目录第六章 量子论与物质观物理学作为一门科学，它的形成和发展经历了近四、五百年的历史，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 。,
目录在刚刚跨入 20世纪的第一天,英国著名的物理学家开尔文在,元旦献词,中曾经说过：
,在已经建成的大厦中,后辈物理学家只能做一些 零碎的修补工作 。,与众不同的是他又敏锐地发现,在物理学晴朗的天空里,还有两朵小小的令人不安的乌云,这 两朵乌云 指的是当时物理学无法解释的两个实验,一个是热辐射实验,
另一个是迈克尔逊 –莫雷实验 。
X射线,放射性和电子的三个发现,揭开了近代物理的序幕 。 当物理学进入 20世纪,就诞生了量子论和相对论,开创了近代物理学 。
目录
§ 6.1 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,。
目录? 英国科学家 道尔顿 是科学原子论的创始人,
1807年他依据一系列实验,提出,气体,液体和固体都是由该物质的不可分割的原子组成的,,,同种元素的原子,其大小,质量及各种性质都相同,,此后,大量 实验事实证明了原子论的正确性 。
1895年 德国物理学家伦琴发现 X射线,
1896年,法国物理学家贝克勒尔发现 放射性,
1897年 英国物理学家汤姆逊,发现了 电子,
这三大发现揭开了原子存在内部结构，
三大发现揭开了研究微观世界的序幕。
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1,X 射线的发现
X 射线的发现也是起源于对阴极射线的研究德国维尔茨堡大学校长、物理学家 伦琴于 1895年 11月 8日,在做放电管实验时，为了避免可见光的影响，他用黑纸将放电管包起来，而且在暗室中进行实验，他意外地发现在离管一米以外的涂有荧光物质的屏上闪耀着微弱的青绿色的荧光。
目录
12月 22日,伦琴的夫人来到实验室，
伦琴让夫人把左手放在用黑纸包着的照相底片上，然后用 X射线照射，为她拍摄了一张带着戒子的左手手指骨骼照片，这是历史上第一张 X光照片 。
伦琴夫人手的 X片目录
1895年 12月 28日 伦琴写出了一篇论文
,论一种新的射线,,文章详细总结了新射线的性质：
新射线来自于被阴极射线击中的固体,固体元素越重,产生出来的新射线越强；
新射线是直线传播的,不被棱镜反射和折射,
也不被磁场偏转；
新射线对所有物体几乎都是透明的；
新射线可使荧光物质发光,使照相底片感光,当把手放在放电管和荧光屏之间时,
由于肌肉对新射线的吸收比骨质弱得多,屏上便可看到手指的骨骼 。
目录
X 射线 这个名称也是伦琴最先采用的,
他在给孔特的信中说：,我终于发现了一种光,我不知道是什么光,无以名之,就把它叫做 X 光吧,,后人为了纪念他,又把它称为,伦琴射线,。
伦琴的发现震惊了整个科学界，许多物理学家转向研究 X 射线，反应之迅速和强烈是物理学史上罕见的，仅 1896年一年内，关于 X射线研究的论文达 1000多篇。
目录
在 X射线发现 3个月后,维也纳医院中首次利用 X射线对人体进行拍片 ;
半年后,英国出版了第一本研究 X射线的专业杂志 ——,Ｘ射线临床摄影资料,;
此后,J,J,汤姆逊和卢瑟福证实 X射线能使气体电离；
1912年 德国物理学家 劳厄 用晶体作光栅，得到 X 射线衍射图，证明 X 射线是一种波长很短（约在 10–10–2?之间）的电磁波，同时证明了晶体具有空间点阵，劳厄因此获得了
1914 年度诺贝尔物理奖。
目录X射线的发现使人们认识的“电磁波谱”
朝着短波方向拓广了一大段；
1906年,英国物理学家 巴克拉 发现每种金属都有自己的,特征 X射线,，用它可以 确定元素在周期表上的排位,巴拉克因此而获得了 1917年的诺贝尔物理学奖；
1915年 诺贝尔物理学奖授予英国物理学家 布拉格 父子，表彰他们在劳厄工作的基础上，
提出了 布拉格公式,可以用它 精确测定晶体的原子结构 ；
目录? 1913年,英国年轻的物理学家 莫斯莱 发现一个重要的规律,各种元素的波长非常有规律地随着它们在周期表中的排列顺序而递减，
利用此规律可以准确地确定各元素的原子序数,并且发现它们恰好与核电荷数相等，他的发现对认识原子内部结构有很大的意义；
瑞典物理学家 西格本 进一步发现了一系列新的 X射线，并精确测定了各种元素的Ｘ射线谱，
建立了 Ｘ射线光谱学,西格本的工作对于揭开原子内电子壳层结构状况有重要的作用，
他因此而荣获了 1924年度的诺贝尔物理学奖。
目录
X射线分析法的应用：
1953—1959年,小布拉格的两位助手佩鲁茨和肯德罗,用改进了的 X射线分析法测定了肌红蛋白及血红蛋白的分子结构,为此获得
1962年的诺贝尔化学奖 。
1962年 诺贝尔生理学奖及医学奖授予英国生物物理学家 克里克,威尔金森,美国生物学家 沃森,表彰他们 发现 DNA的双螺旋结构,
这是 20世纪生物学的最伟大成就,他们依靠的也是 X射线分析法 。
目录? 因使用 X射线分析法 研究蛋白质,核糖核酸,
青霉素,维生素等生物大分子,有机高分子结构而获诺贝尔化学,生理医学奖的科学家多达数 10位 。
X射线也用于 军事 。,星球大战,中核心武器是高能 X射线激光器,将它装在军事卫星上能远距离摧毁对方的洲际导弹 。
20世纪 60年代,美国物理学家 科马克 和英国电气工程师 洪斯菲尔德 提出用计算机控制 X射线断层扫描原理,并发明 X射线断层扫描仪,
使医生能看到人体内脏器官横断面图象,从而准确诊断病症,他们两人共享了 1979年诺贝尔生物学及医学奖 。
目录值得一提的是在伦琴发现 X射线之前,人们已在实验室操作阴极射线管达 30多年之久,也有一些人如克鲁克斯,勒纳德都曾碰到过阴极射线管附近的照片底片感光或物体发出荧光的现象,
但是,他们都没有仔细审查这个奇怪的现象而失去了,机遇,,正如 恩格斯 所描述的：,当真理碰到鼻子尖上的时候还是没有得到真理,,在科学发展史上这类事实是屡见不鲜的 。 但是伦琴 —
—1869年苏黎世大学获博士学位,他治学严谨,
一贯重视基本实验,从不放过任何一个可疑现象,
发现苗子反复试验,终于发现了 X射线 。 伦琴荣获 1901年诺贝尔物理奖,成为诺贝尔物理奖的第一个获奖者,他是当之无愧的 。
目录第一张诺贝尔物理奖 ( 1901年伦琴 )
目录
2,电子的发现
1858年 德国物理学家 普鲁 克利用盖斯勒放电管研究气体放电时发现了对着阴极的管壁上出现了美丽的绿色光辉；
1876年 德国物理学家 哥尔德斯坦 证实这种绿色光辉是由阴极上所产生的某种射线射到玻璃上产生的，他把这种射线命名为“阴极射线”。
法国物理学家大多认为阴极射线是一种电磁波，英国物理学家则认为是一种带电粒子流，
这一争论持续了一、二十年,促使许多物理学家进行很有意义的实验，推动了物理学的发展，这场争论最后由 J.J.汤姆逊 解决了。
目录J,J,汤姆逊,1856年 12月 18日生于英国，
1884年任 卡文迪许实验室 教授，这个实验室在他的领导下，成了全世界引人注目的物理实验中心，
世界各地的科学家常来这里开展研究工作，其中有 八位后来获得诺贝尔奖,如卢瑟福、威尔逊、
巴克拉）,G,P,汤姆逊等，如后表所示，这八位获奖者是他直接培养过的，
卡文迪许实验室获得诺贝尔奖的共有
25人次 。
目录获奖者 获奖时间和奖项 获奖原因
E,卢瑟福 1908化学奖 研究元素蜕变和放射性化学
W,H,布拉格
1915物理学奖 用 X射线法分析晶体结构
W,L,布拉格
C,G,巴尔克拉 1917物理学奖 发现元素的特征 X射线辐射
F,W,阿斯顿 1922化学奖 研究原子的结构和辐射
C,T,R,威尔逊 1927物理学奖 用蒸汽凝聚使带电粒子可见的方法
O,W,里查森 1928物理学奖 发现电子放射决定于温度的里查森定律
G,P,汤姆逊 1937物理学奖 用电子照射实验发现晶体内的干涉现象目录
1897年,J,J,汤姆逊发现，不管怎样改变放电管中的气体的种类，也不管怎样改变电极的材料，阴极射线粒子的荷质比始终保持不变，
这就意味着阴极射线是一种荷质比完全确定的粒子流所组成的，由此断定，这种粒子应是电极材料原子的基本组成部分。
1897年 8月,J,J,汤姆逊把他的发现写成论文,阴极射线,,10月发表在,哲学杂志,
上 。
目录
1909–1917年间 美国科学家罗伯特?密立根 在利用有名的 油滴实验 测定电子电荷量 e 值,
他以严谨的科学态度和追求精确的测量而受到人们的赞誉 。
1909年 密立根油滴实验证明 一切荷电物质都只能带有 e 的整数倍的电量,而一个阴极射线粒子所带的电量 （ –e） 是负电荷的最小单位,e
/ m 是不变的,e 也不变,表示阴极射线粒子的质量 m也是确定的,这种粒子便称为 电子,因此阴极射线就是高速电子流 。
目录电子的发现再一次否定了原子不可分的观念，电子是第一个被发现的微观粒子,电子的发现对原子组成的了解起了极为重要的作用 。
J,J,汤姆逊 由于发现电子而于 1906年荣获诺贝尔物理学奖,J,J,汤姆逊被誉为,一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人,。
电子的发现在科学技术上诱发了电子时代的来临,1904年,A.弗莱明发明了 二极电子管,
1906年,L.德弗莱斯特 (L.de Forest)发明了 三极管 。真空管的发明，使电力通讯、控制合自动化生产很快发展。晶体管集成电路的发明，
使人类进入微电子科技时代。
目录3,放射性的发现在 X射线发现不久,贝克勒尔 对一种称为硫酸双氧铀钾的荧光物质进行了研究,他把这种铀化合物放在用黑纸包起来的照相底片上,然后放在太阳光下曝晒几小时,把底片取出来进行冲洗,他发现了,荧光物质在底片上的黑色轮廓,,他又在荧光物质和纸之间放一块玻璃,继续进行试验,也得到了同样的结果 。 这就是最早发现的放射性现象,铀是贝克勒尔发现的第一个放射性元素 。
目录法国科学泰斗 彭加勒 在阅读伦琴发现 X射线的实验报告后，脑子里浮现出一种想法,既然 X射线发生在荧光现象特别强烈的地方，那么，一切强烈的荧光物质都可能发射 X 射线 。
贝克勒尔 是在这种情况下去做实验的，但是，他 不迷信权威,通过实验他发现彭加勒关于荧光物质产生 X射线的理论是错误的。
自然现象纷纭复杂，假象和真象交织，现象合本质对立，原因合结果互变，要探索它的规律，怎能一点也不犯错误？贝克勒尔的初衷也是证实彭加勒的设想，后来却否定了它。因此,从错误的理论出发，通过实验，揭示错误，
走向真理也是科学研究的一种正常模式 。
目录放射性发现公布后不久,玛丽?居里 很快投入了这一新的研究领域，她发现沥青铀矿中的放射性比已测得的铀的放射性强得多。她大胆假定沥青铀矿中存在一种比铀放射性强得多的未知元素。为了寻找这个未知元素，她的丈夫皮埃尔?居里通过繁重的劳动，从大量的沥青矿渣中去提取那个未知元素，最后 发现了两种新的放射性元素，一种取名为“钋”（ Polorium），
以纪念自己的祖国 ——波兰，另一种取名为“镭” 。
目录居里夫妇 继续奋斗了近四年，在简陋的工棚里，在原始的条件下，历尽千辛万苦，
终于 在 1902年 3月,从数以吨计的沥青铀矿残渣中提炼出 0.12克氯化镭,并测得了镭的原子量为 225（现公认为 226），其放射性比铀强 200万倍。 1903年，居里夫妇和贝克勒尔共享了诺贝尔物理奖 。
1910年完成了她的名著,论放射性,,
由于她的杰出贡献,1911年又荣获了诺贝尔化学奖。居里夫人成了第一个两次获诺贝尔奖殊荣的人物,
目录
射线,?射线和? 射线 发现：
放射性发现后不久，英国剑桥大学卡文迪许实验室的研究生 卢瑟福 也投入了对放射性的研究，在科学家的共同努力下，没几年就 发现了天然放射性核素能够自发地放出各种射线，从而衰变为另一种核素,衰变方式很多，放出的射线也有多种，主要的有
射线 是带两个正电荷的氦核（ ）；
射线 是带负电荷的高速电子流；
射线 是从原子核内放出来的电磁波，它实际上是一束能量极高的光子流，它的波长比 X
射线还要短，穿透本领比 X射线更强。
e42H
目录放射性 应用：
利用放射性钴源（ 60Co）的? 射线辐照，可以进行 食品 （如肉类、水果等） 保鲜,辐照 消毒
（如对医疗器械、流通货币等）以及辐照 育种 等。
尤其在医药上利用它来 杀伤人体内的肿瘤细胞,
这是目前治疗肿瘤的一种常用方法。在发达国家中 放射性药物 使用已相当普及。在发展中国家中，
我国的核医药水平名列前茅 。国内已有 1000多家医院开展了放射性药物的诊治工作。
影视资料片,放射性目录三大发现，使物理学发生了深刻的变化：
电子比最轻的原子 ——氢原子还要轻 1836倍；
电磁波除有无线电波、红外线、可见光、紫外线，还有 波长更短 的 X射线；
一个原子在化学变化中释放出来的能量只有几个电子伏特 eV（ ），而天然放射性现象中一个原子放出的能量竟可达到几百万电子伏特 MeV（ ）；
化学变化不会引起原子性质的根本变化，然而 原子经过放射? 或? 射线后却完全变了 。
J 101,6eV 1 - 1 9
eV10 M e v1 6?
目录
§ 6.2 量子论和量子力学的诞生
§ 6.2.1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。
1895年，维恩首先指出，绝对黑体可以用一个带有小孔的辐射空腔（见图 )
来实现目录左图是黑体的单色发射 本领与?、
T关系的实验曲线。
为了从理论上导出符合实验曲线的函数式,19世纪末，
许多物理学家在经典物理的基础上作了相当大的努力，但是他们都遭到了失败，理论公式和实验结果不相符合、其中最典型的是 维恩公式和瑞利一金斯公式,
目录
1,维恩公式
1896年,维恩通过半理论半经验的方法,得到一个黑体辐射的理论公式为维恩公式 在短波方面与实验结果符合 得很好,但是在长波方面则理论与实验不一致 。
2,瑞利 –金斯公式
1900年,瑞利和金斯根据经典物理中能量按自由度均分原则导出了黑体辐射的理论公式
TCeCTe /5
20 3),(
TCTe 410 ),(
目录这公式 在波长很长的情况下与实验曲线还比较相近,但是在短波紫外光区方面,按公式看来,将趋向无穷大,完全与实验曲线不符,
这就是物理学史上著名的,紫外光灾难,。
下图表示出这两个公式 （ 虚曲线 ） 与实验值 （ 用 表示 ） 的比较 。
目录二,黑体辐射经验定律导致,紫外灾难,
由于 瑞利 –金斯公式 完全是根据经典物理学的连续性原理推导出来的 （ 经典物理学认为热的辐射和吸收都是完全连续的过程 ）,因此,
,紫外光灾难,说明经典物理学理论应用于热辐射问题上的失败并不是什么局部的失败,而预示着整个经典物理学连续性的灾难,因此,
开尔文把,黑体辐射实验看作经典物理学晴朗天空中第二朵乌云,是很恰当的 。
目录
§ 6.2.2 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 。
目录1900年 10月 19日,普朗克在德国物理学会上以,维恩辐射定律的改进,为题的论文中提出了新的辐射公式,称为普朗克公式,公式如下：
式中 c是光速,k是玻耳兹曼常数,其值为
h为普朗克常数,其值为普朗克公式与实验完全符合,而且它在短波区域可以近似化为维恩公式,而在长波区域则近似化为瑞利 –金斯公式 。
1
12),( 52
0
Tk
hc
e
hcTe
J / k 10381 23,k -
SJ 10366 - 3 4,h
目录图中的热辐射曲线就是依照普朗克计及能量子假设而导出的辐射公式画成的，与黑体辐射实验结果相符合。
目录
1900年 12月 24日,普朗克在法国物理学会的圣诞会上宣读了题为,关于正常光谱的能量分布定律,的论文,提出了与经典物理学格格不入的 能量量子化假设,
辐射黑体是由带电的谐振子组成,这些谐振子的能量只能处于能量子?的整数倍,
即?,2?,3?,4?,,n?
n为正整数,称为 量子数,对于频率为的谐振子来说,能量子为? = hv,式中 h是为 普朗克常数 。
目录§ 6.2.3 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 。
目录? 光电效应,当紫外光之类的光照射到锌板之类的金属板的表面上时，从金属里会有电子跑出来。随着研究的深入，物理学家发现：被紫外光照射后锌板多少总能发射出一些电子来，不论紫外光的强度有多弱；同样一块锌板如果用红光去照射，不管红光有多少强，也别想打出一个电子来！
按照 经典物理学的观点,光能够把电子从金属原子中打出来，是因为光将自己的能量交给了电子，光的能量与光的强度的平方成正比，
按此道理，红光比紫光强，它所携带的能量多，
就应该打出更多、更快的电子来，可是，实验现象完全与此相反，这可把物理学家难住了。
目录
光子学说,爱因斯坦假定电磁场能量本身是量子化的，而且对于频率为?的电磁场的能量单位是 h?。这种一份一份的电磁辐射能，被称作“光子,。利用光子的能量关系式，光电效应就很容易解释了。
光子的能量只与它的频率有关，而与光的强度无关,紫外光频率高，能量大,能把电子打出来； 红光频率低，能量小,它的光子的能量达不到打出电子的最低要求，所以红光强度再大也无济于事。
影视资料片,光电效应目录
§ 6.2.4 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，
1913–1916年形成玻尔 –索末菲 原子理论 。
目录
1911年，著名英国物理学家卢瑟福提出了关于原子结构的行星式模型。但是，行星式原子模型存在两大困难：
1,原子坍塌,电子绕核做椭圆运动，这是一种加速运动，按经典电动力学理论电子在运动过程中必然辐射能量，电子能量逐渐减少，轨道半径随之变小，只要
10-8秒，电子就会落到核上，发生坍塌；
2、是在坍塌前原子连续辐射，应得 连续的原子光谱 。
实际上，原子没有发生坍塌； 实验上，原子光谱是分立的线光谱 。
卢瑟福原子结构的行星式模型目录按照经典电动力学，
原子是不稳定的，电磁辐射谱线是连续，这些都违背客观事实。
原子光谱是分立的线光谱目录玻尔原子理论中有 三条假定：
(1)定态假定,存在一系列原子定态，处在定态中的电子虽做相应的轨道运动，但不发射电磁波；
(2)角动量量子化,做定态运动电子的角动量量子化了，
其值只能为 h／ 2π的整数倍；
(3)频率假定,仅当原子中的电子从一定态跃迁到另一定态时，才能发射或吸收一个相应的光子。
玻尔原子理论解决了原子的稳定性问题，以及光谱规律与原子结构的本质联系问题目录玻尔量子理论的缺陷在玻尔量子理论取得辉煌成就的同时，遇到了越来越多的困难。
困难 1：玻尔量子论不能解释氦 (He)原子光谱，
不能解释反常塞曼效应，不能解释光谱线的亮度；
困难 2：玻尔量子理论 带着鲜明的经典理论烙印,
具有难以解脱的内在软弱性。玻尔将经典概念
──电子轨道引入原子中，却认为电子绕核运动不辐射能量，玻尔理论 找不到不辐射能量的恰当理由 ；它说明了光子的起源，却无法说明光子的产生过程。
目录
§ 6.2.5 波粒二象性
1924年德布罗意提出 物质波假设：
逻辑思维,自然界在许多方面是显著地对称的
→ 我们可以观察到的宇宙全是有光和实物组成的 → 如果光具有波粒二重性,则实物或许也有这种二重性 。
λ
h
p,νhε ==
phhmc,2
物质波：
光：
目录德布罗意提及按照物质波假设,玻尔原子理论关于角动量的量子化条件与驻波条件相等效 ；
用驻波譬喻物质波之行状的方式带有早期量子论的色彩，与玻尔原子理论一样是半经典的；然而，用它来表明物质波概念综合描述了物质的连续性和分立性，还是相当形象化的。
目录光的波粒二重性：
光的波动性,光波有干涉,衍射等效应,
光的粒子性,康普顿散射,光电效应等 。
爱因斯坦正因他的光量子论能够很好地解释光电效应而获得诺贝尔奖 。
目录电子的波动性,
1927年 美国的戴维和革末进行 电子 的晶体 衍射 实验；
1928年 英国的 G,P,汤姆逊进行了一系列电子的晶体衍射实验。
1961 年,蒋森做了电子双缝衍射实验。
1976 年,梅尔里等人又做了电子双棱镜衍射实验。
影视资料片,电子波动性,电子衍射目录
§ 6.2.6 量子力学简介一、矩阵力学与波动力学薛定谔 接受物质波假设，并寻找“决定物质波的方程”；这就是著名的 薛定谔方程,波动力学 于 1926
年初建立； 海森伯 建立以 海森伯方程 为核心的 矩阵力学 （ 1925年 1月）。
薛定谔 海森伯目录量子力学要点罗列如下：
前提 物质波假设量子条件 共轭力学量的不对易关系 （ 玻恩,1925年 ）
（ 例 ）
力学量的测量特征 海森伯不确定性原理 （ 1927年 ）
（ 例 ）
形式体系 矩阵力学,波动力学等力学量的数学表示 算符及其矩阵状态表示 波函数运动方程 一般采用薛定谔方程
iqppq
2 pq
),( tr?
