面；

20、 磁記錄方面； 傳感器方面； 催化方面；3、超導(dǎo)①基本性質(zhì)：“直流零電阻”；“完全抗磁性”②超導(dǎo)理論：定量的理論需要用到較高深的量子力學(xué)和數(shù)學(xué)知識(shí)，低溫超導(dǎo)代表理論：BCS理論，高溫超導(dǎo)機(jī)理還不十分清楚。,③超導(dǎo)應(yīng)用：,a. 磁懸浮列車(chē),b.超導(dǎo)計(jì)算機(jī) 由于集成化程度高、運(yùn)算速度快，熱耗散問(wèn)題就成了制約計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的一大問(wèn)題超導(dǎo)的低熱耗散特性為發(fā)

21、展新一代的計(jì)算機(jī)提供了可能性。,4、超聲檢測(cè)技術(shù)超聲波是聲波的一部分如圖 因此它遵循聲波傳播的基本規(guī)律（聲波是機(jī)械波）。但由于超聲波的頻率很高，因而傳播的方向性較強(qiáng)，而且即使在位移振幅很小的情況下，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的加速度也非常大（a=ω2A），這是超聲加工處理的基礎(chǔ)。也是決定了超聲波具有與可聽(tīng)聲不同的用途。,超聲檢測(cè)是一種無(wú)損檢測(cè)。超聲波可以穿透無(wú)線電波、光波無(wú)法穿過(guò)的物體，同時(shí)又能在兩種特性阻抗不同的物質(zhì)

22、交界面上反射，，由于物體內(nèi)部的不均勻性，使超聲波衰減變?nèi)酰瑥亩蓞^(qū)分物體內(nèi)部的裂紋、疏松、氣泡、砂眼、夾渣、未焊透和脫層等缺陷。 由于它檢測(cè)可靠、測(cè)定迅速、對(duì)人體無(wú)害又不會(huì)改變系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，便于在現(xiàn)場(chǎng)使用，應(yīng)用非常廣泛。,5、同步輻射及其應(yīng)用 同步輻射是相對(duì)論性電子在磁場(chǎng)中做曲線運(yùn)動(dòng)時(shí)，沿切線方向發(fā)射出的電磁波。同步輻射是繼電光源、X光源和激光之后，給人類(lèi)文明帶來(lái)革命性影響的第四個(gè)光源

23、。 一般同步輻射的光子能量范圍從幾個(gè)電子伏特到幾十萬(wàn)電子伏特，相應(yīng)的波長(zhǎng)從幾微米到幾百皮米（10-12m），即從遠(yuǎn)紅外到硬X射線，可供人們根據(jù)不同需要來(lái)選擇。目前的應(yīng)用領(lǐng)域非?；钴S。 如：1）用同步輻射光可研究生物大分子（蛋白質(zhì)、病毒）的三維結(jié)構(gòu),3）微加工 利用同步輻射光的準(zhǔn)直性好、強(qiáng)度高和衍射極限小的優(yōu)點(diǎn)（比激光光刻有優(yōu)勢(shì)）進(jìn)行微機(jī)械加工,2）醫(yī)學(xué)應(yīng)用：利用同