),(22 tUHti r
目录波函数的统计解释：
波函数不能直接观测，那末其实际含义又如何？玻恩说,是电子（或其他粒子）出现的几率密度”。
玻恩对波函数所作出的几率解释，他因此便获得了诺贝尔奖 。此解释赋予微观粒子运动规律以至量子理论以统计性特色,使非决定论成为量子物理的新思想方法 。
2||?
目录原子内电子不是如玻尔原子理论所假定的那样 ——在一些分立的轨道上作圆周运动，而是处于不同量子态的电子在原子内各处都有一定的几率分布，如图左边一些曲线所示。
目录此几率分布形成一种对称而美观的,电子
（几率）云,图象（见图）。
影视资料片,电子云目录电子双缝干涉实验图 (a)中用 经典粒子做双缝实验,以足球为例,足球由源点踢出,
穿过双缝而落到屏 S上,
一个足球只可能通过一条缝,结果所有通过双缝的足球只能到达屏上
X和 Y处 。
图 (b),便是 光波干涉 实验,屏上出现条纹是可想而知的 。
目录若以 电子 代替足球和光,电子如果不具有波动性,那末穿过双缝的电子只能落在 X和 Y处；
但当缝的宽度足够小时,即一旦可与电子的德布罗意波长相比拟时,屏上出现的亦是疏密相间的 干涉条纹,与前图 (b)
所示的结果相仿佛 。
目录如果电子从源一个一个地射出,只要在相当长时间里有足够多的电子落到屏上,照样会呈现干涉条纹 。 因此可以说,微观粒子的运动,可用相应之几率波描述； 几率波既体现了它的粒子性,又体现了它的波动性 。
即粒子在空间各处有一定的几率密度分布,
此分布形成波的形式；在一定实验条件下,
就呈现波动性质 。
我们认为,几率波并不只是人为的解释,
它就是一种以波粒二重性为主要特征的微观物理实在,与经典意义上的物理实在有本质的区别 。
影视资料片,扫描隧道显微镜目录二、不确定性关系如果以 A,B代表两个可用矩阵表示的力学量算符,二者若不对易,则有海森伯不确定性 （ 测不准 ） 关系：
该关系反映微观测量的限度；即表明 一对不对易的共轭力学量在测量时不能同时确定,
其不确定程度由普朗克常数给定 。 相反,在经典力学中,表示任何力学量都是彼此对易的,
都能同时确定 。
iBAABBA,
2 BA
目录例如 动量 p 和坐标 q 是一对不对易共轭力学量，对于宏观粒子，其位置和动量可同时确定，即可同时测准；而对于微观粒子，位置和动量的不确定程度彼此相互制约。
时间 t 和能量 E
也是一对共轭量，
测量时情况 亦然。
目录三、狄拉克创立相对论量子力学
正常塞曼效应,远在 1896年，荷兰物理学家塞曼发现了原子光谱线在磁场作用下发生展宽现象，同时他在实验中观察到了 光谱线分裂成二重线和三重线,后来人们称之为 正常塞曼效应 。正常塞曼效应用洛伦兹的经典电子论可以 作出解释 。
反常塞曼效应,塞曼在 1896年的后来实验中还观察到 光谱线的四重线和六重线 。光谱线在磁场中的多重分裂现象称为 反常塞曼效应 。
反常塞曼效应长期 得不到正确解释 。
目录泡利不相容原理
1925年 1月，物理学家 泡利 提出了不相容原理：即 一切由自旋等于半整数的粒子 ——费米子组成的系统中，不能有两个或两个以上的粒子处于完全相同的状态 。
这一原理解释了原子的电子壳层结构和元素周期律，推动了电子自旋概念的确立。
目录当年 10月，美国物理学家 乌伦贝克 和 古德斯密特 在德国,自然杂志,上发表文章，明确地引入了 电子自族 的概念。
1928年 1月和 2月,狄拉克提出了描写电子运动并且满足相对论不变性的波动方程,将相对论、量子和自旋这些在从前看来似乎无关的概念和谐地综合起来，完成了相对论量子力学的创立工作。 狄拉克目录相对论量子力学与正电子预言如何使量子力学与相对论相结合？ 思路很简单,只要使其波动方程满足体现相对性原理的洛伦兹变换不变性,并以相对论动力学的结论作为思考的出发点 。
相对论动力学中的能量与动量关系式：
42222 cmpcE 2/14222 )cmpc(E +±=
相应地出现正、负能态的波函数解。 人们往往会将负能根以至负能态解舍去 ；狄拉克却非同寻常，
他果敢地将正、负能态解同样接纳、等量齐观。
目录对于负能态解如何理解呢？狄拉克以“近乎疯狂的想象力”设想,电子有正能级、还有负能级，分别对应于方程的彼此对称的正、负能态解；
而且在无限多负能级上已占满了电子，形成为一片深不见底的“电子海” 。
目录正电子预言,
一旦电子海受到电磁辐射的激发，负能级电子获取能量便跃迁到正能级上，相应地负能级上出现空穴 。狄拉克把这空穴解释成具有正能量的,正电子”,并认定它乃是电子的电荷共轭粒子，除电荷与电子电荷反号外，其质量、自旋等俱与电子相同。这就是狄拉克由其相对论量子力学所作出的正电子预言。
目录正电子预言被证实,
正电子作为电子的反粒子,于 1932
年由 安德森 从宇宙线射入的云室中探测到 （ 图为探测到的正负电子对的照片 ） 。
目录正电子被证实确认了反粒子概念,
“电子海”图象拓展为囊括各种粒子的
“粒子海”图象,任何粒子都有反粒子,那末，所谓的“真空”可真是有极为丰富的物质蕴藏；这“粒子海”可作为前述量子真空概念的一种形象化描绘，藉以可深化对真空本质的探讨。
正电子预言的证实揭开了客观世界物质性的另外一半涵义，反物质探索便成为一个活跃的研究领域崇尚数学形式的对称性，确实是 狄拉克的美学风格 ；他断定,美的东西总是真的 。
目录? 从真空中 正负电子对产生 实际为光子变成电子的转化过程：
正能级上的电子掉入负能级上的空穴，便有电磁辐射放出，此即 电子对湮灭,转化成光子的过程：
从正电子预言起始，正、反粒子对的产生和湮灭，成为粒子物理的中心概念之一。可以认为，这正是相对论与量子理论相结合的重要产物；二者尽管有不同的概念基础，但就形式体系的内部结构而言还是逻辑相洽的。
ee
ee
目录狄拉克方法 （量子论与相对论的结合）：
连续性场的量子化,狄拉克使电磁场量子化，
连同量子化的电子场一起构成 量子电动力学体系 。
相对论的一些结论作为发展量子理论的基本原则,因为相对性原理等极大地提高了量子理论形式体系的对称性。
狄拉克在使量子论与相对论的有效结合方面建立了不朽的功勋。
目录
§ 6.2.7 光的微粒说与波动说的争论一、光的波动说
法国哲学家、物理学家 笛卡儿 提出光是某种类似压力的东西，它从发光物体通过稀薄的媒质传向四面八方。
他的这种思想，为关于光的波动说的创立奠定了基础。
意大利的 格里马第 对一细束日光照射下的小物体进行观察，发现光并不严格走直线，因为小物体的阴影比假定光走直线预计的影子要宽一些，而且阴影的边缘外侧出现平行的色带。他还从光连续通过两个小圆孔后在屏上的影子，也发现类似现象，屏上的亮盘也比假定光走直线画出的直径要大。在这些观察的基础上，
他提出了光是一种能够作波浪状运动的精细流体。
目录
英国物理学家 胡克 在 1665年出版的,显微术,
一书中，主张光是一种振动。他写道：“在一种媒质中，这一运动在各个方面都以相等的速度传播。所以发光体的每一个脉动或振动都必将形成一个球面，这个球面将不断增大，就如同把一石块投入水中后在水面引起越来越大的环状波一样。由此可见，在均匀媒质中扰动起来的这些球面的一切部分都与射线成直角。”
荷兰物理学家 惠更斯 是光的波动说的莫基人。
提出了著名的“惠更斯原理”：
目录二、光的微粒说：牛顿是微粒说的代表。
三、光的波动说的复兴
19世纪，由于 英国物理学家托马斯 ·杨和法国物理学家菲涅尔 等人的工作，光的波动说又得以复兴。解释了托马斯 ·杨两孔干涉、牛顿环、
细丝衍射、圆孔衍射、圆板衍射等现象。赫兹于 1886～ 1888年，以实验证实了电磁波的存在，
光是电磁波的一种形式，证明电磁波确实同光一样，能够产生反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象。光的波动说进入全盛时期，光的微粒说走向了衰败。
目录四、光量子说爱因斯坦用“光量子”成功地解释了光电效应，
恢复了光的粒子性。
但是,光量子假说，并不是简单地回到牛顿的微粒说，也不是对波动说的全盘否定。
1909年，爱因斯坦说：“不可否认的是，有关黑体辐射的实验说明，光所具有的一些基本性质从牛顿的微粒说去理解要比从波动说去理解容会的多。因此我认为，在理论物理发展的下一阶段，将会出现一种关于光的理论，根据这种理论，光可以被看作是波动说和微粒说的融合，我们关于光的本性和光的结构的看法将有一个深刻的改变将是不可避免的了。”
对于光的认识，不能把粒子性和波动性看成是此孤立的、互不相容的，应该全面地、辩证地认识光的本性。这也是关于光的本性争论历史所给予我们的启示。
目录
§ 6.2.8 玻尔与爱因斯坦的争论一、量子力学的“正统”解释哥本哈根学派：
玻尔 是举世瞩目的丹麦“玻尔理论物理研究所”
的筹建者、领导人和一系列国际一流研究工作的组织者、鼓动人，他除其科学成就卓著昭彰外，更在指引、凝聚一代量子物理学家群体共同发展量子理论、探讨其物理诠释和哲学含义方面，表现出惊人的魅力和天才，从而以他为首形成科学史上具有十分突出的科学贡献、非常深奥的思想意蕴的有名学派 ——哥本哈根学派 ；这可算得是现代物理的一项特别成果。
目录量子力学的“正统”解释的要点
(1)可观察量是建立理论的基础和依据人们无法直接观察到原子、电子、光子的行为，
而只能在人工安排的特殊条件下对微观客体的行为和特性作出实验观测，从而得出各种观测结果之间关系的规律。但是在人们用特意安排的实验仪器观察微观客体时，就不可避免地要产生干扰，因而可观察量表现出的正是实验环境中的客体的行为和性质。这 使量子现象具有主体与客体的不可分性，人们观察到的并不是微观客体本身的行为，而是从宏观仪器上呈现出来的实验观测结果推断出来的结论 。这在逻辑上就无法排除人们的主观成分，因此在量子理论中，既包含着客观要素，也包含着主观要素。
目录
(2)量子跃迁是量子力学的最基本概念它赋予微观客体过程一个实质性的不连续性，这种不连续性构成了人们对微观客体认识的极限。在量子力学中，人们无法同时准确地知道一个微观粒子的位置和动量，遵循“不确定关系”。可以证明对于物理学中的其他“共轭”变量，例如能量与时间，也同样遵循“不确定关系”。同时 精确地测定一对共轭正则变量是不可能的,因为原则上所能达到的精确度受到了作用量子的限制。
目录
(3)描述微观客体的波函数是一种几率波，粒子出现的几率由波幅的平方所决定。
由此，在微观领域里，力学的因果律和决定论都遭到了破坏。根据量子力学理论，在同样的实验条件下，可以发生各种不能预期的个体量子过程，
因而观测的结果也可能是各种各样的。每次测量都会由于观测仪器与微观客体之间不可控制的相互作用而引进新的初始条件，使通常意义下的因果链被打断。所以在量子力学中，人们 必须放弃力学意义上的因果律和决定论，而把几率性看成是本质的 。
目录
(4)从实验中所观测到的微观现象，只能用通常的经典语言作出描述。
微观客体的“波粒二象性”，即它的波动性和粒子性，正是用经典语言描述微观客体的结果。这两种图像既互相排斥，又必须同时用于对微观客体的统一性质的描述，所以它们又是互补的。这种 互补的概念适用于整个物理学,
甚至超越了物理学界而成为有普遍意义的一个哲学原理。
目录二、爱因斯坦的观点哥本哈根学派的观点，引起了爱因斯坦、薛定谔、德布罗意等一些著名的物理学家的质疑，其中以爱因斯坦的观点最具代表性。
爱因斯坦的观点：
1、坚持完全的因果性，对统计因果律持有异议；
2、对观察到的是“物理实在”，而非“客观实在”
的观点持有异议，
他曾说过一句充分表达内心信念的名言：,你相信掷骰子的上帝，我却相信客观存在的世界中的完备定律和秩序。,
目录三、论战的爆发
1926年 9月,薛定谔应玻尔的邀请，到哥本哈根介绍他的波动力学。在结束时,薛定谔提出应该放弃量子跃迁的概念,而代之以三维空间的波来描述微观客体的行为 。玻尔与薛定谔争论着。他们的争论可以看作是爱因斯坦与玻尔 争论的序幕 。
1927年 9月,在意大利科摩召开了一次纪念意大利科学家伏打逝世一百周年的会议上，玻尔第一次公开了他提出的 互补原理 。这使到会的科学家们感到震惊。薛定谔和劳厄并不赞成玻尔的观点，尤其是不同意把物理学建立在不确定关系或其他不确定的统计解释上。
目录
1927年 10月在布鲁塞尔召开了第五次索尔维会议目录玻恩和海森伯作了关于矩阵力学的报告，他们在报告的最后提出：,我们主张量子力学是一种完备的理论，它的基本物理假说和数学假说是不能进一步被修改的。,这番话无疑是向不同意见提出了挑战。会议主席洛伦兹也提出疑义。洛伦兹请玻尔阐述他的互补原理，玻尔发言重复了他在科摩会议上的观点，但是，爱因斯坦一直没有发言，直到玻恩直接问到爱因斯坦的意见，他才起来发言。 爱因斯坦 表示赞同量子力学的系综几率解释，而 不赞成把量子力学看成是单个过程的完备理论的观点 。在当时大多数人都赞成量子力学几率解释的情况下，爱因斯坦的发言掀起了波浪．从而引发了他和玻尔之间就量子力学诠释问题的公开争论。
目录争论举例
1,“单缝衍射”的理想实验,玻尔指出不能避免在测量时仪器对电子不可控制的相互作用，即电子与狭缝边缘的相互作用。
2、“双狭缝干涉实验” 。可测出电子的准确径迹，显示出电子的粒子性。从而克服了单缝实验时测不准的困难。对此,玻尔经过仔细地思考反驳说,如果我们关闭狭缝 M或 N中的任何一个，实验状态就完全改变了。这样，玻尔就把爱因斯坦用来反驳互补原理的理想实验，反而变成了用互补原理来说明波粒二象性的例子。
目录四、争论的高潮在 1930年 10月召开的第六届索尔维会议上，爱因斯坦又提出了一个,光子箱”理想实验,在?t里，让一个光子飞出；?t可通过计时装置精确测定；飞出光子而引起的整个箱子的质量改变?m也可精确地测定，并由 E = mc2计算出箱内的能量变化?E。这样,?t和?E
就可同时测定，不确定关系不再成立。
爱因斯坦“光子箱”
玻尔的回答采用了爱因斯坦自己创立的广义相对论,使得爱因斯坦不能不承认玻尔的结论是无可指责的。爱因斯坦精心设计的“光子箱”理想实验非但没有难倒玻尔，反而成了不确定原理的一个绝好例证。爱因斯坦企图推翻不确定关系的尝试再一次失败。
目录
EPR佯谬,第六届索尔维会议之后，爱因斯坦承认了海森伯的不确定原理和量子力学理论在逻辑上的自洽性，但是他仍然坚持认为量子力学是不完备的。 1935
年 5月，爱因斯坦和美国物理学家波多尔斯基、罗森合作发表的,能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗?,一文 对量子力学理论的完备性提出了有力的反驳,这就是著名的以三位作者的姓的第一个字母简称的,EPR佯谬”。
EPR认为判断一种物理学理论成功与否的两个判据
1,“完备”理论的必要条件,物理实在的每一要素在理论中都必须具有对应的部分；
2,“实在”要素的充分条件,不干扰这个体系而能够对它作出确定的预测。
目录
EPR认为 在量子力学中，由于不确定关系的结果，
对于这一对共轭的物理量在下述两个判断中只能选择一个：或者认为量子态? 对于实在的描述是不完备的；
或者对应于这两个不能对易的算符的物理量不能同时具有物理的实在性。
EPR设想了一个理想实验，设想了一个对物理体系不进行任何干扰的测量方法。
总之，爱因斯坦等人通过他们所提出的理想实验的讨论而得到结论,量子力学的波函数只能描述多粒子组成的体系 (系综 )的性质，而不能准确地描述单个体系 (如粒子 )的某些性质 ；但是一个完备性的理论应当能描述物理实在 (包括单个体系 )的每个要素的性质，所以不能认为量子力学理论描述是完备的 。
目录玻尔对 EPR的批评立即作出回答,他认为不可能以毫不含糊的方式来确定 EPR所指的那些物理量，因为物理量本来就同测量条件和方法紧密联系着，确定物理量的这些条件使 EPR
所作的关于“实在”的定义在本质上含糊不清了 。
玻尔 认为任何量子力学测量结果的报道给我们的不是关于客体的状态，而是关于这个客体浸没在其中的整个实验场合 。这个整体性特点就保证了量子力学描述的完备性。
目录五、没有结尾的尾声由于二战，爱因斯坦与玻尔之间的论战平息了一个时期。直到 40年代，他们才有机会再次重申各自的观点。 1948年，爱因斯坦对 EPR佯谬又做了一次深入的讨论。 1949年，玻尔在纪念爱因斯坦 70寿辰的文集 ——,爱因斯坦：哲学家 —科学家,一书中发表了,就原子物理学的认识论问题和爱因斯坦进行的商榷,的长篇论文，全面系统地阐述了自己的观点，总结了他和爱因斯坦的论战。爱因斯坦在于同一年写的,对批评的回答,一文中，针对玻尔的文章作了回答，批评了哥本哈根学派的实证主义倾向。
目录爱因斯坦与玻尔之间持续了多年的争论，使得量子力学的意义不断地得到澄清，一次次争论也就是一步步地揭示了量子力学的本质含义。可以说，这场争论也是量子力学理论发展的一个组成部分。在深层次上，这场争论是两位物理学大师的哲学思想的交锋。这里的一个中心论题就是科学规律本质上应是因果性的，抑或可以是概率性的?
还特别应提到的是，争论并没使这两位伟大的科学家之间产生什么不愉快。他们相互尊重，保持了友谊，
为后人树立了榜样。像爱因斯坦和玻尔之间的这场论战，
是不能以简单的胜负判决作结论的。正如当代物理学家惠勒所说：,我确实不知道哪里还会再出现两个更伟大的人物，在更高的合作水平上，针对一个更深刻的论题，
进行一场为时更长的对话。我向往有一天，诗人、剧作家、雕塑家将会表现这一题材。,
目录玻尔互补原理玻尔，哥本哈根学派（简称哥派）的首领，
在对于量子理论的物理诠释方面取得圆满的成就，
其非凡的 互补原理 影响深远，成为哥派以至当今大部分物理学家信奉的思想原则，甚至扩展成所谓的互补哲学，受到各界人士的青睐。玻尔以中国的 阴阳太极图 (见图 )
作为哥派的族徽，以标示这貌似简单、实为诡秘的互补原理。
目录互补原理：
微观物质体系的波动性和粒子性并非同时出现，即,不论注意对现象描述的连续性一面或不连续一面，我们总会丢掉一方面,；就是说,二者是互斥的，得此而失彼 。
例如：不确定性原理,表明任何一对共轭量
（可观测力学量）测量时的准确程度，亦有得此失彼、互相排斥的情况。
玻尔认为要改变此局面，可加以互补性说明,两个互斥的方面又是互相补充的，必须同时兼顾，二者共同构成对同一客体的完备描述 。
这就是 互补原理 。
目录玻尔对互补性的解释：
经典理论 以 可观测物理量 的时空微分方程（例如牛顿运动方程）为核心，表示宏观体系服从严格的因果律，所以它们是 时空模型理论 。
量子力学 的薛定谔方程乃波函数的 时空微分方程,但代表 量子态 的波函数并非可观测量（可在时空中直接呈现），该方程不是客体本身在时空中运动的因果律。
所以玻尔把互补性解释为,客体运动服从严格的因果律与凭依时空描绘客体的一切现象这两项经典要求不可能同时满足 。
目录就波粒二重性而论，它并不真的表明微观客体本来有此二重性质，其实是既非经典的粒子，又非经典的波；这两种形态只是 微观客体运动在不同的实验安排下呈现于宏观仪器上的不同图象，人们不得不以经典概念 ——粒子性和波动性，才对其作出互为补充的全面描述 。
玻尔说：,观测能用经典物理的概念描绘,
这几乎是实验的本质,；然而,这就是量子理论的整个佯谬,。因为一方面，必须建立起不同于经典物理定律的量子物理定律；另一方面，
每当观测，便不得不毫无保留地使用原来的经典概念。 正是这个佯谬，促使玻尔提出互补原理 。
目录互补原理 常常有为下面 不同表述,
两种物理图象 (粒子图象和波动图象 )互斥互补；
两类可观测力学量（比如彼此共轭的位置和动量、时间和能量等）的经典概念也互斥互补，
且两类力学量的测量准确度之间有得此失彼的不确定性关系。
,两大类不同的实验场合（或称观测方式）也互斥互补”。
玻尔强调,表观上互斥之两个方面的物理图象、经典概念、实验场合“综合起来，才揭示一切关于原子客体的明确知识” 。
目录可见，互补原理给出了上述佯谬的一种自圆其说的妥贴解释。玻尔认为,在某种意义上说，量子力学的形式体系正就是对此佯谬、即对借用经典物理概念描述在一定的实验安排下所得之观测结果的统计征状的理解；而互补原理阐明了这种理解 。
因此，互补原理是量子力学的重要内容；
尽管它只是一种解释，不能用数学公式表示。
并且，玻尔还认为,互补原理是对经典物理关于物质运动最基本的规则 ——因果原理的“一个合理的推广”,涉及因果定律，又补充以原子（和亚原子）现象观测上的不确定性。我们以为，这种推广是认定观测概念的自然结果。
目录互补性解释还是一种可以推广的观念，
玻尔把它用于许多场合，超出物理学领域、
超出自然科学领域； 凡两难的局面，把两种不同的甚至对立的概念用来描述同一对象的两个侧面，并使二者相互补充，共同构成关于所考察对象的完整说明 。
所以，玻尔的互补原理便扩展成为一种观念上与传统哲学思想甚有差别的 互补哲学 。
目录爱因斯坦不很赞赏互补原理，他崇尚统一、而非补充,爱氏把互补哲学看成为一种绥靖哲学，就此对哥派提出质疑。
玻尔当然不认为自己给出的是一种绥靖哲学式的解释，他说明实验上的“一切困难，都可以通过互补原理来消除掉”；同时认真地考虑爱氏批评的意义，由此深入地论证了互补原理确实是一条普遍有效的哲学原理。
经过双方反复的论争，爱因斯坦承认互补原理提供了
“一条漂亮的捷径” 。
哥派的观念,主要包括 不确定性原理、几率解释、
互补原理等，最终成为量子力学的正统解释 。
目录
§ 6.2.9 薛定谔猫佯谬薛定谔于 1935年设计了,杀猫实验,。把一头猫和一只盛有极毒的氢氰酸的小瓶置于密闭的钢箱里；另有一盖革计数器内放了少许放射性物质，其量甚少，以致在一个小时里可能只有一个原子衰变，也可能不发生衰变。
体系的总体波函数代表猫既活又死的混合状态。这以常识而论是荒谬的，猫似当非死即活 。
目录薛定谔 以其“杀猫”的理想实验提出 质疑：
量子力学并不能预言猫的死和活。
哥本哈根学派 以为,
把箱盖打开观看，即可知猫是死是活。
薛定谔 以为：
猫在开箱之前死活已定，确实与观测者打开箱盖观看这个步骤无关。因为猫是宏观物体，
所处之死活状态是确定的 ——非死即活、非活即死，故不必以活态和死态之混合作为它的总体状态 。
目录然而,薛定谔似乎混淆了宏观与微观的界限,他以宏观物体的情况抨击描述微观体系的量子力学的非决定论特征；诚然，他只是以猫作为譬喻罢了。
可是,爱因斯坦肯定此譬喻巧妙地反驳了哥派的观点，证明了诸如包含活猫部分和死猫部分那样的波函数“不是物理实在的完备描述”,甚或“并不表示实在的状态，而只是表示我们关于状态知识的容量”；他还指责玻尔关于“凡意欲探究某种与观测无关而独立存在着的东西，即想问猫在对它观察之前的某一特定时刻到底是否活着，都不科学”之说法，认为玻尔是在散布“温和的迷雾”。
目录其实，“杀猫实验”未必驳倒了哥派的观点，但“猫佯谬”的生动性引起人们对观察、
测量问题的广泛兴趣。
90年代有人以某种原子（或离子）作为
“量子猫”，按薛定谔的设计方案进行“杀猫”
实验,已可望这微观尺度的“量子猫”的确处于不同定态的混合态，并通过某实验操作使其按一定的几率跃迁到其中某一定态。此类实验中，观测成为“死态”、“活态”同时兼蓄的
“量子猫”得以“死绝”或“全活”的关键；
而,量子猫”的统计特征毕露无遗。
目录
爱因斯坦 确认能量子为,一种直接的实在,,
并将其当成独立于知觉主体之外的微观客体的基本属性,至于从实验仪器观测原子 （ 和亚原子 ） 现象,只是取得对于客体的间接经验；经验与实在是两码事 。
玻尔 把对 物理实在 的定义作了根本性修改,他的实在即为 经验实在,乃以量子概念为修改之基本依据；他强调作用量子的存在,是着眼于引起仪器和客体之间不可消除的有限相互作用,
故而将实验观测呈现的原子 （ 和亚原子 ） 现象就认作知觉主体的直接经验,亦即具备固有统计性质的微观物理实在,此 实在起始于观测,
并不独立于主体之外 。
目录所以说,爱因斯坦等人与哥派的对立,
可归结于对物理实在的不同哲学见解 ；
爱因斯坦等人 追求物理理论的决定论性时空模型,认为量子力学对于微观客体而言 是非完备的理论,
哥派 则认为量子力学已提供微观物理实在以 完备的描述 。
爱氏就不满足于哥派对量子概念涵义的阐解；以为自己思考了五十年,依然未弄明白光量子究为何物,量子跃迁的机制究竟如何；更会觉得若以量子概念作为理论的主要概念基础,
便有违于他的场论研究纲领 。
目录
§ 6.2.10 普朗克的物理思想德国物理学家普朗克对宇宙本质问题有浓厚的兴趣，他在,科学自传,中谈到了他从青年时期起就爱好科学的原因。他说：,引导我从事科学研究和从青年时期起就爱好它的原因，是一个不十分自明的事实，
这就是我们的思维规律和我们从外界接受到的自然过程的规律是符合一致的，因而使人们有可能通过纯粹思维对这种规律做出解释。对此具有重要意义的是，
外部世界是我们所面对的、独立于我们而存在的绝对所在，而探索这种绝对存在所适用的规律，我认为就是最崇高的科学研究任务。,这些话表明了一个科学家朴素的唯物主义思想，他坚信外部世界是独立于我们而存在的客观存在，他坚信真理的客观性，他认为探索这种绝对存在所适用的规律是科学研究的崇高任务。
目录普朗克早期的物理思想受到克劳修斯的深刻影响 。当他在慕尼黑大学学习物理和数学时，
就以极大的热情自学了克劳修斯的名著,热力学,。他在 1879年完成的博士论文中。对热力学第二定律做了详细的论述，但这篇论文并没有引起人们的兴趣。
但是，这种淡漠的态度并没有阻止他对熵的研究。他在,科学自传,中说：“由于深刻体会到这个问题的重大意义，这种态度并没有阻止我继续对熵进行研究，因为我把熵看作和能量 —样，也是物理过程最重要的特性。”
目录
1880年 6月，普朗克写了,不同温度条件下物体的平衡熵,一文，获得慕尼黑大学授予的特别奖状。所以，我们可以看到在普朗克的热力学思想中,熵增加原理和非平衡态向平衡态发展的不可逆性，始终占有最根本的地位 。他把熵增加原理看成和能量原理一样是物理学中 —条不可缺少的独立定律。这个在他青年时期形成的中心思想，一直主导着他的科学工作。
当然也就决定性地影响了他处理黑体辐射问题的方式。
目录从 1894年起，普朗克把注意力转向黑体辐射问题。他为什么对这一领域发生兴趣了呢? 除了上述原因外，还有他 对普适性规律的追求 。
通过热辐射谱的测量，他的注意力被引向了基尔霍夫定律，他被基尔霍夫函数的普适性迷住了。他在,科学自传,中谈到他的探索动机时说：“这个所谓的正常的能量分布表明了某种绝对东西的存在；而且，既然 在我看来对绝对事物的寻求永远是最美好的研究任务,因此我就热心地开始探索这个问题。”
目录
§ 6.2.11 玻尔与互补性的美学意义玻尔 是丹麦物理学家。玻尔对卢瑟福的原子核模型进行了量子化轨道的处理。玻尔提出了“定态”和“跃迁”两个公设。 玻尔理论的美，在于出色地从两个公设出发,演绎出电子运动轨道半径、能量与能级，把有关原子的两套信息 ——化学性质的周期性与原子光谱的不连续性有机地结合在一起。这成功地摆脱了卢瑟福核式模型的困难，绝妙地 解释了原子结构的稳定性。
目录互补性原理的美自从 1900年普朗克提出了作用量子的概念以后，在物理学中出现了一种特别混乱、使人感到特别不美的局面。
物质形式：波动（场），能量的弥散；
粒子的，能量的密聚。
在发现了电子和光都具有波粒二象性以后，
这两种物质形式之间不可逾越的鸿沟就不复存在了。它们在更高层次的概念上统一起来了。
目录玻尔认为 在微观世界中，应当彻底改变对于宇宙和谐与秩序的审美习惯，必须 承认 一切最基本的概念，包括 时空概念和因果概念都有它们的适用界限 。
当应用某些为我们曾经 习惯的经典概念来描述微观现象时，必然会排除另一些经典概念同样完美地描述微观世界的情况 。而这些受到排斥的另一些经典概念，在描述另一种条件下的微观现象时却是不可缺少的。
目录玻尔认为，合乎因果性要求的时空描述，只适用于宏观现象的一种近似的、极限的情况。因为观察过程对微观现象的测量结果要产生影响，所以 在微观世界中 应当代之以“互补”描述的审美习惯。
玻尔对“互补”的理解
“互补一词的意义是,一些经典概念的任何确定应用，将排除另一些经典概念的同时应用，而这另一些经典概念在另一种条件下却是阐明现象所同样不可缺少的 。”这就是说，玻尔认为在微观粒子中，波粒二象性的要求本身就是互斥互补的。只有把这些互斥互补的概念集合在一起，才能完美地体现微观运动物质的各种性质与状态。
目录
1937年,玻尔偕同夫人及次子 周游世界。到日本后，他应当时清华大学理学院院长吴有训的 邀请来到中国,先后游历了北京、南京、杭州等地。在中国逗留期间,玻尔对我国古代的阴阳八卦学说及老子思想十分欣赏，认为这是对他的互补性原理的最形象的说明 。他曾经引用老子,道德经,中的词句作为自己论文的题头词；他还根据阴阳太极由来设计他家族的族微，以阴阳互补性来表示他的互补性原理。有些人据此认为，玻尔的科学美学思想就是东方的神秘主义。
我们说，阴阳互补，对立统一，这虽然是中国古代朴素的辩证法思想和科学美学理想，但是玻尔通过对微观世界的认识，在现代条件下同样得到了这种科学美学的认识。这确实是很值得我们深思的。
目录互补性原理的美学 魅力在于，不但对于微观世界是适用的，而且对与统计因果性联系在一起的宏观世界的认识也具有启发性。 宇宙的美，不但体现在严格的决定论式的因果性中，而且体现在统计的因果性中 。
这是对宇宙美的一种划时代的科学美学见解。
然而,玻尔的互补性原理只是一种朦胧的美,因为它只告诉我们以宇宙美的一种组成方式，并没有具体指出它们确切的涵义。互补性原理不是一个理论体系，也没有现成的条文。玻尔本人也没有僵硬地规定互补性的定义。凡此种种，就 在科学美学思想史上形成了一个“互补性之谜,。至今尚有人试图区分互补性的若干形式，或用符号逻辑的手术刀来解剖互补性，
还有些人希望利用优美的语言来定义互补性。
目录互补性原理的美不但适用于物理学，而且适用于其他一些领域 。生物世界的美与无生物世界的美有一个显著的不同，即表征生物行为的是某种结构秩序的存在与和谐。它或者表现为蛋白质分子确定的空间结构，或者表现为大脑神经细胞间相互联接的方式，这是一种更加形式化的拓扑学的结构，它体现出某种秩序或和谐。生命虽然是在不断变动的，可是我们从统计因果性来看，它总有一种秩序或和谐存在，这种秩序是惊人稳定的，这就是细胞、组织、器官的机能结构。在生物学水平上，我们明显地可以看出,物理学和化学关于生物体的描述和生物学关于生物体的描述显然是既相互排斥，又相互补充的，因此完全体现出一种互补性的美 。
目录玻尔自己在评论互补性原理时说,这是涉及对于谐调性的寻求，可是：“这种谐调性不能概括在说明范围更窄的物理经验领域时所采用的那种形象化概念之中。”在这一点上，玻尔完全同意海森堡的下述意见：“海森伯发表了他自己的原子模型。他放弃了一切用粒子或用波来描绘原子的尝试，并且断定，任何把原子结构类比于我们周围世界结构的企图都是注定要失败的。他的办法是纯粹用数字来描述电子的能级或轨道，完全不用图象。”玻尔根据自己对原子模型的大胆探索，早就认为：“关于原子序数的这一诠释，
可以说代表着解决下述问题的一个重要步骤；这一问题长期以来就是自然科学的最大胆的梦想之一,根据纯数的考虑来建立对于自然规律的理解 。”这实际上就是毕达哥拉斯关于数的和谐这一科学美学理想，在新的历史条件下的复活。
目录玻尔却慧眼独具地觉得：数学美在量子力学建立过程中起着重要的作用。这种特殊形式的数学奖，是我们通向微观世界美的王国的必经之路。
抽象代数学,例如溯源于英国数学家凯利的矩阵，被海森堡再次独立发现，成果就是 海森伯方程 。
微分方程,也在原子问题中得到了广泛的应用，
其最著名的成果就是 薛定谔方程 。
目录玻尔曾不无豪迈气概地赞美说：数学符号的广泛应用是量子力学方法的特点，这种应用使我们很难撇开数学细节而对这些方法的优美性及逻辑无矛盾性提供一个真实的印象。”这就是说，在量子力学的理论中，如果引入数学的形式美，那么在理论的优美性和无矛盾性方面，都可以和经典力学相比美。
玻尔认为，量子力学问题只要一经与适当的数学形式相结合，理论就立刻会得到一种非常优美的形式。
数学形式美的特点，恰恰补足了我们形象思维能力在微观世界中的局限 。在洞悉微观世界美的王国的征途中，数学的美始终是照亮崎呕山路的明灯。它为物理学家提供了进一步开拓道路的工具。
目录玻尔对数学美的评价很高，然而他并不只是依靠毕达哥拉斯似的美感直觉。玻尔强调指出：“数学符号和数学运算的定义，是以普通语言的简单逻辑应用为基础的。因此，数学不应被看成以经验的积累为基础的一个特殊的知识分支，而应被看成普通语言的一种精确化，它用表示关系的适当工具补充了普通的语言，对于这些关系来说，通常的字句表达是不准确的或太纠缠的。”因此,玻尔认为量子力学的数学形式体系，只不过给推导关于观测的预期结果提供了一种计算法则。而互补性科学美学要求中的一切矛盾，事先就已被数学形式美的逻辑一致性所排除了 。
目录玻尔对对称性的美表示了特殊的兴趣和重视 。他说：“人们在对称性关系的研究中寻求了前进的途径，而且，从那时起，通过很多种粒子的迅速的相继发现，这种途径已被提到了重要的地位，所发现的那些粒子显示出如此出人意料的性能，以致人们用不同度数的‘奇异性’来表征了它们。”当代物理学中，时空反射对称性和粒子 ——反粒子对称性的美，就是量子力学这朵花所结出的科学美学果实。
目录玻尔认为,科学和艺术之间的关系，通过灵感而统一起来了 。他说：“这种灵感是伟大的艺术创作通过指示出我们地位中那种谐调的整体性的一些特点而提供给我们的。
事实上，当在越来越大的程度上放弃逻辑分析而允许弹奏全部的感情之弦时，诗、画与乐就包含着沟通一些极端方式的可能性，那些极端方式常被表征为实用主义的和神秘主义的等等。”
目录
§ 6.2.12 薛定谔的科学美学思想薛定谔的研究是从批评玻尔理论的不美开始的 。
他认为，作为电子运动完美的数学理论，它所应用的数学方法必须由电子运动本身按自然方式产生量子数，
而不是象玻尔那样直接从外部把这些量子数注入到数学理论中去。薛定谔 从毕达哥拉斯的科学美学思想中得到启发 。毕达哥拉斯发现音乐和数之间有一种奇特的关系。一根振动着的弦，实际上包含着薛定谔所寻求的那种正整数的序列。如果我们把这根弦的两端连结在一起，那么振动着的弦就会形成一个振动的圆环。
这个振动的圆环必定是整数的波长。这实际上就是玻尔的电子轨道条件。
目录薛定谔的科学美学思路是音乐式的 。人们早已知道，琴弦、风琴管的振动符合类似形式的波动方程。
而一个波动方程，只要附加一定的数学条件，便会产生一些数列。薛定谔决意根据这种科学美学见解，创造一种原子理论。结果，薛定谔如愿以偿，求得了电子的波动方程：
这是一个相当美妙的方程，在这个方程中,m,E,V
体现着电子的微粒性，而? 则体现为电子的波动性，
方程把电子的波粒二象性完美地统一起来了 。
0)VE(h m8zyx 22222222
目录波动方程的形式简单明了,使它具有很高的美学价值，代表着量子力学的巨大进步。从形式上看，因为波动力学所使用的数学工具是偏微分方程，这是物理学家比较熟悉和容易掌握的数学工具，不象海森堡的矩阵那样陌生，
所以波动力学比起矩阵力学来更显示出它的美来。或者说，由于 波动力学更符合物理学家的审美习惯,所以更容易引起人们的美感。
目录在薛定谔建立波动力学的过程中，类比方法起了很大的作用 。薛定谔本人曾说过：
“从通常的力学走向波动力学的一步，就象光学中用惠更斯理论来代替牛领理论所迈进的一步相类似。我们可以构成这种象征性的比例式：
通常力学 /电动力学 = 几何光学 /波动光学典型的量子现象就类比于衍射和干涉等典型的波动现象。”
目录通常力学 波动力学质点状态的描述 坐标与速度 波函数质点运动方程 牛顿力学方程,薛定谔波动方程物质形态 实 物 波能 量 E (代表数值的符号 ) (代表运算的符号 )
动 量 Px (代表数值的符号 ) (代表运算的符号 )
ti?
xi?
类 比目录薛定谔认为，波动力学应该是质点力学的普遍化；而质点力学应该是波动力学的近似。
这一观点是 符合连续性的美与间断性的美应当统一的要求的 。
薛定谔还把量子力学的美学思想推广到生物学领域中。他认为，有机界与无机界也可以进行类比。通过类比，可以更好地揭示有机界的微观结构和功能，从而更好地理解整个有机界的美。薛定谔首创在分子层次上对生命体和无机物质进行类比，探索生命体的结构和遗传变异特性。
目录薛定谔在 1944年出版的,生命是什么,的序言 中说：
“我们从祖先那里继承了对于统一的、无所不包的知识的强烈渴望。最高学府这个名称使我们想起了从古到今多少世纪以来，只有普遍性才是唯一地享有盛誉的。可是，最近一百多年来，知识的各种各样的分支在广度和深度上的展开，却使我们陷入了一种奇异的困境。我们清楚地感到，要想把所有已知的知识综合成为一个统一体，我们现在还只是刚刚开始在获得可靠的资料；可是，另一方面，一个人想要充分掌握比一个狭小的专门领域再多一点的知识，也已经是几乎不可能的了。
目录除非我们中间有些人敢于去着手综合这些事实和理论，即使它们有的是第二手的和不完备的知识，而且还要敢于承担使我们成为蠢人的风险，除此之外，我看不到再有摆脱这种困境的其他办法了 (否则，我们的真正目的将永远达不到。 )”
正是这种迫求知识统一的审美理想，促使薛定谔敢于冒成为蠢人的风险，从他所熟悉的物理学领域闯进奇妙的生物世界，为生物学的美奠定了分子生物学的理论基础。
目录薛定谔在科学美学上的贡献还在于，他 论证了量子力学的统一性 。在量子力学发展史上，玻尔理论相继被德布罗意、海森堡、薛定谔和狄拉克的理论所突破。在这四种理论中，德布罗意与薛定谔为一对，海森堡与狄拉克为另一对，分别代表两种不同的理论路线。可是有趣的是，这两种不同的理论路线共同发源于哈密顿的科学美学思想！
薛定谔在 1926年 3月，提出了两条理论路线统一化的问题。薛定谔认为，只要把哈密顿方程中的动量 p，
转换成算符，这两条理论路线的统一化问题就可完美地解决。薛定谔用波动观点重新发现了狄拉克用粒子观点发现的理论。这一事实表明，狄拉克的 q 数理论暗含在薛定谔方程美的光辉之中。这样，海森堡的矩阵力学也变成了薛定谔方程美的光辉的一部分了。 由于薛定谔方程所描绘的波动图景平易近人，在数学上更易处理，所以显得更美一些。
目录薛定谔的科学美学思想，还表现在 对量子力学和相对论的结合中所作的贡献上 。他在一篇简短的非正式的笔记中，讨论了几何学在微观世界的不适用性。“我们所以能理解不改变外形的运动所指的是什么，应感谢固体，即近似于刚体所取得的经验。假如无此经验，犹如我们是智力高度发展的水母生活在水中，我们是否能建立起运动群中我们的几何学。对这一点，我不想作出判断。” 薛定谔的这一思想，为美和美感的同构关系寻找了微观世界的根据。它与彭加勒的美学思想也有共通之处。
相对论和量子力学的统一是当代最重大的理论问题之一，是具有薛定谔这样科学地位的人必定要研究的一个美学问题。薛定谔尝试着对这个美学问题作了多种形式化的表述，使这个或那个几何量对称或不对称。虽然薛定谔后来也没有完成这种统一的工作，但是他的科学美学探索和美感直觉始终给人们留下了深刻的印象。
目录
§ 6.2.13 海森堡的科学美学思想海森堡是德国著名物理学家，量子力学的奠基人之一。海森堡在他的科学研究实践中，对科学美学问题十分重视，并在实践的基础上，逐渐形成了他的科学美学思想。他同彭加勒、爱因斯坦、韦尔一起，竭力主张研究科学中的美学问题，呼吁科学和美学在 20
世纪科学发展的基础上重新结合起来。
1900年普朗克提出量子论，玻尔利用量子论的观点研究原子结构，但在复杂的重原子结构中，实验所测得的光谱线不再与玻尔理论的预测值符合。为了根据新的实验数据重建一个更加美的理论体系，当时年仅二十三岁的海森堡，试探着以玻尔点燃的火炬，作为指引他远航的航标。
目录
不管理论形式看起来多么荒诞和不合理，但 只要能和实验数据吻合，它就有可能是真的 。
认为判定科学理论的美学标准有两个，第一是简单性,第二是数学形式的 完整性 。
自然界向人们展现的 科学理论的美感往往使人震惊 。
在科学发现中科学家常常遵循 美感直觉去追求真理 。
有了科学美学的思想，就可以使人们从复杂的理论问题中理出一个头绪来。
目录
科学的生命在于真,不符合实际的理论，即使在形式上再美，那也不过是一朵永不结果的花，
至多只能算是一种绝妙的智力游戏。反之，科学理论只要在一定范围、一定程度上与客观自然界符合，它就在一定程度上是真的，就可以在科学大厦中占据一席之地。这样的科学理论，
也就具备了一定程度的审美价值。
对称性是美的事物的表现形式之一 。
强调 数学形式的美与实验证实的 —致性 。
科学 风格与 艺术 风格，科学语言与艺术语言之间是 相互贯通 的，是两种不同形式的人类语言。
目录艺术风格的基本要素是与数学的本质要素十分密切地关联着的。海森堡批驳了那种认为科学是严肃的、
真实的，而艺术则是任意的、似乎距真理很远的错误思想。他以一个自然科学家对待客观自然界一样的态度，来认识艺术的真实性。海森堡认为 任何一件艺术作品都要反映这个时代的精神,而时代精神则完全如同科学事实一样是纯客观的，并不以某 —个人的意志为转移。这样,在艺术中所表现出来的时代精神，也就是一种必然的客观规律性了 。反之，不能反映时代精神的作品就不具有艺术的真实感。
因此，那些胡编乱造的低劣作品，实际上并不是艺术作品。这正如同不反映客观自然对象的理论不能被称为科学理论一样。如果某一艺术风格反映了某一时代精神，那么这种时代精神是由铁一样的历史必然性所决定的。反映这种历史必然性的艺术作品就如同伟大的科学理论一样，是永恒的。
目录
§ 6.2.14 狄拉克的科学美学思想狄拉克是英国著名物理学家。他曾在布里斯托尔大学、剑桥大学圣约翰学院学习,1926年获剑桥大学哲学博士学位,1932年任该校数学教授。 1930
年，他被选为英国皇家学会会员。
狄拉克科学美学思想的特点,
(1) 狄拉克一生 追求数学美,也大力提倡数学美。 1981
年 5月，在一次国际理论物理讨论会上，他一再声称：“我想我正是和这一概念 (优美的数学 )一起来到这个世界上的。”追求物理规律的数学美，可以说是狄拉克科学美学思想的核心。 狄拉克认为，如果物理定律在数学形式上不美，那就是一种理论还不够成熟的标志，说明理论有缺陷，需要改进。
目录然而狄拉克的科学美学思想并不是唯美主义的，因为他对于理论问题研究的基本出发点是：在物理学和数学的关系问题上，物理学居首位，数学不过是一种工具。对狄拉克来说，
现实的物理世界比单纯的逻辑结构更有意义。
他在,量子力学原理,一书中告诫人们：应当学会在自己的思想中能不参照数学形式而掌握物理概念，并尽可能地了解数学形式的物理意义。
狄拉克心目中的数学美，除了传统意义下数学的 精确性、严密性、简练性 以外，还包括对称性、统一性,在尽可能广泛的变换群作用下的 不变性 。
目录
(2)狄拉克坚信 美和真是统一的 。他认为，美的理论必然是正确的。在物理学中，理论必须描述尽万能广泛范围内的事物最本质最普遍的联系？而美的理论就是普遍适用的基本自然规律的一种表现形式。因此,美的理论的客观基础就是自然界最本质地普遍的联系。
而美的理论最恰当的表现形式，就是完美的数学形式 。
狄技克认为，爱因斯坦的理论之所以被人们广泛地接受，与其说是因为它正确，倒不如说是因为它具有一种伟大的美。爱因斯坦向人类提供的四维弯曲时空图象，是大大超越人们日常的感性经验的，它的正确性并不那么容易得到经验的确证。至今人们还只有两三个实验事实可以对广义相对论的正确性作出判定，可是对于广义相对论数学形式的美，则完全可以依靠理性思维的正确判断加以把握。这就是美的理论必然是正确的理论的客观基础。
目录狄拉克根据这一重要的科学美学思想，提出了判定现有理论优劣的一种重要方法 ——通过对理论数学美形式的考察，来判断现有理论的真理性程度。
物理理论的发展，一方面可以根据一种固定的数学基础，通过数学本身美的形式与客观内容的矛盾运动，逻辑地得到发展；另一方面又不限于某一种固定的数学基础，而是对数学基础所依据的公理系统作出必要的修正或推广。
这样就可以在理论研究上独辟蹊径，解放思想，
不拘泥于现存的理论框架或实验材料，创造出非同凡俗的科学理论来。
目录
(3) 狄拉克 坚信世界的统一性应当是宇宙美的主要表现形式 。他在玻尔对应原理的启发下，
认识到经典力学系统和量子力学系统应该有一个共同的理论基础，即哈密顿力学。通过实际的科学研究，狄拉克形成这样一个基本信念：自然界各观象领域间必然具有某种本质的和内在的联系，在不同层次、不同形式的物理规律之间一定存在一种深刻的统一性。
探索宇宙统一性的美，这是狄拉克确定他的科研课题的一条主线。
目录值得注意的是,狄拉克坚信，他所追求的宇宙统一性的美，是建立在因果决定论基础之上的统一美 。从这样一种统一美的观点出发，
狄拉克认为无论是经典理论还是量子理论，无论是高能物理还是低能物理，都应该用一种统一的动力学理论作为基础。这种因果决定论的统一美，既表现为各种现象间的内在联系和规律，又表现为基本自然规律的普遍适用性。正是对统一美的这种理解，狄拉克认为量子力学理论体系还不是十分完美的，它只是通向更完善理论的一个阶梯。他认为量子力学的每一个结论，都应该是原始的运动方程的逻辑结果，
这才是宇宙统一美的实质。
目录(4) 狄拉克对于 对称美有一种强烈的美感直觉 。
利用对称波函数与反对称波函数，处理全同粒子或非全同粒子的多体波函数问题,揭示了统计类型与波函数对称性之间的内在联系 。
利用真空图象，揭示了 粒子与反粒子 之间的对称美，正、反粒子对的成对产生与成对湮灭，又为这种对称美增添了无限的魅力，并且进一步揭示了物质存在的实物形式和辐射形式之间的相互转换，指出它们之间也有着一种对称性的美。
根据电和磁的绝对对称性，提出了 磁单极子的概念。
目录狄拉克坚信 自然界是和谐的,它应当以对称性作为自己美的表现形式。这样,当我们发现自然界有着明显的不对称时，就应当检查我们的理论是否有什么错误 。狄拉克从自己理论的失误中，充分地认识到了这一点。例如他在计算真空中产生的空穴质量后，因为缺乏勇气而不敢提出空穴就是一种新的粒子，仍然把它称为质子。可是为什么对称性表现得如此好的粒子与空穴之间的质量误差竞有 1840倍？这是违背自然界的和谐的。显然，这种质量的不对称现象是由于我们知识的不完善所造成的。
目录但狄拉克对对称性的美也不迷信。他认为 对称中蕴有不对称性，这才比较符合自然界的客观图景 。例如量子变量乘法的不可对易性，这是完全违背对称美的要求的。然而正是这种不可对易性，才表达了量子力学与经典理论之间的本质差别。正是因为狄拉克善于摆脱传统对称美的思想体系，所以才能从泊松括号中得到启发，找出这种不对称性的原因所在。过去人们以为真空就是空无一物，因此真空也就具有典型的空间对称和时间对称。可是狄拉克指出真空不但不空，
而且是一个极其复杂的动力学系统时，传统的真空图象对称美的客观基础也就必然被摧毁了。狄拉克的真空图象，也就不可能具有完全的对称性了。现代场论中真空自发破缺理论，就着重研究狄拉克真空的这种不完全对称性。
目录(5)狄拉克对数学美的班解，主要是指物理理论的数学公式，应当具有尽可能广泛的变换不变性。 探寻各种条件下的不变性理论，是狄拉克科学美学思想中一个极其重要的组成部分 。
狄拉克 变换理论的美学意义 就在于：一方面承认观测者在认识上的主观能动性，因为每一个观测者可以任意选择对自己认为是方便的表象进行观测；另一方面，通过各种表象观测所得的结果完全是客观的，它是一种不变量。
这样，变换理论就把各个观测者任意选择的各种表象观测完美地统一起来了。这意味着自然界的进程是完全客观的，没有什么主观任意性。
目录(6)_狄拉克灵活地运用 形象思维和逻辑思维
数学美 的获得，主要靠 逻辑思维 的作用，
物理图象 的清晰性，又要依靠 形象思维 的作用。
形象思维与逻辑思维能不能统一呢？
有人认为狄拉克极为重视数学美，而对图象的美表示了一定程度的轻视。实际上这并不完全正确。狄拉克在否定用经典性图象来思考量子力学问题时，确实认为是否存在图象这是一个次要的问题，因为这些图象基本上是按经典物理学思路考虑问题的。在这时起重要作用的是可以用数学公式来表述的客观规律。对于量子理论来说，任何用经典观念所描述的图象，
都是不正确的；
目录可是图象确实又是我们认识自然规律的一种有效方法。同时，图象也是自然规律自治性的一种明显化的方式。因此在理论研究中，对图象也不能轻视。这时，形象思维就在科学理论的构筑过程中，占据十分重要的地位了。例如狄拉克在建立相对论性电子理论时，为了摆脱克莱因方程的束缚，就必须从形象思维的角度考虑量子力学理论对单个电子的含义是什么。
由此可知,一个具有独创性能力的科学家，必须懂得在什么时候，他的研究应当以逻辑思维为主，在什么时候，他的研究又应当以形象思维为主。 绝对排斥形象思维的科学研究，在经验自然科学中是完全不可能的。这在逻辑学或某些数学研究中，也许还有这种可能。
目录
§ 6.3 激光基于受激发射放大而产生的一种相干光辐射 。 能够发射出激光的实际技术装置,称之为激光器 。
§ 6.3.1 发展简史早在 1917年,爱因斯坦为解释黑体辐射定律,首先提出了关于光的发射与吸收可经由受激吸收,受激辐射与自发辐射三种基本过程的假设 。 直到 40年代末和 50年代初,才首次注意到利用物质体系特定能级间的粒子数分布反转和相应的受激辐射过程,
来对入射的微波电磁辐射信号进行相干放大的可能 。
在此设想的推动下,美苏两国科学家小组分别独立地在 1954年前后,研制成功第一批微波激射器装置 。
1960年美国首次研制成功第一台激光器 ── 红宝石激光器 。 以后不久,人们又相继成功地研制出一系列其他种类的激光器 。
目录
1、原子与光子的相互作用
(1) 受激吸收,能级 E1 的原子吸收一个 hυ
的光子而跃迁到能级 E2。
hυ
E2
E1 E1
E2
§ 6.3.2 产生激光的基本原理目录
(2) 受激辐射,能级 E2的原子在 hυ光子作用下放出 hυ的光子而跃迁到能级 E1。
hυ
E2
E1
hυ
hυ
E1
E2
目录
(3) 自发辐射,在不受外来激发的情况下，
能级 E2 的原子自发地放出一个能量为 hυ的光子而跃迁到能级 E1。
跃迁能级和辐射频率之间满足玻尔频率条件：
E2
E1
hυ
E2
E1
hυ=E2 - E1
目录2、激光产生条件在平衡时,原子在能级上的分布是麦克斯韦 -玻耳兹曼分布。
若 g1 = g2，有,N2 / N1 = e -( E2 - E1 ) / kT
可以看出,温度不太高时，绝大部分原子都处在基态，且 N2 < N1。
即,激发态原子数 < 基态原子数由 B12 = B21? 受激吸收 > 受激辐射
宏观上结果呈净吸收光目录若能实现使激发态的原子数多于基态的原子数，即,N2 > N1,则此时原子体系所处的状态不是统计平衡态,这时的绝对温度是负的，即,T < 0。 这种 N2 > N1情形称为粒子数反转 或 反转分布。 此时
受激吸收 < 受激辐射
宏观上结果呈净辐射光所以少量入射光能激发出大量的光辐射，表现为光放大，这种 受激辐射光的放大简称激光 ( LASER —— Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation 的缩写 )。
目录
E1
E2
基态激发态
He
E’1
E’3
基态亚稳态
Ne
E’2光泵 非稳态碰撞交换 (共振 )
hυ
例,He - Ne 激光器原理示意图目录
E1
E2
基态激发态
He
E’1
E’3
基态亚稳态
Ne
E’2光泵自发辐射
632.8 nm慢快非稳态碰撞交换 (共振 )
hυ
例,He - Ne 激光器原理示意图目录
E1
E2
基态激发态
He
E’1
E’3
基态亚稳态
Ne
E’2光泵自发辐射
632.8 nm慢快非稳态碰撞交换 (共振 )
hυ
例,He - Ne 激光器原理示意图目录
E1
E2
基态激发态
He
E’1
E’3
基态亚稳态
Ne
E’2光泵自发辐射
632.8 nm慢快非稳态碰撞交换 (共振 )
hυ
例,He - Ne 激光器原理示意图目录
E1
E2
基态激发态
He
E’1
E’3
基态亚稳态
Ne
E’2光泵自发辐射
632.8 nm慢快非稳态碰撞交换 (共振 )
hυ
例,He - Ne 激光器原理示意图目录
E1
E2
基态激发态
He
E’1
E’3
基态亚稳态
Ne
E’2光泵自发辐射
632.8 nm慢快非稳态碰撞交换 (共振 )
hυ
例,He - Ne 激光器原理示意图目录
E1
E2
基态激发态
He
E’1
E’3
基态亚稳态
Ne
E’2光泵自发辐射
632.8 nm慢快非稳态碰撞交换 (共振 )
hυ
例,He - Ne 激光器原理示意图目录
E1
E2
基态激发态
He
E’1
E’3
基态亚稳态
Ne
E’2光泵自发辐射
632.8 nm慢快非稳态碰撞交换 (共振 )
hυ
例,He - Ne 激光器原理示意图目录例,He - Ne 激光器原理示意图
E1
E2
基态激发态
He
E’1
E’3
基态亚稳态
Ne
E’2
自发辐射光泵 632.8 nm
慢快非稳态碰撞交换 (共振 )
hυ
目录球面反射镜
(100 %反射 )
球面反射镜
( 98 %反射 )
阳极 阴极放电管布儒斯特窗布儒斯特窗
He - Ne 激光器结构示意图目录
§ 6.3.3激光的特点
1,高定向性,（ 一般为 10-5～ 10-8球面度 ） 向前传输 。
2,高单色性单色性的表征量?/ 可高达 1010～ 1013数量级；
较好的单色光源的单色性量值只有 106数量级左右 。
3,高亮度例如光源太阳,其发光亮度值大约为 L≈103 瓦 /(厘米 2.球面度 )数量级左右；而目前大功率激光器的输出亮度,可高达 L ≈1010～ 1017 瓦 /（ 厘米 2.球面度 ） 数量级左右 。 对太阳而言,可见光 (5 000埃左右 ) 附近的单色亮度值 L’≈ 10-12瓦／ （ 厘米 2.球面度,赫 ） 量级左右；目前大功率激光器输出亮度值可高达 L’ ≈ 104～ 107瓦 /（ 厘米 2.球面度,赫 ） 量级左右 。
目录
4,高光子简并度每个量子状态内的平均光子数,定义为光子简并度,它表示有多少个性质全同的光子 （ 它们具有相同的能量,动量和偏振 ） 共处于一个量子状态之内 。
太阳,在可见光谱区的光子简并度大约为 10-3～ 10-2数量级左右；
人造光源,光子简并度数值也远小于 1 。
激光器,由于光学共振腔对激光振荡模式有较强的限制作用,从而可使输出激光辐射的光子简并度达到较高的数值；例如对于大功率激光器而言,输出光子简并度可高达 1014～ 1017数量级 。
5,高相干性空间相干性：由其高定向性所决定；
时间相干性：由其高定向性和高单色性所决定 。
目录
§ 6.3.4激光的应用一,工业上的应用目前比较成熟的应用有激光打孔,
激光焊接,激光切割,激光划片,激光表面处理和激光印刷,激光信息存储等 。 图 6-3-2激光全息测量装置目录
在化学工业中,利用激光的高亮度,高单色性和可调谐等特点,可以对特定的化学反应进行控制,从而实现 光学催化,光学聚合,光学合成,光学提纯和光学分离等 过程 。 目前,利用激光分离同位素的研究工作已经取得了很大的进展 。 利用激光合成各种特殊的化学物质,在技术上也取得不少的成功 。
在大型装备和建筑施工中,激光准直与定向技术有广泛而富有成效的应用 。 例如,利用氦氖激光器制成的 激光指向仪,激光铅直仪,激光水准仪和激光经纬仪等,在大型船舶制造,大型建筑和筑路施工,管道和电缆铺设以及隧道开凿和矿井掘进等工程中,应用效果都很好 。
目录二,农业,生物学和医学上的应用
农业,可选择和培育优良品种；可研究植物各种基本过程以及光合作用的基本机理；研究病虫害的发生发展规律及防治方法，各种农副产品的保管方法。
医学,激光 临床治疗 包括辐照、烧灼、汽化、焊接、
光刀切割以及光针针灸等；激光作为研究人或动物体上的各种生物学效应；利用激光来研究细胞的组成、
分裂、生长和转化等，从而可加深人们对新陈代谢、
遗传和发育等生命基本过程的理解。此外，借助于激光技术还可以制成各种 新型诊断和测量分析仪器,如激光显微光谱分析仪、激光扫描显微镜、激光显微解剖刀、激光血球计数仪等装置，可在医学和生物学研究中发挥出特殊的效用。
目录图 6-3-3 YAG 激光手术器目录激光与文化界
激光焰火晚会；
激光舞台；
激光光盘（ CD,VCD,DVD）；
激光电视、电影；
……
激光在战争中
激光雷达；
激光制导；
超强激光武器：用于拦截飞机和洲际导弹甚至破坏军用卫星的超强激光武器；
……
影视资料片,激光以及应用目录三,激光通信激光是一种光频波段的相干电磁波辐射,
因此自然可以利用激光作为光频电磁载波而传递各种信息 。 激光通信的原理与普通的无线电通信相类似；所不同的是,无线电通信是把声音,图像或其他信号调制到无线电载波上发送出去,而激光通信则是把声音,图像或其他信息调制到激光载波上发送出去 。 激光通信的优点主要是：传送信息容量大,通信距离远,保密性高以及抗干扰性强 。 激光通信可分为地面大气通信,宇宙空间通信和光学纤维通信等几大类 。
目录
60年代 美国完成了世界上最好的高速公路网
1993 年 美国决定开展“国家信息基础结构计划”，也就是建造美国信息高速公路网；
我国也已经开始信息高速公路网的建设，作为第一步，首先建设,三金工程,。
“金桥工程” ——全国金融系统的网络；
“金关工程” ——全国海关网络；
“金卡工程” ——全国信用卡网络。
目录1、信息高速公路,实际上包括：计算机控制系统、卫星传输系统、光纤传输系统、多媒体图象通讯系统和数字通讯系统等。
计算机控制系统 是信息高速公路的管理系统，
就像公路上的交通警察；
卫星传输系统和光纤传输系统 则是信息高速公路的骨干，就像公路的路面；
多媒体图象通讯系统和数字通讯系统 则是讯号的发送系统，就像公路上的各种车辆。
电子信箱、传真通信、移动电话、宽带可视电话、宽带会议电视。
目录
2,光纤网络传输
1966年,英籍华人高锟提出可以用光纤作为通信的传输线,但是当时制作的光纤损耗高达
1000dB/km,实际上还无法付诸实用 。
1980年,日本利用轴向沉积法生产出了损耗仅为 0.2dB/km的石英光纤,使光纤通信技术获得飞速的发展 。
80年代后期,美国电话电报公司铺设了大西洋和太平洋的海底光缆,将欧,美,亚三洲连接起来 。
目录? 90年代,第 3代越洋光缆取代了 1,2代光缆 。
光缆的容量大大增大,每对光纤有 32万个通道,
是第 1代的 16倍,相当于 8个通讯卫星的容量,
每秒可传输相当于 30卷大英百科全书的信息量 。
90年代中开始铺设一条最长的光缆,从英国经大西洋,地中海,红海,印度洋,太平洋直到东亚,一路上经过 11个国家和地区 。 上海的光纤网与之相连接 。 而上海的光纤主干网络已把各个电话局,长话局,电视台和东方明珠塔等重要通信点连接起来了 。 光纤网通讯具有速度快,容量大,抗干扰能力强等优点,而且它的寿命可达 20年以上,远长于通讯卫星 。
影视资料片,光纤通讯目录四,激光雷达和激光精密测量激光技术出现后,利用高亮度,高定向性和脉冲持续时间十分短的激光束来代替普通雷达的微波或无线电波射束,可以 大幅度提高测距和测方位精度 。 激光雷达与测距的另一个优点,
是可以不受地面假回波影响而测量各种地面和低空目标,从而 填补了普通雷达的低空盲区空白 。 此外,激光雷达与测距完全不受各种电磁干扰,不但使目前已有的各种雷达干扰手段完全失效,而且还可突破诸如导弹再入弹头周围等离子体层的屏蔽作用,或者核爆炸产生的电离云的干扰作用 。
目录在激光技术出现以前,普通干涉测长方法受到所使用的普通光源单色性的限制,最大量程不超过一米左右,最小的测量误差也只能达到零点几微米左右 。 但若采用激光干涉测长技术,量程范围在原则上可扩大到几百米到几十公里以上,而测长的精度可成千上万倍地改善 。
在计量标准方面,利用单色性和频率稳定性极高的特殊激光器系统,还可建立起以激光为基础的长度,时间和频率的国际新标准 。 比如,用单色和稳频精度为 10-13量级的激光器作为光频计时标准,它在一年长时间里所给出的计时误差不超过一微秒,大大超过了目前采用的微波频段原子钟的计时精度 。
目录§ 6.4 核物理与核技术
§ 6.4.1 核物理简介核物理是原子核物理学的简称,是 20世纪新建的一个物理学分支 。 它研究核的结构和变化规律 。
1896年,贝可勒尔发现天然放射性,这是人们第一次观察到的核变化 。
1911年,E.卢瑟福等人利用? 射线轰击各种原子,观测? 射线所发生的偏折,从而确立了原子的核结构,
并提出了原子结构的行星模型 。
1919年,卢瑟福等又发现用? 粒子轰击氮核会放出质子 （ 氢原子的原子核 ）,这是首次用人工实现的核蜕变 (核反应 )。
在 20世纪 30年代中,人们还通过对宇宙线的研究发现了正电子和介子 （ 后来称为?子,是一种轻子 ）,这些发现是粒子物理学的先河 。
目录
1939年,哈恩和斯特拉斯曼发现了核裂变现象哈恩 费密目录1942年,费密建立了第一个链式裂变反应堆 。
第一个链式裂变反应堆目录通过高能和超高能射线束和原子核的相互作用,人们发现了上百种短寿命的粒子,
即重子,介子,轻子和各种共振态粒子 。 庞大的粒子家族的发现,把人们对物质世界的研究推进到一个新的阶段,建立了一门新的学科 ──粒子物理学,有时也称为高能物理学 。
目录
§ 6.4.2核技术应用一,同位素示踪同位素示踪是用放射性核素或稀有稳定核素作为示踪剂,研究化学,生物或其他过程的方法 。 示踪原子 (又称标记原子 ),是其核物理特征易于探测的原子 。 含有示踪原子的化合物称为标记化合物 。 在特殊情况下,有时也采用标记的细胞,微生物,动植物等各类标记物 。
1912年 G.C.de赫维西首先试用同位素示踪技术,并陆续作了许多工作 。 由于其开创性贡献赫维西 1943年获得了诺贝尔化学奖 。
目录
1,在生命科学中的应用在生命科学中,示踪方法主要用于测定组织的成分,
研究物质在生物体内的转移以及物质代谢转变三个方面 。
① 组织成分的测定； ② 物质在生物体内的转移； ③ 物质的代谢转变
2,在工业上的应用在工业生产中,示踪原子为使用多种高效能的检验方法及生产过程自动控制的方法提供了可能性,解决了不少技术上和理论上的问题 。 下面列举几种主要应用 。
① 确定扩散速度； ② 测定机械磨损； ③ 测定流体流速；
④ 合金结构分析：
目录
3,在医学上的应用
(1)放射性同位素在医疗上的应用
① 同位素诊断：这种诊断方法一般具有灵敏,
简便,安全,无损伤等优点,用途非常广泛,几乎所有组织器官或系统的功能检查,
都可应用 。 最常用的同位素诊断可分为三类 。
第一,体外脏器显像 。 照相机用于临床实验目录第二，脏器功能测定。第三，体外放射分析。
②治疗：
(2)放射性同位素在药学上的应用
① 药物作用原理,② 药物活性：
③ 药物分析,④ 辐射消毒钴 -60治疗机目录
4,在农业及畜牧业上的应用
① 辐射育种,② 辐射保藏食品：
③ 辐射灭虫,④ 同位素示踪：
5,同位素地质年代学
6,其他应用
① 超薄厚度的测定,② 溶解度的测定：
③ 化学反应的历程,④ 环境污染的检查：
⑤ 水利学考察：
目录
§ 6.4.3核裂变与核聚变一,核裂变,一个重原子核分裂成为两个 （ 或更多个 ） 中等质量碎片的现象 。
1934年,费密等人用中子照射铀,企图使铀核俘获中子,再经过 β衰变得到原子序数为 93或更高的超铀元素,这引起了不少化学家的关注 。
1938年,哈恩和斯特拉斯曼做了一系列严格的化学实验来鉴别这些放射性产物,结论是：所谓的镭和锕实际上是原子量远比它们为小的镧和钡 。 对这种现象,只有假设原子核分裂为两个或两个以上的碎块才能给予解释 。 这种分裂过程被称为裂变 。
目录
1939年,迈特纳和弗里施首先建议用带电液滴的分裂来解释裂变现象 。 同年玻尔和惠勒在原子核液滴模型和统计理论的基础上系统地研究了原子核的裂变过程,奠定了裂变理论的基础 。
1940年,彼得扎克和弗廖罗夫观察到铀核会自行发生裂变，从而发现了一种新的放射性衰变方式 ──自发裂变。
目录
1962年,波利卡诺夫等发现了自发裂变同质异能态 。
1967年,斯特鲁金斯基提出了在液滴模型基础上加壳修正的,宏观 -微观,方法,导出了双峰裂变势垒,这是裂变研究史上的又一新成果 。
1947年,钱三强等发现了三分裂（即分成三个碎片，第三个可以是?粒子，也可以是和另外两个碎片质量相近的碎片）。
1955年,玻尔根据原子核的集体模型提出了裂变道的概念，把裂变理论推进了一步。
目录
（ 1） 核裂变过程 （ 以 235U为例 ）,
当 235U核吸收一个中子后,就会形成复合 236U核,而 236U核是不稳定的,它很快发生形变由椭球形进而变成不对称的哑铃形,
然后发生断裂,成为两个略有大小差异的产物核,同时放出若干个中子,下图为复合核裂变示意 。
目录裂变后的初级产物往往是不稳定的,它们会通过 β衰变逐步变成稳定的核 。
一次重核裂变所释放的核能大约为 200兆电子伏,其分配如下：
碎片动能 170 兆电子伏中子动能 5 兆电子伏
β和 γ的动能 15 兆电子伏中微子动能 10 兆电子伏其中除 γ和中微子将逃逸外,其余粒子的能量约 180兆电子伏均可利用 。
1000克 235U全部裂变所释放的能量相当于
2500吨标准煤完全燃烧所放出的能量 。
目录核燃料 主要有 235U(铀 ),239Pu(钚 )和 233Th(钍 )。
235U：天然铀中 235U含量仅为 0.72%,其余都是与中子反应几率很小的 238U,因此通常需要对天然铀进行浓缩,以增加 235U的含量,这样的铀称为 浓缩铀 。
239Pu：与中子反应几率大且放出的中子多,
是一种优质的核燃料,但它不存在于天然状态中,只能通过增殖反应堆或原子能发电站人工制造,主要是通过中子轰击 238U而产生 。
233Th：与中子反应效率低,主要用在增殖反应堆中制造核燃料 239Pu。
目录
(2) 链式反应与临界质量
链式反应,重核的裂变是通过中子的轰击实现的，因而要用核裂变来取得大量能量必须不断有中子作为轰击燃料核的“炮弹”。幸好核裂变过程中就有中子产生，如果用这种
“次级中子”再去轰击重核引起另一次裂变，
然后再产生中子，这样就可以形成一种核裂变的“链条”，使得裂变反应一直延续下去，
这种连续不断的裂变反应就叫做,链式反应,。
目录临界质量,因此对于一种核燃料以及一种核燃料区的形状，例如球形、柱形或其它，都有一相应的最小体积（或质量）使中子逃逸几率足够小以致能维持核燃料区内的链式反应，
这个体积（或质量）就称为 临界体积 （或 临界质量 ）。
核燃料的质量达到临界质量是维持链式反应的必要条件 。临界质量的大小除了与核燃料区的形状直接相关外，还与核燃料的性质（浓缩度、材料密度）密切相关。
影视资料片,核裂变目录
（ 3） 原子弹原子弹利用的是不加控制的链式裂变反应,从而在瞬时间可以 形成雪崩式的裂变反应,使大量核燃料在极短时间内,燃烧,
释放出大量能量,造成极端严重的杀伤和破坏 。
美国科学家在开始制造原子弹时采用了两种方法使一个核燃料的次临界系统转换成超临界系统，从而使中子大量增殖而形成雪崩式的连式反应。
目录其一是,枪法,，这是把两块次临界的裂变材料放在“枪筒式”的机械装置内，用化学爆炸将两块核材料迅速合并成一块，使之成为超临界系统。 1945年，美国投在广岛的外号
“瘦子”的第一颗原子弹就是用这种方法制成的 。 下图表示“枪式”原子弹的示意图。
目录其二是,内爆法,，这是将一块处于次临界状态的核燃料（一般为球形），通过化学聚心爆炸将核材料压缩成高密度状态，使之转变成超临界系统。 1945年，美国投在长琦的外号
“胖子”的第二颗原子弹就属这一类 。
下图为“内爆式”原子弹的原理图。
一般认为内爆法可以获得更高的超临界度，具有更大的优越性。
目录我国 科学家在研制原子弹时一开始就采用了技术复杂但较先进的内爆法。
1964年 10月 爆炸了我国的第一颗 原子弹 （当量为 2万吨 TNT）。
1966年 12月 成功地进行了减当量的 氢弹原理试验 ；
1967年 6月 抢在法国之前爆炸了我国的第一颗氢弹 （当量为 300万吨 TNT）。成为继美、苏、
英以后第四个拥有氢弹的核大国，从而打破了美苏两霸的核垄断，为实际制止核战争的爆发作出了重大贡献。
目录中国第一颗氢弹爆炸中国第一颗原子弹爆炸目录原子弹（氢弹）的破坏力表现在三方面,
1、光辐射,当核弹爆炸后，最先看到的是极强的光。这种强光可以引发近处的一切物体的燃烧，即使对距离很远处的人或动物也可以导致眼睛失明。
2、中子和 γ辐射,这种强粒子辐射可以立即使人和动物死亡，也可能使人患放射病。
3、冲击波,它可推倒建筑物、杀伤人员。
影视资料片,我国第一颗原子弹两弹一星目录
（ 4 ） 核电站
链式反应的控制原子弹是一种不加控制的裂变反应器，
它在极短时间内释放出大量核能，极具破坏性，很难被作为能源来利用。因此裂变能的和平利用，首先要解决链式反应的控制，一是要控制其超临界度，不能让它发生雪崩式的反应；二是要使它在超临界和次临界状态间随意转换。
目录链式反应的控制方法
通过快速的机械手段由吸收或不吸收缓发中子来调节系统 达到超临界的条件 。
让 快中子 在某些特定的介质中通过碰撞损失其能量而 变成热中子 （ 慢中子 ）,这个过程称为 慢化,而那些特定介质就称为 慢化剂 。
重水 是 最好 的慢化剂,石墨 也是一种 良好 的慢化剂,1944年,费米就是用它作成世界上第一个反应堆的 。
控制热中子,采用镉 （ 48Cd） 作为热中子反应堆的控制棒 。
目录? 核裂变发电站概貌核电站组成,核反应堆,热交换器和发电装置 。
核反应堆通常采用热中子堆,常用的有压水堆,
重水堆,石墨堆等 。
反应堆的堆心是原子能发电站的心脏,其中有燃料棒,慢化剂,冷却剂 和 控制棒 （ 镉棒 ） 。
当 镉棒插入 时,堆心处于 次临界状态,
镉棒 拔出 时堆心就处于 超临界状态,于是控制镉棒就可以 控制反应堆的运行 。 冷却剂用来冷却燃料棒,并通过热交换器将热量送到无放射性的发电部分,供发电使用 。
目录研究性重水反应堆 中国 1980年建成的高通量工程试验堆堆芯目录秦山核电站 的原理示意图目录秦山核电站鸟瞰目录? 核电站的发展现状
1954年,前苏联建成了世界上第一座热中子核电站,而后被世界各国广泛推广 。
目前现状,世界上已经投入运行的热中子核电站已有 428座,在建的有 61座,遍布各大洲
34个国家和地区,总装机容量已达 4亿多千瓦,
约占世界发电总量的 1/5。 美国占首位,约占世界的 1/3,其次为法国,日本,德国和俄罗斯 。 法国 已有 57座核电站在运行,发电量占其全国 总发电量的 77%,为世界之最 。 我国目前仅有 秦山核电站 和 大亚湾核电站 两座,
装机容量仅占总装机容量的 1%左右 。
目录核电 虽然造价较高,但 运行成本低于火电,环境污染也比火电小得多,作为一种极好的能源,将来会在全世界广泛推广使用 。
早在 1951年 美国就建成了 快中子堆的核电站,但由于技术复杂,不易控制,后来未能推广 。 但是快堆核电站能够再生核燃料,
即用快中子轰击 238U 产生 230Pu,从而大大 降低了运行成本,具有商业价值,所以快中子堆开始从完全军用 （ 生产核弹用钚 ） 进入民用,但真正实用还得假以时日 。
影视资料片,核能目录二、核聚变能的应用
1,原子核的聚变
聚变反应,轻核在一定高温条件下融合成较重的核,
所以又称 热核反应 。
聚变的自持条件,从核聚变释放出来的能量,除去各种损失后,剩余的能量能在足够长的时间内维持能使核聚变反应继续进行的温度和密度 。 1957年,英国物理学家劳森把它归结为：
n? = 1020 s/m,kT = 10 keV （ 劳森判据 ）
其中 n 是轻核的粒子密度,? 是温度和密度的维持时间,kT 是温度的另一种表达方法,10 keV相当于一亿度左右的高温 。
目录在这样高的温度下,原子已经完全电离,形成 物质的第四态 ——等离子体 。
从聚变反应可推算,1克氘发生热核聚变时放出的能量为 10万千瓦时,也就是 10万度电能 。 地球上共有 175亿亿吨海水,其中含氘 35万亿吨,如果都能用来发电,可以想象足够人类用上几百亿年,再也不会有什么,能源危机,了 。
目录2,氢弹自持核聚变首先是在氢弹中实现的 。 在氢弹 中主要采用的核聚变反应是 D – T反应,
因为 D – T反应释放的能量较多而要求的温度条件又较低 。 氢弹中的 主要燃料是氘化锂 。
氢弹中热核反应所需要的高温高密度条件一开始是由一颗原子弹提供的,这个原子弹被称为 氢弹的,扳机,,然后,由热核反应产生的能量的在一定时间内继续维持热核反应所必须的条件 。 于是氢弹就能在短时间内释放大量能量,形成 比原子弹威力大几百倍 的大规模毁灭性武器 。
目录
美国物理学家 泰勒首先提出制造氢弹的思想和建议,但是 氢弹原理被严格保密 起来，究竟如何用一个原子弹来创造自持热核反应条件至今仍是一个秘密。
中国科学家 自力更生突破了这个难关，并且从制成原子弹后仅用了 2年时间,这比美国
（用了 7 年）、前苏联（用了 5年）要快得多，
证明了中国人民聪明能干、坚毅不拔的民族性格。而且我国仅仅进行了几十次核试验就完成了研制、定型、改进和装备的全过程，
这就远少于美国和前苏联。
影视资料片,氢弹目录3,磁约束聚变氢弹中释放的能量是爆炸式的，虽然在其中实现了自持热核反应，但无法用于民用能源，所以，要用热核反应作为能源，首要之事是寻找能实现自持的方式和条件：
上亿度高温 + 不导热容器。
太阳给了我们启发,太阳是一团进行自持热核反应的高温等离子体，它又是缓慢地释放能量的，那么它是靠什么容器把等离子体约束在一起不致飞散的呢？它靠的是太阳极其巨大的质量所产生的巨大的引力。 太阳的引力场就是太阳的高温等离子体的“容器” 。
目录地球上不可能有这样强的引力场，但是可以利用其它的场。
目前约束高温等离子体的方法,
磁约束,利用强磁场约束等离子体，因为等离子体由带负电的电子和带正电的原子核组成，它们在磁场中受磁力作用；
惯性约束,利用介质被压缩时粒子的惯性，
将等离子体约束在一个小区域中。在这样条件下进行的热核反应就称为,受控热核反应,。
目录最受人们青睐的磁约束装置是环流器 (托卡马克 ),下图是它的结构示意图,图中：
1––产生环场的线圈盘
2––变压器线圈
3––等离子体电流
4––变压器铁芯
5––金属外壳
6––螺旋场
7––环场
8––角场环状真空室中冲入氘气或氘 –氚混合气体目录目前美国、日本、欧洲和俄罗斯等国都已经建成大型的托卡马克装置,我国也于
1984年建成一座中型的托卡马克 ——环流 1
号 。有的装置已接近达到劳森条件，正在努力实现“点火”，即自持反应。美、英、俄三国正在合作建设一座功率为 62万千瓦的国际聚变反应堆，希望使其输出能量超过输入能量，以实现聚变发电的可能性。此外，也有人在尝试研制聚变 ——裂变混合堆,以充分利用聚变放出的大量中子并减低自持聚变点火的难度。 估计到二十一世纪中叶，磁约束核聚变发电站会有投入使用的可能 。
目录中国环流 1号目录
4,惯性约束聚变惯性约束聚变是依赖于燃料质量的惯性对等离子体进行约束从而实现自持聚变的一种途径 。 同时这种方法也可以进行氢弹的模拟试验,实际上就是氢弹的微型化,
从而把氢弹实验从大气层或地下转移到实验室,并且可以大大节省试验的开支 。 因此惯性约束聚变深受世界各主要国家的重视 。
目录惯性约束聚变的基本思想,
a,氢弹燃料区小型化,使得燃烧后产生的能量可以用安全的热交换方式取出来。所以通常用 装有热核燃料的靶丸 （一般为球形壳层小丸），在驱动场引发的聚心冲击波作用下被压缩，达到高温、高密度状态；
b,驱动方式改成激光、粒子束等,
靶丸依靠电子传导
（称直接驱动）或
X–射线（称间接驱动）向内输运能量，
驱动内爆。
目录? 直接驱动,激光束 (或带电粒子束 )直接入射靶丸外层，激光能量传递给电子生成内爆冲击波。
但 要求激光光斑必须整形成接近于球形,因此需要建立高功率的多路激光装置。
美国劳伦兹
· 利佛莫尔国家实验室的
NOVA激光器
(20路激光束 )
的装置目录中国上海光机所用于直接驱动的六路激光装置：
“神光”激光器目录目录
间接驱动,驱动能量（来自激光束或离子束）
首先被包围靶丸的由高原子序数材料制成的壳体（黑腔）所吸收，这种吸收了大量能量的材料发射 X–射线去驱动靶丸内爆。对于最佳设计的靶,70–80%的驱动能量可以转换成
X–射线。由于 降低了对激光束均匀性的要求并降低了对由于 驱动能量分布不均匀 而引起的流体力学不稳定性的敏感度,目前世界各国已经将惯性约束聚变计划更加倾向于间接驱动方案 。
目录三,围绕冷核聚变的争论
1989年 3月 21日下午 1时，在美国犹他大学化学系主任斯坦利 ·庞斯教授和英国南安普敦大学的马丁 ·弗莱希曼教授宣布，他们 在室温下的钯电极中实现了持续的核聚变 (后被称为冷聚变 )。他们的实验是用 99.5％的重水和 0.5％的普通水，加入少量的氘氧化锂，制成电解液；
用铂 (Pt)作正极，用钯 (Pd)作负极，在室温下进行电解。在实验过程中，测到了热效应 ( 输出能量大于输入能量 ) 和核产物 (? 射线和中子 )。
目录庞斯 —弗莱希曼实验装置示意图目录3月 30日,美国 伯明翰 ·杨大学的斯蒂文 ·琼斯教授
3月 31日,匈牙利 的拉乔斯 ·科苏特大学实验物理系的两位物理学家久洛 ·奇考伊和泰勃 ·斯陶里奇考伊
4月 1日,日本 农工大学的小山升教授
4月 10日上午,美国 得克萨斯 A＆ M大学的 10人小组 。
4月 11日,美国 乔治亚理工学院
4月 12日,前苏联 莫斯科大学物理系固体物理实验室
4月 17日,捷克 考美纽斯大学数学物理系
4月 18日,美国 斯坦福大学的罗伯特 ·哈吉斯教授,
4月 18日,意大利 国家替代能源委员会的以弗莱西斯科 ·斯卡拉莫为首的研究小组,
4月 19日,原 民主德国 德累斯顿工业大学的研究小组
4月 22日,北京师范大学和中国工程物理研究院 核物理与化学研究所 …… 。
目录然而,也有许多研究小组没有能够重复出庞斯和弗莱希曼的实验结果,特别是一些 世界著名的研究机构发布了一些不利于庞斯和弗莱希曼的实验结果 。
4月 25日,美国乔治亚理工学院正式发表声明,撤回他们以前的关于测到中子的结果 。 他们解释：这是由于中子测试仪对温度的敏感性导致了错误的结论 。
5月,在美国物理学会年会上,出席会议的大多数科学家都认为庞斯和弗莱希曼的实验结论不可靠 。
6月 15日,英国政府的主要核聚变研究中心哈韦尔实验室宣布了他们的实验结果 。 这一实验室的 10位科学家花了约 3个月的时间,耗资 50万美金重复了庞斯和弗莱希曼的实验,结果既没有观察到热,也没有发现中子 。
而且,他们的实验是在与弗莱希曼的合作下进行的 。
目录怀疑冷聚变原因：
根据核物理理论,发生显著聚变反应的温度需 108
K,对庞斯和弗莱希曼等人的实验以及解释是令一些科学家难以接受的 。
关于冷聚变的争论围绕着几个问题：
1,关于冷聚变的热效应问题有的科学家认为庞斯和弗莱希曼所观察到的热效应并不是来自核反应
2,关于? 射线的测量问题认为庞斯和弗莱希曼的实验中的所谓? 射线很可能是一个假信号 。
3,关于中子的测量问题
4,关于冷聚变的理论解释问题目录关于冷聚变的最大争议：
冷聚变是否是“伪科学”或“病态科学”。
国内 有人认为冷聚变是病态科学的典型,国外 有的科学刊物提出要给庞斯和弗莱希曼颁发,可耻诺贝尔奖,。
所谓 病态科学 的主要 特征,
实验效应很弱,没有显著的因果关系；常是低统计的事例；惊人的高精密度；背离原有理论；发现者沉醉于所得结论,否认任何批评；等等 。
有人总结出冷聚变具有上述特征,实验重复性差；
超额热与核产物不匹配；中子数据在检测极限,与现有的核理论相违背；许多论文发表前未经评审等等 。
目录当然,另一方依然认为冷聚变是可信的,
它打破了传统观念,就如同科技史上许多在开始时不被人们承认的发现和发明一样 。 1993年
10月,在日本的名古屋召开了第三届国际冷聚变会议,与会者一致认为,冷聚变不是是否存在而是如何存在的问题 。
关于冷聚变的争论，涉及的问题比较多。
由于核聚变研究是探索新能源，它的成功与否对人类社会的影响非常之大。所以，冷聚变就更为世人所瞩目。无论是肯定它，还是否定它都应该比较慎重。现在还一下子分辨不清，就让科学发展本身去评判。
目录
§ 6.4.4 核磁共振核磁共振是在恒磁场中,磁矩不为零的原子核受射频场的激励,发生磁能级间共振跃迁的现象 。 1946年 E.M.珀塞耳和 F.布洛赫等人分别在实验上实现了固体石蜡和液体水分子中氢核的共振吸收 。 此后核磁共振技术迅速发展,目前,核磁共振已成为波谱学中的一个重要分支 。
影视资料片,核磁共振目录
§ 6.5 粒子物理学与粒子标准模型
§ 6.5.1 粒子物理学简介粒子物理学又称高能物理学或基本粒子物理学,物理学的一个分支学科 。 它研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构性质和在很高的能量下,这些物质相互转化的现象,以及产生这些现象的原因和规律 。 它是一门基础学科,是当代物理学发展的前沿之一 。 粒子物理学是以实验为基础,而又基于实验和理论密切结合发展的,它大致经历了三个阶段 。
目录一,第一阶段 ( 1897年～ 1937年 )
1897年,J.J.汤姆孙 在实验上发现了电子,
1911年,卢瑟福 证实了带正电的原子核的存在,
1932年,查德威克 发现了中子 。
1905年,爱因斯坦 提出电磁场的基本结构单元是光子,
1922年,康普顿 等人的实验证实光子是一种,基本粒子,。
查德威克康普顿目录
1931年,泡利又从理论上假设存在一种没有静止质量的粒子 ──
中微子
1932年,安德森利用放在强磁场中的云室记录宇宙线粒子时发现的 。
安德森目录二、第二阶段 (1937年～ 1964年 )
1,?子的发现
1934年,汤川秀树为解释核子间强作用,提出?子 。
1936年,安德森和尼德迈耶实验上确认?子 。
2,?介子和奇异粒子的发现
1948年由张文裕直接的证明用? 子存在 。
汤川秀树张文裕目录世界上第一台回旋加速器目录美国费密国家加速器实验室目录美国斯坦福直线加速器中心目录日本KEK
加速器实验室目录德国 DESY加速器实验室目录德国达姆施塔特重离子加速器目录欧洲核子中心（ CERN）
目录欧洲核子中心UA
1
强子量能器目录中国第一台回旋加速器目录中国第一台电子辐射加速器目录中科院 10MeV质子直线加速器目录中科院加速器的加速腔目录中科院
7
5
0keV
预注入器目录中科院 90MeV 加速器全貌目录
3,新粒子大发现和强作用 SU(3)对称性的建立
1959年,中国的王淦昌发现反超子
1961年,由盖耳曼及奈曼提出的,用强相互作用的
SU(3)对称性来对强子进行分类的,八重法,。
盖耳曼王淦昌目录
4,量子场论和重正化理论的发展施温格、朝永振一郎、费因曼和戴森等人的努力，解决了量子电动力学中出现的发散困难
5、探索强作用的基本理论
1955年,发现了?-? 之谜 。
1956年,李政道和杨振宁提出在弱作用中宇称是不守恒的,也不存在? -?之谜 。
1957年,吴健雄小组在极化原子核 60Co的 β衰变的实验中,证实了宇称不守恒 。
费因曼目录李政道和杨振宁 吴健雄目录三,第三阶段 (1964～ )
1,夸克假说的提出
1961年,在实验上发现了不少共振态 。 1964年,已发现的基本粒子 （ 包括共振态 ） 的种类增加到上百种,
因而使得盖耳曼和兹韦克提出,产生 SU(3)对称性的基础就是构成所有强子的构造单元,它们一共有 u,d,s
三种,并命名为夸克 (quark)。
60年代以来,在宇宙线中,加速器上以及在岩石中,都进行了对夸克的实验找寻,但迄今还没有被确证为成功的报道 。 由于大量的实验没有找到自由夸克,
目前理论上流行的看法是需要作无穷大的功才能把两个夸克完全分开 。 从而夸克不能以自由的状态出现,
这种性质,叫做夸克囚禁 。 不过这仅仅是在实验上及理论上尚未得到完全证实的假说 。
目录2,强子内部结构的实验证据在 60年代和 70年代,虽然在加速器上没有找到夸克 。
但却得到了间接的,更有力地说明夸克存在的证据 。
1967年泰勒,弗里德曼,肯德尔和 12 位同事开始用斯坦福直线福加速器 （ SLAC） 加速高能电子轰击质子以探测来质子的内部结构,发现质子内部有着几乎是自由的点状的结构 。 类似的实验后来也在中子上进行,
得到了相同的结论 。
泰勒 弗里德曼 肯德尔目录
SLAC的巨型电子探测器目录
3,第四种和第五种夸克
1974年，丁肇中、里希特等分别在质子加速器和正负电子对撞机的实验中发现了一种新粒子
J；它的质量很大，而寿命却比大部分共振态小一万倍，这必须解释为它是由一个新的夸克 c 和它的反粒子所构成。这种新的夸克 c，具有一种新的量子数 ──粲数 C，它的电荷是 2e / 3。
第四种夸克及粲数的存在,不久便因新粒子
’,?’’,D,F,ηc 等的发现而得到进一步的证实 。 1977年,莱德曼等发现了第五种夸克,
丁肇中目录4、轻子的新发现自从 1962年利用大型火花室,在实验上证实了两类中微子分成?e和 之后,长时间内已知的轻子就只有四种,( e,?e )和 (?, ),但是到了 1975年佩尔等在 e+e- 对撞实验中发现了一个新的轻子?,它的质量很大,达质子的两倍,所以又叫 重轻子 。 与它相应,
普遍相信应有另一种中微子 存在 。
的发现使轻子增加到三代,( e,?e ),(?, ),(?,
) 。 不少物理学家对中微子 的存在并不怀疑,这种对称性强烈地 意味着一种新的夸克 ──第 6种夸克 t
── 的存在,它应当带有 2e / 3的电荷和一种新的量子数 ──顶数 T。
1984年在欧洲核子中心 (CERN)发现了可能存在有第六个夸克的迹象,这种夸克称为顶夸克 。 据 1994年报道,实验中找到了顶夸克 。
目录表 6-5-1 夸克与轻子的性质夸克 d u s c b t
质量 (GeV) 0.34 0.33 0.54 1.5 4.5 175
电荷 -1/3 2/3 -1/3 2/3 -1/3 2/3
轻子 e
质量 (GeV) 0.51 <10-5 106 <0.5 1784 ＜ 160
电荷 -1 0 -1 0 -1 0
e?
目录
5,电弱统一理论的建立
1961年,格拉肖提出电磁相互作用和弱相互作用的统一理论 。 这个理论的基础,是杨振宁和密耳斯在 1954年提出的非阿贝耳规范场论 。
格拉肖提出,电磁相互作用规范场粒子是光子；
弱相互作用规范场粒子有三种,W+,W- 和 Zo 。
在这个理论中,两种相互作用是统一的,两种耦合常数有着确定的关系 。 但是在这个理论里,
W?和 Zo粒子是否具有静止质量,理论上如何重正化等问题,没有得到解答 。
目录
1967～ 1968年,温伯格,萨拉姆阐明了作为规范场粒子的 W?,Zo是可以有静止质量的,还算出这些静止质量同弱作用耦合常数以及电磁作用耦合常数的关系 。 这个理论中很重要的一点是预言弱中性流的存在 。
1973年,美国费密实验室和欧洲核子中心在实验上相继发现了弱中性流,1983年,鲁比亚实验组发现 W?和
Zo规范粒子,质量 ( mW ≈ 80 GeV,mZ ≈ 90 GeV)及特性同理论上期待的完全相符,
萨拉姆温伯格目录
6,强相互作用研究的进展
1973年,由于非阿贝耳定域规范场理论的进展,霍夫特,格罗斯等人发展了强相互作用的 量子色动力学理论 。 认为夸克之间的强相互作用则是由于交换胶子 （ 没有静止质量,带有电荷 ） 而产生的 。
目录
§ 6.5.2 粒子标准模型
1,物质世界是由 62 种粒子构成
13 种规范玻色子,其中 8种胶子 g,还有光子?,
W+,W-,Z和引力子各 1种；
48 种费密子,其中 6种轻子 （ e-,?e,?-,、
-, ）,18种夸克 [6种夸克 （ d,u,s,c,b、
t）,每种夸克有 3色 ] 及其它们的反粒子；
1 种 Higgs 粒子 （ 自旋为零的粒子,不带电 ） 。
这 62 种粒子中，实验上现在还没得到存在的直接证据是 Higgs 粒子和引力子 2 种粒子。其中引力子作用太弱，不能直接观测。唯一的应该能找到但还没有找到的粒子是 Higgs 粒子。
目录2,粒子之间的四种基本相互作用
(1)色相互作用,媒介粒子为 胶子 g；
(2) 电弱相互作用,媒介粒子为?,W+,W-,Z 。
能量低于 250 GeV 时分解为性质和行为很不相同的两种相互作用：① 电磁相互作用，其媒介粒子为? ；② 弱相互作用，其媒介粒子为 W+,W-,Z 。
(3) 引力相互作用,媒介粒子为 引力子 。
(4) Higgs 粒子汤川相互作用,媒介粒子为 Higgs
粒子 。图 6-4-28温伯格 图 6-4-29萨拉姆目录§ 6.5.3杨振宁,李政道和吴健雄对宇称美的研究杨振宁和李政道都是中国血统的美籍物理学家 。
他们因发现了微观粒子在弱相互作用条件下宇称不守恒定律而获得 1957年的诺贝尔物理学奖 。 从他们的科学研究工作中,我们可以看出正确运用科学美学原则,
对于科学发现具有重要的启发作用 。
目录空间坐标平移不变性 ——动量守恒定律 。
时间坐标平移不变性 ——能量守恒定律 。
空间取向不变性 ——角动量守恒定律 。
电荷数不变性 ——电荷数守恒定律 。
现在物理学家已发现的守恒律大约有 12个左右 。 在 50年代初期,物理学家认为这些守恒定律是普遍适用的 。
目录宇称可以用镜子的对称性简要加以说明 。
平面镜中的像与现实世界的物,如果是一模一样的,那么我们就很难分清哪个是现实世界的物,哪个是平面镜中的像 。 这个性质通常被物理学家称为 空间反演 或 镜向反演不变性,也可叫做 左右对称性 。 如果说,物理规律对于现实世界的物或像是无关的,那么我们就无法利用规律本身来判断物理过程是在物方进行,还是在像方进行 。 也就是说,我们无法利用规律本身来判断过程进行的是物还是像 。 这些规律,对于物和像是一致的,物理系统这种特性美叫做宇称守恒性,相应的规律服从宇称守恒定律 。
目录对应于空间反演这个运算的物理量叫做 宇称 。
空间反演：
从 1953年到 1956年间,人们发现?粒子,?
粒子,但存在 τ–θ难题 。
x x
y y
y
x
zz
z
o o o
镜向对称等价镜向对称等价目录杨振宁和李政道在 1956年夏天,提出了宇称守恒定律可能在弱相互作用条件下遭到破缺的革命性见解,并认为这种见解完全可以用设计精湛的实验来加以验证 。 他们认为,可以用在弱相互作用条件下粒子旋向性的实验来检验宇称守恒定律 。 如果粒子的旋向性是镜向对称的,那么它就是宇称守恒的；如果它是镜向不对称的,那么它就是宇称不守恒的 。 他们还具体建议测量被极化原子核的?衰变射出来的电子运动方向的角分布 。 他们所谓被极化的原子核,
指的是自旋被整齐排列起来的那些原子核 。
目录美籍中国女物理学家,哥伦比亚大学教授吴健雄用实验来验证杨振宁,李政道的理论猜测 。
吴健雄目录在弱相互作用条件下,宇称守恒定律的美遭到了破坏,是不是科学美学就没有用了呢？
不是的 。
PCT定理,所有规律在空间反演 P,电荷共轭
C和时间反演 T的复合变换下,都具有不变性的美 。
通过杨振宁,李政道和吴健雄对宇称守恒美的研究,可看出,任何科学美学范畴,包括象守恒这种不变性的美都是相对的,有条件的,自然界不存在绝对不变的美 。
目录骑士图目录
§ 6.5.4 丁肇中和 J 粒子的科学美学价值丁肇中是美籍中国物理学家 。 他因 1974年在美国布鲁克海文国立实验室发现了一种新的基本粒子 —— J
粒子,获得了 1976年诺贝尔物理学奖金 。
目录
1964年,反欧米伽粒子被发现以后,夸克模型取得了极大的成功 。 盖尔曼提出的
SU(3)对称性理论,经格林伯补充了颜色自由度的理论后,已经变得 完美无缺 了 。 物理学家利用了 SU(3)理论预言反欧米伽粒子的存在,实验发现这个新粒子的性质与理论预言完全一致 。 这种理论形式是完整对称的,
因而显得很美 。 人们比喻 SU(3)理论象已被各种元素填满空格的美妙的周期表 。 物理学界沉湎于这种美满的幸福之中 。
目录
J 粒子的突然发现,完全推翻了 SU(3)理论的完美无缺性 。 物理学家猜想,夸克不止三种,
可能有被称为粲夸克的第四种夸克存在 。 这就为建立新的,更完善的理论提供了实验事实 。 J
粒子的发现,间接证实 20世纪 60年代末,有些物理学家为了解释弱相互作用现象时曾经提出过的粲粒子假说,同时还隐约地表明,在弱相互作用,强相互作用和电磁相互作用之间,存在着某种内在的,必然的联系 。 这激发起基本粒子物理学家探索新的美的规律的极大热情 。
目录发现 J 粒子的审美过程中所得到的几点启发：
第一,要敢于怀疑现有理论的完美性 。
第二,实验设计需要科学美学的直觉力 。
很多物理学家认为,提高粒子能量是发现新的粒子唯一的一条途径 。
可是丁肇中认为,提高粒子能量并不是唯一的一条途径 。 丁肇中觉得,通过提高仪器分辨率的途径,也可以发现原来被忽略掉的美 。
第三,实验过程中也需要科学美学的直觉力 。
第四,实验科学也有美感的问题 。
目录
§ 6.5.5 层子模型中的科学美学思想我国物理学家朱洪元,何柞庥,戴元本等在辩证唯物主义指导下,于 20世纪 60年代中期提出了基本粒子的层子模型 。
提出这个 层子模型的科学美学思想,
自然界既然存在着具有质的差异的无限层次,
而各种层次的区分又是自然界和谐的一种表现形式,那么基本粒子内部的和谐与秩序,也应当通过相应层次的结构表现出来 。
目录自从丁肇中 1974年发现 J 粒子以后,1976年又有其他物理学家发现了 D粒子,实验已完全肯定了第四种夸克 ——粲夸克的存在 。 1977年重轻子? 的发现,又肯定了第五种夸克的存在 。 根据科学美学原理,物理学家推测必然存在第六种夸克 。 这样夸克 ——轻子家族就明显地分为三个不同的亚层次：
第一层次,u,d,?e,e,
第二层次,c,s,,?,
第三层次,t,b,,?。
夸克 -轻子家族的这三个不同层次存在着明显的规律性,
或者说它们明显地按照美的规律相互区分 。
目录?层子模型在科学美学上的贡献：
在一定程度上触及了一些物质结构美方面的根本问题，例如基本粒子是不是就是基本的？它们会不会由自然界中更基本的物质组分构成？基本粒子某些带规律性的特征是不是反映了自然界更本质的规律？
层子模型在科学美学上的启发作用,
引导人们进一步探索自然界的大统一理论 。 物理学家认为,大统一理论不但可以揭示弱,电,强相互作用的共同本质,而且还可以说明夸克与轻子之间的一些关系,可以预言质子不稳定性等重要特性 。 在大统一理论中,SU(3)群理论应当发展为 SU(5)群理论,今后也许会有更加完美的 SU(6)群理论来研究基本粒子的分类问题 。 我们可以猜测,Su(6)群理论是一种对完全等价,完全对称的六个夸克子最自然的数学描述 。
目录
§ 6.5.6 现代物质观物质观是自然观的主要部分；因为客观世界以物质性为第一性，世界万物全为物质体，这是人类对自然界认识的最基本内容，
唯物主义者都具有这样的看法。然而，对世界物质性的认识，随着自然科学、特别是物理学的发展，在不断地加深，并且在蕴含上日益充实、丰富，甚至因新物理理论的建树而发生明显的转变。
目录牛顿力学建立后的 近代物质观 （有四层含义）
第 1，以实物物质和物质之间的相互作用场 ——
电磁辐射场和引力场为两类物质形态。相互作用场是连续场，其运动变化呈现波动性；物质的最小组元是原子，但已预料物质无限可分。
第 2，表示实物物质和作用场的运动性状的种种物理量都连续地变化，其运动满足严格的因果律，符合纯粹的决定论原则。
第 3，物质在时空中运动，但物质运动与时空彼此无影响。
第 4，物质客体不依赖于认识主体而独立存在，
物质客体等同于物理实在，实在概念并不受制于认识主体的观察测量对客体性状的干扰。
目录量子论和相对论的诞生和发展赋予 现代物质观,
1.大质量的宏观,宇观物质体系激发的引力场导致时空弯曲,物质与时空结合为统一体,物质运动与时空结构相互关联 。
2.高速运动的物质体系,其基本动力学性质和时空量度均受到运动的显著影响,从而体现唯物辩证法关于物质与其运动的统一性 。
3.物质微观层面显示实物粒子与辐射场的统一性,
这两类物质形态的任何体系都呈现波粒二重性的共同征状；集波动性和粒子性,连续性和分立性于一体的量子场是物质存在最基本的形式 。
目录
4,微观层面与宏观、宇观层面的物质运动相比较，是前者以非连续性取代了后者的连续性；作用量子使微观物质体系运动显露种种量子化效应。
5,物质结构层次渐趋深入，但似乎出现难于继续分割的“基底”粒子，各“基底”粒子与强作用、弱作用、电磁作用、引力作用等相互作用场，随着能量尺度的提高，表现出最终趋于同一物质形态的可能性。
目录
6,微观物质体系的运动不满足严格的因果律,
不符合纯粹的决定论原则,其固有的统计性规律亦起因于作用量子的存在 。
7,物质客体当然不依赖于认识主体而独立存在,但认识主体的观察测量会对物质客体性状产生不可忽略,不可控制的干扰,从而使主体所认识到的物理实在不同于,也不可能同于物质客体的自在状态,亦即实在概念必然受制于,既为观众,又为演员,
的认识主体所进行的观察测量 。
目录
§ 6.6 纳米技术
§ 6.6.1 纳米科技的基本概念和内涵早在 1959年,美国著名的物理学家,诺贝尔奖获得者费曼就设想：,如果有朝一日人们能把百科全书存储在一个针尖大小的空间内并能移动原子,那么这将给科学带来什么？,这正是对纳米科技的预言,也就是人们常说的小尺寸大世界 。
纳米科学技术基本涵义是在纳米尺寸 (10-9 ～ 10-7m)范围内认识和改造自然,
通过直接操作和安排原子,分子创制新的物质 。
纳米科技是研究由尺寸在 0.1 ～ 100 nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术 。
目录
纳米科技主要包括,
(1)纳米体系物理学； (2)纳米化学；
(3)纳米材料学； (4)纳米生物学；
(5)纳米电子学 (6)纳米加工学； (7)纳米力学,
纳米新科技重要进展,
(1) 利用扫描隧道电子显微镜直接操作原子
(2) 纳米材料的奇异特性
(3) 纳米生物学 ——基因工程
(4) 纳米微机械和机器人目录
§ 6.6.2 纳米技术研究的对象和发展的历史一,纳米技术研究的对象
纳米颗粒限制到 1～ 100 nm范围 。
纳米材料的基本单元可以分为三类：
(i)0维,指在空间三维尺度均在纳米尺度,
如 量子点,纳米尺度颗粒,原子团簇 等；
(ii)1维,指在空间有两维处于纳米尺度,
如 量子线,纳米丝,纳米棒,纳米管 等；
(iii)2维,指在三维空间中有一维在纳米尺度,
如 量子阱,超薄膜,多层膜；超晶格 等 。
目录纳米材料可分为人工制备与天然天然：
天体的陨石碎片,人体和兽类的 牙齿
蜜蜂,蜜蜂的体内存在磁性的纳米粒子,具有,罗盘,
的导航作用,并利用这种,罗盘,来确定其周围环境在自己头脑里的图像而判明方向 。
了解 螃蟹 的进化历史：螃蟹原先并非,横行,运动,而是前后运动,这是因为亿万年前的螃蟹 第一对触角里有几颗用于 定向的磁性纳米微粒 ——小指南针 。 螃蟹的祖先靠这种,指南针,前进后退 。 后来,由于地球的磁场发生了多次剧烈的倒转,使螃蟹体内的小磁粒失去了原来的定向作用,于是使它失去了前后行动的功能,变成了横行 。
大海龟,海龟的头部有磁性的纳米微粒,起导航作用 。
目录二、纳米技术发展简史
1000多年前 。 中国古代 墨,染料 ；
中国古代 铜镜 表面的 防锈层,证实为纳米氧化锡颗粒构成的一层薄膜；
约 1861年,对直径为 1～ 100 nm的粒子系统即所谓胶体的研究
1962年,久保及其合作者针对金属超微粒子的研究,
提出了著名的 久保理论
1963年,Uyeda及其合作者用气体冷凝法,对单个的金属超微颗粒的形貌和晶体结构进行了透射电子显微镜研究 。
1970年,江崎与朱兆祥首先提出了 半导体超晶格的概念,张立纲和江崎等在实验中 实现了量子阱和超晶格,
观察到了极其丰富的物理效应 。
目录
20世纪 70年代末到 80年代初,对一些纳米颗粒的结构,形态和特性进行了比较系统的研究 。
描述金属颗粒费米面附近电子能级状态的久保理论日臻完善,在用量子尺寸效应解释超微颗粒的某些特性时获得成功 。
1984年,德国萨尔大学的 G1eiter教授等人首次制备了纳米粒子,加压成纳米固体,并提出了纳米材料界面结构模型 。 随后发现 CaF2纳米离子晶体和 TiQ2纳米陶瓷在室温下出现良好韧性,
使人们看到了陶瓷增韧的新的战略途径 。
1985年,Kroto等采用激光加热石墨蒸发并在甲苯中形成碳的团簇 ——C60
目录
1990年 7月 在美国巴尔的摩召开了国际第一届纳米科学技术学术会议,正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支公布于世,
这标志着纳米材料学作为一个相对比较独立学科的诞生 。
1994年 在美国波士顿召开的 MRS秋季会议上正式提出纳米材料工程 。 并决定出版,纳米结构材料,,,纳米生物学,和,纳米技术,
的正式学术刊物 。
目录纳米材料发展的 3个阶段
第一阶段 (1990年以前 )：主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体,合成块体 (包括薄膜 ),研究评估表征的方法,探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能 。 研究的对象一般局限在单一材料和单相材料,国际上通常把这类纳米材料称纳米晶或纳米相材料 。
第二阶段 (1994年前 )：热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理,化学和力学性能,设计纳米复合材料,通常采用纳米微粒与纳米微粒复合,纳米微粒与常规块体复合及发展复合纳米薄膜,国际上通常把这类材料称为纳米复合材料 。
第三阶段 (从 1994年到现在 )：纳米组装体系,人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注或者称为纳米尺度的图案材料 。
目录
§ 6.6.3 纳米材料与其他学科的交叉,渗透纳米材料 ——凝聚态物理纳米材料 ——半导体材料纳米材料 ——化学纳米材料 ——复合材料纳米材料 ——医学药物目录
§ 6.6.4 纳米材料在高科技中的地位
以单电子隧道效应为基础的 单电子晶体管 （ 日本 ）
高速数据处理提供 分子电子器件及阵列 （ 德国 ）
开始用 分子电子器件,量子效应器件开发生物计算机
（ 日本 ） 。
21世纪电子工业的关键材料都具有纳米结构比例芯片中的各个元件之间的耦合,纳米尺寸的开关材料,敏感材料,纳米级半导体 /铁电体,纳米级半导体 /铁磁体,纳米金属 /纳米半导体集成的超结构材料,
单电子晶体管材料,用于存储的巨磁阻材料,超小型电子干涉仪所需材料,电子过滤器材料,智能材料,
新型光电子材料等 。
目录
§ 6.6.5 纳米结构和纳米材料的应用一,纳米结构的应用
1,量子磁盘与高密度磁存储
2,高密度记忆存储元件
3,高效能量转化纳米结构
(1) 高效再生锂电池：
(2)太阳能电池：
(3)热电转化量子磁盘扫描电镜像目录4,微型传感器
(1) 气体传感器 (2) 红外线传感器
(3) 湿敏传感器：
5,纳米结构高效电容器阵列
Au超微粒膜红外传感器超微粒气体感应 膜的结构模型目录二,纳米材料的应用
1,陶瓷增韧
2,磁性材料
(1) 巨滋电阻村料,所谓巨磁阻就是指在一定的磁场下电阻急剧减小 。 巨磁电阻效应是 1986年德国的
Grünberg教授首先发现的新现象 。
应用器件,读出磁头,测量位移传感器,角度传感器,
微弱磁场探测器,超微磁场探测器,超导量子相干器件,超微霍尔探测器,
随机存储器 (MRAM),1995年报道自旋阀型 MRAM记忆单位的开关速度为亚纳秒级,256 Mbit的 MRAM
芯片亦已设计成功,成为可与半导体随机存储器
(DRAM,SBAM)相竞争的新型内存储器 。
目录
(2) 新型的磁性液体
① 旋转轴的动态密封
② 新型的润滑剂
③ 增进扬声器功率
④ 作阻尼器件
(3) 新型的磁记录材料磁性纳米微粒由于尺寸小,具有单磁畴结构,矫顽力很高的特性,用它制作磁记录材料可以提高信噪比,改善图像质量,
目录三,在生物和医学上的应用
1,细胞分离
2,细胞内部染色：容易分辨各种组织
3,表面包敷的磁性纳米粒子在药物上的应用
纳米微粒的磁性导航,使其移向病变部位,
达到定向治疗的目的 。
磁性纳米粒子在分离癌细胞和正常细胞方面经动物临床试验己获成功目录包覆聚苯乙烯 Fe3O4纳米微粒分离小鼠骨髓液癌细胞实验示意图目录四,光学应用
1,红外反射材料纳米微粒用于红外反射材料上主要制成薄膜和多层膜来使用 。
红外线反射膜的构造目录主要红外线反射膜的组成,材料,制造方法形 式 组 成 材 料 制造方法金属薄膜 Au,Ag,Cu 金属 真空蒸镀法透明导电膜 SnO2,In2O3
金属氧化物其他化合物真空蒸镀法溅射法喷雾法多层干涉膜 (1)
(电介质 -电介质 )
ZnS - MgF2
TiO2 - SiO2
Ta2O3 - SiO2
有机金属化合物氧化物其他化合物真空蒸镀法
CVD法浸渍法多层干涉膜 (2)
(电介质 -金属 -电介质 )
TiO2–Ag-TiO2
TiO2-MgF2-Ge-
MgF2
氧化物金属真空蒸镀法溅射法目录红外线反射膜的特点金属 -电解质复合膜 导电膜 电解质多层膜光学特性 优 中 良耐热性 差 良 优成本 中 低 高目录
2,优异的光吸收材料
(1)紫外吸收
Al2O3粉掺合到稀土荧光粉吸收 185 nm,提高日光灯管使用寿命 。
防晒油,
防止塑料,树脂和橡胶类的高聚物老化,
油漆脱落
(2)红外吸收,
红外线进行屏蔽
增加保暖作用
3,隐身材料目录五,在其他方面的应用
纳米抛光液
纳米静电屏蔽材料
纳米微粒消毒杀菌
纳米导电浆料
纳米助燃剂,阻燃剂
纳米印刷油墨
提高橡胶耐磨性
改善了玻璃的脆性,
提高 Al合金的强度和韧性资料片,
纳米材料
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 。,
目录在刚刚跨入 20世纪的第一天,英国著名的物理学家开尔文在,元旦献词,中曾经说过：
,在已经建成的大厦中,后辈物理学家只能做一些 零碎的修补工作 。,与众不同的是他又敏锐地发现,在物理学晴朗的天空里,还有两朵小小的令人不安的乌云,这 两朵乌云 指的是当时物理学无法解释的两个实验,一个是热辐射实验,
另一个是迈克尔逊 –莫雷实验 。
X射线,放射性和电子的三个发现,揭开了近代物理的序幕 。 当物理学进入 20世纪,就诞生了量子论和相对论,开创了近代物理学 。
目录
§ 6.1 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,。
目录? 英国科学家 道尔顿 是科学原子论的创始人,
1807年他依据一系列实验,提出,气体,液体和固体都是由该物质的不可分割的原子组成的,,,同种元素的原子,其大小,质量及各种性质都相同,,此后,大量 实验事实证明了原子论的正确性 。
1895年 德国物理学家伦琴发现 X射线,
1896年,法国物理学家贝克勒尔发现 放射性,
1897年 英国物理学家汤姆逊,发现了 电子,
这三大发现揭开了原子存在内部结构，
三大发现揭开了研究微观世界的序幕。
目录
1,X 射线的发现
X 射线的发现也是起源于对阴极射线的研究德国维尔茨堡大学校长、物理学家 伦琴于 1895年 11月 8日,在做放电管实验时，为了避免可见光的影响，他用黑纸将放电管包起来，而且在暗室中进行实验，他意外地发现在离管一米以外的涂有荧光物质的屏上闪耀着微弱的青绿色的荧光。
目录
12月 22日,伦琴的夫人来到实验室，
伦琴让夫人把左手放在用黑纸包着的照相底片上，然后用 X射线照射，为她拍摄了一张带着戒子的左手手指骨骼照片，这是历史上第一张 X光照片 。
伦琴夫人手的 X片目录
1895年 12月 28日 伦琴写出了一篇论文
,论一种新的射线,,文章详细总结了新射线的性质：
新射线来自于被阴极射线击中的固体,固体元素越重,产生出来的新射线越强；
新射线是直线传播的,不被棱镜反射和折射,
也不被磁场偏转；
新射线对所有物体几乎都是透明的；
新射线可使荧光物质发光,使照相底片感光,当把手放在放电管和荧光屏之间时,
由于肌肉对新射线的吸收比骨质弱得多,屏上便可看到手指的骨骼 。
目录
X 射线 这个名称也是伦琴最先采用的,
他在给孔特的信中说：,我终于发现了一种光,我不知道是什么光,无以名之,就把它叫做 X 光吧,,后人为了纪念他,又把它称为,伦琴射线,。
伦琴的发现震惊了整个科学界，许多物理学家转向研究 X 射线，反应之迅速和强烈是物理学史上罕见的，仅 1896年一年内，关于 X射线研究的论文达 1000多篇。
目录
在 X射线发现 3个月后,维也纳医院中首次利用 X射线对人体进行拍片 ;
半年后,英国出版了第一本研究 X射线的专业杂志 ——,Ｘ射线临床摄影资料,;
此后,J,J,汤姆逊和卢瑟福证实 X射线能使气体电离；
1912年 德国物理学家 劳厄 用晶体作光栅，得到 X 射线衍射图，证明 X 射线是一种波长很短（约在 10–10–2?之间）的电磁波，同时证明了晶体具有空间点阵，劳厄因此获得了
1914 年度诺贝尔物理奖。
目录X射线的发现使人们认识的“电磁波谱”
朝着短波方向拓广了一大段；
1906年,英国物理学家 巴克拉 发现每种金属都有自己的,特征 X射线,，用它可以 确定元素在周期表上的排位,巴拉克因此而获得了 1917年的诺贝尔物理学奖；
1915年 诺贝尔物理学奖授予英国物理学家 布拉格 父子，表彰他们在劳厄工作的基础上，
提出了 布拉格公式,可以用它 精确测定晶体的原子结构 ；
目录? 1913年,英国年轻的物理学家 莫斯莱 发现一个重要的规律,各种元素的波长非常有规律地随着它们在周期表中的排列顺序而递减，
利用此规律可以准确地确定各元素的原子序数,并且发现它们恰好与核电荷数相等，他的发现对认识原子内部结构有很大的意义；
瑞典物理学家 西格本 进一步发现了一系列新的 X射线，并精确测定了各种元素的Ｘ射线谱，
建立了 Ｘ射线光谱学,西格本的工作对于揭开原子内电子壳层结构状况有重要的作用，
他因此而荣获了 1924年度的诺贝尔物理学奖。
目录
X射线分析法的应用：
1953—1959年,小布拉格的两位助手佩鲁茨和肯德罗,用改进了的 X射线分析法测定了肌红蛋白及血红蛋白的分子结构,为此获得
1962年的诺贝尔化学奖 。
1962年 诺贝尔生理学奖及医学奖授予英国生物物理学家 克里克,威尔金森,美国生物学家 沃森,表彰他们 发现 DNA的双螺旋结构,
这是 20世纪生物学的最伟大成就,他们依靠的也是 X射线分析法 。
目录? 因使用 X射线分析法 研究蛋白质,核糖核酸,
青霉素,维生素等生物大分子,有机高分子结构而获诺贝尔化学,生理医学奖的科学家多达数 10位 。
X射线也用于 军事 。,星球大战,中核心武器是高能 X射线激光器,将它装在军事卫星上能远距离摧毁对方的洲际导弹 。
20世纪 60年代,美国物理学家 科马克 和英国电气工程师 洪斯菲尔德 提出用计算机控制 X射线断层扫描原理,并发明 X射线断层扫描仪,
使医生能看到人体内脏器官横断面图象,从而准确诊断病症,他们两人共享了 1979年诺贝尔生物学及医学奖 。
目录值得一提的是在伦琴发现 X射线之前,人们已在实验室操作阴极射线管达 30多年之久,也有一些人如克鲁克斯,勒纳德都曾碰到过阴极射线管附近的照片底片感光或物体发出荧光的现象,
但是,他们都没有仔细审查这个奇怪的现象而失去了,机遇,,正如 恩格斯 所描述的：,当真理碰到鼻子尖上的时候还是没有得到真理,,在科学发展史上这类事实是屡见不鲜的 。 但是伦琴 —
—1869年苏黎世大学获博士学位,他治学严谨,
一贯重视基本实验,从不放过任何一个可疑现象,
发现苗子反复试验,终于发现了 X射线 。 伦琴荣获 1901年诺贝尔物理奖,成为诺贝尔物理奖的第一个获奖者,他是当之无愧的 。
目录第一张诺贝尔物理奖 ( 1901年伦琴 )
目录
2,电子的发现
1858年 德国物理学家 普鲁 克利用盖斯勒放电管研究气体放电时发现了对着阴极的管壁上出现了美丽的绿色光辉；
1876年 德国物理学家 哥尔德斯坦 证实这种绿色光辉是由阴极上所产生的某种射线射到玻璃上产生的，他把这种射线命名为“阴极射线”。
法国物理学家大多认为阴极射线是一种电磁波，英国物理学家则认为是一种带电粒子流，
这一争论持续了一、二十年,促使许多物理学家进行很有意义的实验，推动了物理学的发展，这场争论最后由 J.J.汤姆逊 解决了。
目录J,J,汤姆逊,1856年 12月 18日生于英国，
1884年任 卡文迪许实验室 教授，这个实验室在他的领导下，成了全世界引人注目的物理实验中心，
世界各地的科学家常来这里开展研究工作，其中有 八位后来获得诺贝尔奖,如卢瑟福、威尔逊、
巴克拉）,G,P,汤姆逊等，如后表所示，这八位获奖者是他直接培养过的，
卡文迪许实验室获得诺贝尔奖的共有
25人次 。
目录获奖者 获奖时间和奖项 获奖原因
E,卢瑟福 1908化学奖 研究元素蜕变和放射性化学
W,H,布拉格
1915物理学奖 用 X射线法分析晶体结构
W,L,布拉格
C,G,巴尔克拉 1917物理学奖 发现元素的特征 X射线辐射
F,W,阿斯顿 1922化学奖 研究原子的结构和辐射
C,T,R,威尔逊 1927物理学奖 用蒸汽凝聚使带电粒子可见的方法
O,W,里查森 1928物理学奖 发现电子放射决定于温度的里查森定律
G,P,汤姆逊 1937物理学奖 用电子照射实验发现晶体内的干涉现象目录
1897年,J,J,汤姆逊发现，不管怎样改变放电管中的气体的种类，也不管怎样改变电极的材料，阴极射线粒子的荷质比始终保持不变，
这就意味着阴极射线是一种荷质比完全确定的粒子流所组成的，由此断定，这种粒子应是电极材料原子的基本组成部分。
1897年 8月,J,J,汤姆逊把他的发现写成论文,阴极射线,,10月发表在,哲学杂志,
上 。
目录
1909–1917年间 美国科学家罗伯特?密立根 在利用有名的 油滴实验 测定电子电荷量 e 值,
他以严谨的科学态度和追求精确的测量而受到人们的赞誉 。
1909年 密立根油滴实验证明 一切荷电物质都只能带有 e 的整数倍的电量,而一个阴极射线粒子所带的电量 （ –e） 是负电荷的最小单位,e
/ m 是不变的,e 也不变,表示阴极射线粒子的质量 m也是确定的,这种粒子便称为 电子,因此阴极射线就是高速电子流 。
目录电子的发现再一次否定了原子不可分的观念，电子是第一个被发现的微观粒子,电子的发现对原子组成的了解起了极为重要的作用 。
J,J,汤姆逊 由于发现电子而于 1906年荣获诺贝尔物理学奖,J,J,汤姆逊被誉为,一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人,。
电子的发现在科学技术上诱发了电子时代的来临,1904年,A.弗莱明发明了 二极电子管,
1906年,L.德弗莱斯特 (L.de Forest)发明了 三极管 。真空管的发明，使电力通讯、控制合自动化生产很快发展。晶体管集成电路的发明，
使人类进入微电子科技时代。
目录3,放射性的发现在 X射线发现不久,贝克勒尔 对一种称为硫酸双氧铀钾的荧光物质进行了研究,他把这种铀化合物放在用黑纸包起来的照相底片上,然后放在太阳光下曝晒几小时,把底片取出来进行冲洗,他发现了,荧光物质在底片上的黑色轮廓,,他又在荧光物质和纸之间放一块玻璃,继续进行试验,也得到了同样的结果 。 这就是最早发现的放射性现象,铀是贝克勒尔发现的第一个放射性元素 。
目录法国科学泰斗 彭加勒 在阅读伦琴发现 X射线的实验报告后，脑子里浮现出一种想法,既然 X射线发生在荧光现象特别强烈的地方，那么，一切强烈的荧光物质都可能发射 X 射线 。
贝克勒尔 是在这种情况下去做实验的，但是，他 不迷信权威,通过实验他发现彭加勒关于荧光物质产生 X射线的理论是错误的。
自然现象纷纭复杂，假象和真象交织，现象合本质对立，原因合结果互变，要探索它的规律，怎能一点也不犯错误？贝克勒尔的初衷也是证实彭加勒的设想，后来却否定了它。因此,从错误的理论出发，通过实验，揭示错误，
走向真理也是科学研究的一种正常模式 。
目录放射性发现公布后不久,玛丽?居里 很快投入了这一新的研究领域，她发现沥青铀矿中的放射性比已测得的铀的放射性强得多。她大胆假定沥青铀矿中存在一种比铀放射性强得多的未知元素。为了寻找这个未知元素，她的丈夫皮埃尔?居里通过繁重的劳动，从大量的沥青矿渣中去提取那个未知元素，最后 发现了两种新的放射性元素，一种取名为“钋”（ Polorium），
以纪念自己的祖国 ——波兰，另一种取名为“镭” 。
目录居里夫妇 继续奋斗了近四年，在简陋的工棚里，在原始的条件下，历尽千辛万苦，
终于 在 1902年 3月,从数以吨计的沥青铀矿残渣中提炼出 0.12克氯化镭,并测得了镭的原子量为 225（现公认为 226），其放射性比铀强 200万倍。 1903年，居里夫妇和贝克勒尔共享了诺贝尔物理奖 。
1910年完成了她的名著,论放射性,,
由于她的杰出贡献,1911年又荣获了诺贝尔化学奖。居里夫人成了第一个两次获诺贝尔奖殊荣的人物,
目录
射线,?射线和? 射线 发现：
放射性发现后不久，英国剑桥大学卡文迪许实验室的研究生 卢瑟福 也投入了对放射性的研究，在科学家的共同努力下，没几年就 发现了天然放射性核素能够自发地放出各种射线，从而衰变为另一种核素,衰变方式很多，放出的射线也有多种，主要的有
射线 是带两个正电荷的氦核（ ）；
射线 是带负电荷的高速电子流；
射线 是从原子核内放出来的电磁波，它实际上是一束能量极高的光子流，它的波长比 X
射线还要短，穿透本领比 X射线更强。
e42H
目录放射性 应用：
利用放射性钴源（ 60Co）的? 射线辐照，可以进行 食品 （如肉类、水果等） 保鲜,辐照 消毒
（如对医疗器械、流通货币等）以及辐照 育种 等。
尤其在医药上利用它来 杀伤人体内的肿瘤细胞,
这是目前治疗肿瘤的一种常用方法。在发达国家中 放射性药物 使用已相当普及。在发展中国家中，
我国的核医药水平名列前茅 。国内已有 1000多家医院开展了放射性药物的诊治工作。
影视资料片,放射性目录三大发现，使物理学发生了深刻的变化：
电子比最轻的原子 ——氢原子还要轻 1836倍；
电磁波除有无线电波、红外线、可见光、紫外线，还有 波长更短 的 X射线；
一个原子在化学变化中释放出来的能量只有几个电子伏特 eV（ ），而天然放射性现象中一个原子放出的能量竟可达到几百万电子伏特 MeV（ ）；
化学变化不会引起原子性质的根本变化，然而 原子经过放射? 或? 射线后却完全变了 。
J 101,6eV 1 - 1 9
eV10 M e v1 6?
目录
§ 6.2 量子论和量子力学的诞生
§ 6.2.1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。
1895年，维恩首先指出，绝对黑体可以用一个带有小孔的辐射空腔（见图 )
来实现目录左图是黑体的单色发射 本领与?、
T关系的实验曲线。
为了从理论上导出符合实验曲线的函数式,19世纪末，
许多物理学家在经典物理的基础上作了相当大的努力，但是他们都遭到了失败，理论公式和实验结果不相符合、其中最典型的是 维恩公式和瑞利一金斯公式,
目录
1,维恩公式
1896年,维恩通过半理论半经验的方法,得到一个黑体辐射的理论公式为维恩公式 在短波方面与实验结果符合 得很好,但是在长波方面则理论与实验不一致 。
2,瑞利 –金斯公式
1900年,瑞利和金斯根据经典物理中能量按自由度均分原则导出了黑体辐射的理论公式
TCeCTe /5
20 3),(
TCTe 410 ),(
目录这公式 在波长很长的情况下与实验曲线还比较相近,但是在短波紫外光区方面,按公式看来,将趋向无穷大,完全与实验曲线不符,
这就是物理学史上著名的,紫外光灾难,。
下图表示出这两个公式 （ 虚曲线 ） 与实验值 （ 用 表示 ） 的比较 。
目录二,黑体辐射经验定律导致,紫外灾难,
由于 瑞利 –金斯公式 完全是根据经典物理学的连续性原理推导出来的 （ 经典物理学认为热的辐射和吸收都是完全连续的过程 ）,因此,
,紫外光灾难,说明经典物理学理论应用于热辐射问题上的失败并不是什么局部的失败,而预示着整个经典物理学连续性的灾难,因此,
开尔文把,黑体辐射实验看作经典物理学晴朗天空中第二朵乌云,是很恰当的 。
目录
§ 6.2.2 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 。
目录1900年 10月 19日,普朗克在德国物理学会上以,维恩辐射定律的改进,为题的论文中提出了新的辐射公式,称为普朗克公式,公式如下：
式中 c是光速,k是玻耳兹曼常数,其值为
h为普朗克常数,其值为普朗克公式与实验完全符合,而且它在短波区域可以近似化为维恩公式,而在长波区域则近似化为瑞利 –金斯公式 。
1
12),( 52
0
Tk
hc
e
hcTe
J / k 10381 23,k -
SJ 10366 - 3 4,h
目录图中的热辐射曲线就是依照普朗克计及能量子假设而导出的辐射公式画成的，与黑体辐射实验结果相符合。
目录
1900年 12月 24日,普朗克在法国物理学会的圣诞会上宣读了题为,关于正常光谱的能量分布定律,的论文,提出了与经典物理学格格不入的 能量量子化假设,
辐射黑体是由带电的谐振子组成,这些谐振子的能量只能处于能量子?的整数倍,
即?,2?,3?,4?,,n?
n为正整数,称为 量子数,对于频率为的谐振子来说,能量子为? = hv,式中 h是为 普朗克常数 。
目录§ 6.2.3 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 。
目录? 光电效应,当紫外光之类的光照射到锌板之类的金属板的表面上时，从金属里会有电子跑出来。随着研究的深入，物理学家发现：被紫外光照射后锌板多少总能发射出一些电子来，不论紫外光的强度有多弱；同样一块锌板如果用红光去照射，不管红光有多少强，也别想打出一个电子来！
按照 经典物理学的观点,光能够把电子从金属原子中打出来，是因为光将自己的能量交给了电子，光的能量与光的强度的平方成正比，
按此道理，红光比紫光强，它所携带的能量多，
就应该打出更多、更快的电子来，可是，实验现象完全与此相反，这可把物理学家难住了。
目录
光子学说,爱因斯坦假定电磁场能量本身是量子化的，而且对于频率为?的电磁场的能量单位是 h?。这种一份一份的电磁辐射能，被称作“光子,。利用光子的能量关系式，光电效应就很容易解释了。
光子的能量只与它的频率有关，而与光的强度无关,紫外光频率高，能量大,能把电子打出来； 红光频率低，能量小,它的光子的能量达不到打出电子的最低要求，所以红光强度再大也无济于事。
影视资料片,光电效应目录
§ 6.2.4 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，
1913–1916年形成玻尔 –索末菲 原子理论 。
目录
1911年，著名英国物理学家卢瑟福提出了关于原子结构的行星式模型。但是，行星式原子模型存在两大困难：
1,原子坍塌,电子绕核做椭圆运动，这是一种加速运动，按经典电动力学理论电子在运动过程中必然辐射能量，电子能量逐渐减少，轨道半径随之变小，只要
10-8秒，电子就会落到核上，发生坍塌；
2、是在坍塌前原子连续辐射，应得 连续的原子光谱 。
实际上，原子没有发生坍塌； 实验上，原子光谱是分立的线光谱 。
卢瑟福原子结构的行星式模型目录按照经典电动力学，
原子是不稳定的，电磁辐射谱线是连续，这些都违背客观事实。
原子光谱是分立的线光谱目录玻尔原子理论中有 三条假定：
(1)定态假定,存在一系列原子定态，处在定态中的电子虽做相应的轨道运动，但不发射电磁波；
(2)角动量量子化,做定态运动电子的角动量量子化了，
其值只能为 h／ 2π的整数倍；
(3)频率假定,仅当原子中的电子从一定态跃迁到另一定态时，才能发射或吸收一个相应的光子。
玻尔原子理论解决了原子的稳定性问题，以及光谱规律与原子结构的本质联系问题目录玻尔量子理论的缺陷在玻尔量子理论取得辉煌成就的同时，遇到了越来越多的困难。
困难 1：玻尔量子论不能解释氦 (He)原子光谱，
不能解释反常塞曼效应，不能解释光谱线的亮度；
困难 2：玻尔量子理论 带着鲜明的经典理论烙印,
具有难以解脱的内在软弱性。玻尔将经典概念
──电子轨道引入原子中，却认为电子绕核运动不辐射能量，玻尔理论 找不到不辐射能量的恰当理由 ；它说明了光子的起源，却无法说明光子的产生过程。
目录
§ 6.2.5 波粒二象性
1924年德布罗意提出 物质波假设：
逻辑思维,自然界在许多方面是显著地对称的
→ 我们可以观察到的宇宙全是有光和实物组成的 → 如果光具有波粒二重性,则实物或许也有这种二重性 。
λ
h
p,νhε ==
phhmc,2
物质波：
光：
目录德布罗意提及按照物质波假设,玻尔原子理论关于角动量的量子化条件与驻波条件相等效 ；
用驻波譬喻物质波之行状的方式带有早期量子论的色彩，与玻尔原子理论一样是半经典的；然而，用它来表明物质波概念综合描述了物质的连续性和分立性，还是相当形象化的。
目录光的波粒二重性：
光的波动性,光波有干涉,衍射等效应,
光的粒子性,康普顿散射,光电效应等 。
爱因斯坦正因他的光量子论能够很好地解释光电效应而获得诺贝尔奖 。
目录电子的波动性,
1927年 美国的戴维和革末进行 电子 的晶体 衍射 实验；
1928年 英国的 G,P,汤姆逊进行了一系列电子的晶体衍射实验。
1961 年,蒋森做了电子双缝衍射实验。
1976 年,梅尔里等人又做了电子双棱镜衍射实验。
影视资料片,电子波动性,电子衍射目录
§ 6.2.6 量子力学简介一、矩阵力学与波动力学薛定谔 接受物质波假设，并寻找“决定物质波的方程”；这就是著名的 薛定谔方程,波动力学 于 1926
年初建立； 海森伯 建立以 海森伯方程 为核心的 矩阵力学 （ 1925年 1月）。
薛定谔 海森伯目录量子力学要点罗列如下：
前提 物质波假设量子条件 共轭力学量的不对易关系 （ 玻恩,1925年 ）
（ 例 ）
力学量的测量特征 海森伯不确定性原理 （ 1927年 ）
（ 例 ）
形式体系 矩阵力学,波动力学等力学量的数学表示 算符及其矩阵状态表示 波函数运动方程 一般采用薛定谔方程
iqppq
2 pq
),( tr?
),(22 tUHti r
目录波函数的统计解释：
波函数不能直接观测，那末其实际含义又如何？玻恩说,是电子（或其他粒子）出现的几率密度”。
玻恩对波函数所作出的几率解释，他因此便获得了诺贝尔奖 。此解释赋予微观粒子运动规律以至量子理论以统计性特色,使非决定论成为量子物理的新思想方法 。
2||?
目录原子内电子不是如玻尔原子理论所假定的那样 ——在一些分立的轨道上作圆周运动，而是处于不同量子态的电子在原子内各处都有一定的几率分布，如图左边一些曲线所示。
目录此几率分布形成一种对称而美观的,电子
（几率）云,图象（见图）。
影视资料片,电子云目录电子双缝干涉实验图 (a)中用 经典粒子做双缝实验,以足球为例,足球由源点踢出,
穿过双缝而落到屏 S上,
一个足球只可能通过一条缝,结果所有通过双缝的足球只能到达屏上
X和 Y处 。
图 (b),便是 光波干涉 实验,屏上出现条纹是可想而知的 。
目录若以 电子 代替足球和光,电子如果不具有波动性,那末穿过双缝的电子只能落在 X和 Y处；
但当缝的宽度足够小时,即一旦可与电子的德布罗意波长相比拟时,屏上出现的亦是疏密相间的 干涉条纹,与前图 (b)
所示的结果相仿佛 。
目录如果电子从源一个一个地射出,只要在相当长时间里有足够多的电子落到屏上,照样会呈现干涉条纹 。 因此可以说,微观粒子的运动,可用相应之几率波描述； 几率波既体现了它的粒子性,又体现了它的波动性 。
即粒子在空间各处有一定的几率密度分布,
此分布形成波的形式；在一定实验条件下,
就呈现波动性质 。
我们认为,几率波并不只是人为的解释,
它就是一种以波粒二重性为主要特征的微观物理实在,与经典意义上的物理实在有本质的区别 。
影视资料片,扫描隧道显微镜目录二、不确定性关系如果以 A,B代表两个可用矩阵表示的力学量算符,二者若不对易,则有海森伯不确定性 （ 测不准 ） 关系：
该关系反映微观测量的限度；即表明 一对不对易的共轭力学量在测量时不能同时确定,
其不确定程度由普朗克常数给定 。 相反,在经典力学中,表示任何力学量都是彼此对易的,
都能同时确定 。
iBAABBA,
2 BA
目录例如 动量 p 和坐标 q 是一对不对易共轭力学量，对于宏观粒子，其位置和动量可同时确定，即可同时测准；而对于微观粒子，位置和动量的不确定程度彼此相互制约。
时间 t 和能量 E
也是一对共轭量，
测量时情况 亦然。
目录三、狄拉克创立相对论量子力学
正常塞曼效应,远在 1896年，荷兰物理学家塞曼发现了原子光谱线在磁场作用下发生展宽现象，同时他在实验中观察到了 光谱线分裂成二重线和三重线,后来人们称之为 正常塞曼效应 。正常塞曼效应用洛伦兹的经典电子论可以 作出解释 。
反常塞曼效应,塞曼在 1896年的后来实验中还观察到 光谱线的四重线和六重线 。光谱线在磁场中的多重分裂现象称为 反常塞曼效应 。
反常塞曼效应长期 得不到正确解释 。
目录泡利不相容原理
1925年 1月，物理学家 泡利 提出了不相容原理：即 一切由自旋等于半整数的粒子 ——费米子组成的系统中，不能有两个或两个以上的粒子处于完全相同的状态 。
这一原理解释了原子的电子壳层结构和元素周期律，推动了电子自旋概念的确立。
目录当年 10月，美国物理学家 乌伦贝克 和 古德斯密特 在德国,自然杂志,上发表文章，明确地引入了 电子自族 的概念。
1928年 1月和 2月,狄拉克提出了描写电子运动并且满足相对论不变性的波动方程,将相对论、量子和自旋这些在从前看来似乎无关的概念和谐地综合起来，完成了相对论量子力学的创立工作。 狄拉克目录相对论量子力学与正电子预言如何使量子力学与相对论相结合？ 思路很简单,只要使其波动方程满足体现相对性原理的洛伦兹变换不变性,并以相对论动力学的结论作为思考的出发点 。
相对论动力学中的能量与动量关系式：
42222 cmpcE 2/14222 )cmpc(E +±=
相应地出现正、负能态的波函数解。 人们往往会将负能根以至负能态解舍去 ；狄拉克却非同寻常，
他果敢地将正、负能态解同样接纳、等量齐观。
目录对于负能态解如何理解呢？狄拉克以“近乎疯狂的想象力”设想,电子有正能级、还有负能级，分别对应于方程的彼此对称的正、负能态解；
而且在无限多负能级上已占满了电子，形成为一片深不见底的“电子海” 。
目录正电子预言,
一旦电子海受到电磁辐射的激发，负能级电子获取能量便跃迁到正能级上，相应地负能级上出现空穴 。狄拉克把这空穴解释成具有正能量的,正电子”,并认定它乃是电子的电荷共轭粒子，除电荷与电子电荷反号外，其质量、自旋等俱与电子相同。这就是狄拉克由其相对论量子力学所作出的正电子预言。
目录正电子预言被证实,
正电子作为电子的反粒子,于 1932
年由 安德森 从宇宙线射入的云室中探测到 （ 图为探测到的正负电子对的照片 ） 。
目录正电子被证实确认了反粒子概念,
“电子海”图象拓展为囊括各种粒子的
“粒子海”图象,任何粒子都有反粒子,那末，所谓的“真空”可真是有极为丰富的物质蕴藏；这“粒子海”可作为前述量子真空概念的一种形象化描绘，藉以可深化对真空本质的探讨。
正电子预言的证实揭开了客观世界物质性的另外一半涵义，反物质探索便成为一个活跃的研究领域崇尚数学形式的对称性，确实是 狄拉克的美学风格 ；他断定,美的东西总是真的 。
目录? 从真空中 正负电子对产生 实际为光子变成电子的转化过程：
正能级上的电子掉入负能级上的空穴，便有电磁辐射放出，此即 电子对湮灭,转化成光子的过程：
从正电子预言起始，正、反粒子对的产生和湮灭，成为粒子物理的中心概念之一。可以认为，这正是相对论与量子理论相结合的重要产物；二者尽管有不同的概念基础，但就形式体系的内部结构而言还是逻辑相洽的。
ee
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目录狄拉克方法 （量子论与相对论的结合）：
连续性场的量子化,狄拉克使电磁场量子化，
连同量子化的电子场一起构成 量子电动力学体系 。
相对论的一些结论作为发展量子理论的基本原则,因为相对性原理等极大地提高了量子理论形式体系的对称性。
狄拉克在使量子论与相对论的有效结合方面建立了不朽的功勋。
目录
§ 6.2.7 光的微粒说与波动说的争论一、光的波动说
法国哲学家、物理学家 笛卡儿 提出光是某种类似压力的东西，它从发光物体通过稀薄的媒质传向四面八方。
他的这种思想，为关于光的波动说的创立奠定了基础。
意大利的 格里马第 对一细束日光照射下的小物体进行观察，发现光并不严格走直线，因为小物体的阴影比假定光走直线预计的影子要宽一些，而且阴影的边缘外侧出现平行的色带。他还从光连续通过两个小圆孔后在屏上的影子，也发现类似现象，屏上的亮盘也比假定光走直线画出的直径要大。在这些观察的基础上，
他提出了光是一种能够作波浪状运动的精细流体。
目录
英国物理学家 胡克 在 1665年出版的,显微术,
一书中，主张光是一种振动。他写道：“在一种媒质中，这一运动在各个方面都以相等的速度传播。所以发光体的每一个脉动或振动都必将形成一个球面，这个球面将不断增大，就如同把一石块投入水中后在水面引起越来越大的环状波一样。由此可见，在均匀媒质中扰动起来的这些球面的一切部分都与射线成直角。”
荷兰物理学家 惠更斯 是光的波动说的莫基人。
提出了著名的“惠更斯原理”：
目录二、光的微粒说：牛顿是微粒说的代表。
三、光的波动说的复兴
19世纪，由于 英国物理学家托马斯 ·杨和法国物理学家菲涅尔 等人的工作，光的波动说又得以复兴。解释了托马斯 ·杨两孔干涉、牛顿环、
细丝衍射、圆孔衍射、圆板衍射等现象。赫兹于 1886～ 1888年，以实验证实了电磁波的存在，
光是电磁波的一种形式，证明电磁波确实同光一样，能够产生反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象。光的波动说进入全盛时期，光的微粒说走向了衰败。
目录四、光量子说爱因斯坦用“光量子”成功地解释了光电效应，
恢复了光的粒子性。
但是,光量子假说，并不是简单地回到牛顿的微粒说，也不是对波动说的全盘否定。
1909年，爱因斯坦说：“不可否认的是，有关黑体辐射的实验说明，光所具有的一些基本性质从牛顿的微粒说去理解要比从波动说去理解容会的多。因此我认为，在理论物理发展的下一阶段，将会出现一种关于光的理论，根据这种理论，光可以被看作是波动说和微粒说的融合，我们关于光的本性和光的结构的看法将有一个深刻的改变将是不可避免的了。”
对于光的认识，不能把粒子性和波动性看成是此孤立的、互不相容的，应该全面地、辩证地认识光的本性。这也是关于光的本性争论历史所给予我们的启示。
目录
§ 6.2.8 玻尔与爱因斯坦的争论一、量子力学的“正统”解释哥本哈根学派：
玻尔 是举世瞩目的丹麦“玻尔理论物理研究所”
的筹建者、领导人和一系列国际一流研究工作的组织者、鼓动人，他除其科学成就卓著昭彰外，更在指引、凝聚一代量子物理学家群体共同发展量子理论、探讨其物理诠释和哲学含义方面，表现出惊人的魅力和天才，从而以他为首形成科学史上具有十分突出的科学贡献、非常深奥的思想意蕴的有名学派 ——哥本哈根学派 ；这可算得是现代物理的一项特别成果。
目录量子力学的“正统”解释的要点
(1)可观察量是建立理论的基础和依据人们无法直接观察到原子、电子、光子的行为，
而只能在人工安排的特殊条件下对微观客体的行为和特性作出实验观测，从而得出各种观测结果之间关系的规律。但是在人们用特意安排的实验仪器观察微观客体时，就不可避免地要产生干扰，因而可观察量表现出的正是实验环境中的客体的行为和性质。这 使量子现象具有主体与客体的不可分性，人们观察到的并不是微观客体本身的行为，而是从宏观仪器上呈现出来的实验观测结果推断出来的结论 。这在逻辑上就无法排除人们的主观成分，因此在量子理论中，既包含着客观要素，也包含着主观要素。
目录
(2)量子跃迁是量子力学的最基本概念它赋予微观客体过程一个实质性的不连续性，这种不连续性构成了人们对微观客体认识的极限。在量子力学中，人们无法同时准确地知道一个微观粒子的位置和动量，遵循“不确定关系”。可以证明对于物理学中的其他“共轭”变量，例如能量与时间，也同样遵循“不确定关系”。同时 精确地测定一对共轭正则变量是不可能的,因为原则上所能达到的精确度受到了作用量子的限制。
目录
(3)描述微观客体的波函数是一种几率波，粒子出现的几率由波幅的平方所决定。
由此，在微观领域里，力学的因果律和决定论都遭到了破坏。根据量子力学理论，在同样的实验条件下，可以发生各种不能预期的个体量子过程，
因而观测的结果也可能是各种各样的。每次测量都会由于观测仪器与微观客体之间不可控制的相互作用而引进新的初始条件，使通常意义下的因果链被打断。所以在量子力学中，人们 必须放弃力学意义上的因果律和决定论，而把几率性看成是本质的 。
目录
(4)从实验中所观测到的微观现象，只能用通常的经典语言作出描述。
微观客体的“波粒二象性”，即它的波动性和粒子性，正是用经典语言描述微观客体的结果。这两种图像既互相排斥，又必须同时用于对微观客体的统一性质的描述，所以它们又是互补的。这种 互补的概念适用于整个物理学,
甚至超越了物理学界而成为有普遍意义的一个哲学原理。
目录二、爱因斯坦的观点哥本哈根学派的观点，引起了爱因斯坦、薛定谔、德布罗意等一些著名的物理学家的质疑，其中以爱因斯坦的观点最具代表性。
爱因斯坦的观点：
1、坚持完全的因果性，对统计因果律持有异议；
2、对观察到的是“物理实在”，而非“客观实在”
的观点持有异议，
他曾说过一句充分表达内心信念的名言：,你相信掷骰子的上帝，我却相信客观存在的世界中的完备定律和秩序。,
目录三、论战的爆发
1926年 9月,薛定谔应玻尔的邀请，到哥本哈根介绍他的波动力学。在结束时,薛定谔提出应该放弃量子跃迁的概念,而代之以三维空间的波来描述微观客体的行为 。玻尔与薛定谔争论着。他们的争论可以看作是爱因斯坦与玻尔 争论的序幕 。
1927年 9月,在意大利科摩召开了一次纪念意大利科学家伏打逝世一百周年的会议上，玻尔第一次公开了他提出的 互补原理 。这使到会的科学家们感到震惊。薛定谔和劳厄并不赞成玻尔的观点，尤其是不同意把物理学建立在不确定关系或其他不确定的统计解释上。
目录
1927年 10月在布鲁塞尔召开了第五次索尔维会议目录玻恩和海森伯作了关于矩阵力学的报告，他们在报告的最后提出：,我们主张量子力学是一种完备的理论，它的基本物理假说和数学假说是不能进一步被修改的。,这番话无疑是向不同意见提出了挑战。会议主席洛伦兹也提出疑义。洛伦兹请玻尔阐述他的互补原理，玻尔发言重复了他在科摩会议上的观点，但是，爱因斯坦一直没有发言，直到玻恩直接问到爱因斯坦的意见，他才起来发言。 爱因斯坦 表示赞同量子力学的系综几率解释，而 不赞成把量子力学看成是单个过程的完备理论的观点 。在当时大多数人都赞成量子力学几率解释的情况下，爱因斯坦的发言掀起了波浪．从而引发了他和玻尔之间就量子力学诠释问题的公开争论。
目录争论举例
1,“单缝衍射”的理想实验,玻尔指出不能避免在测量时仪器对电子不可控制的相互作用，即电子与狭缝边缘的相互作用。
2、“双狭缝干涉实验” 。可测出电子的准确径迹，显示出电子的粒子性。从而克服了单缝实验时测不准的困难。对此,玻尔经过仔细地思考反驳说,如果我们关闭狭缝 M或 N中的任何一个，实验状态就完全改变了。这样，玻尔就把爱因斯坦用来反驳互补原理的理想实验，反而变成了用互补原理来说明波粒二象性的例子。
目录四、争论的高潮在 1930年 10月召开的第六届索尔维会议上，爱因斯坦又提出了一个,光子箱”理想实验,在?t里，让一个光子飞出；?t可通过计时装置精确测定；飞出光子而引起的整个箱子的质量改变?m也可精确地测定，并由 E = mc2计算出箱内的能量变化?E。这样,?t和?E
就可同时测定，不确定关系不再成立。
爱因斯坦“光子箱”
玻尔的回答采用了爱因斯坦自己创立的广义相对论,使得爱因斯坦不能不承认玻尔的结论是无可指责的。爱因斯坦精心设计的“光子箱”理想实验非但没有难倒玻尔，反而成了不确定原理的一个绝好例证。爱因斯坦企图推翻不确定关系的尝试再一次失败。
目录
EPR佯谬,第六届索尔维会议之后，爱因斯坦承认了海森伯的不确定原理和量子力学理论在逻辑上的自洽性，但是他仍然坚持认为量子力学是不完备的。 1935
年 5月，爱因斯坦和美国物理学家波多尔斯基、罗森合作发表的,能认为量子力学对物理实在的描述是完备的吗?,一文 对量子力学理论的完备性提出了有力的反驳,这就是著名的以三位作者的姓的第一个字母简称的,EPR佯谬”。
EPR认为判断一种物理学理论成功与否的两个判据
1,“完备”理论的必要条件,物理实在的每一要素在理论中都必须具有对应的部分；
2,“实在”要素的充分条件,不干扰这个体系而能够对它作出确定的预测。
目录
EPR认为 在量子力学中，由于不确定关系的结果，
对于这一对共轭的物理量在下述两个判断中只能选择一个：或者认为量子态? 对于实在的描述是不完备的；
或者对应于这两个不能对易的算符的物理量不能同时具有物理的实在性。
EPR设想了一个理想实验，设想了一个对物理体系不进行任何干扰的测量方法。
总之，爱因斯坦等人通过他们所提出的理想实验的讨论而得到结论,量子力学的波函数只能描述多粒子组成的体系 (系综 )的性质，而不能准确地描述单个体系 (如粒子 )的某些性质 ；但是一个完备性的理论应当能描述物理实在 (包括单个体系 )的每个要素的性质，所以不能认为量子力学理论描述是完备的 。
目录玻尔对 EPR的批评立即作出回答,他认为不可能以毫不含糊的方式来确定 EPR所指的那些物理量，因为物理量本来就同测量条件和方法紧密联系着，确定物理量的这些条件使 EPR
所作的关于“实在”的定义在本质上含糊不清了 。
玻尔 认为任何量子力学测量结果的报道给我们的不是关于客体的状态，而是关于这个客体浸没在其中的整个实验场合 。这个整体性特点就保证了量子力学描述的完备性。
目录五、没有结尾的尾声由于二战，爱因斯坦与玻尔之间的论战平息了一个时期。直到 40年代，他们才有机会再次重申各自的观点。 1948年，爱因斯坦对 EPR佯谬又做了一次深入的讨论。 1949年，玻尔在纪念爱因斯坦 70寿辰的文集 ——,爱因斯坦：哲学家 —科学家,一书中发表了,就原子物理学的认识论问题和爱因斯坦进行的商榷,的长篇论文，全面系统地阐述了自己的观点，总结了他和爱因斯坦的论战。爱因斯坦在于同一年写的,对批评的回答,一文中，针对玻尔的文章作了回答，批评了哥本哈根学派的实证主义倾向。
目录爱因斯坦与玻尔之间持续了多年的争论，使得量子力学的意义不断地得到澄清，一次次争论也就是一步步地揭示了量子力学的本质含义。可以说，这场争论也是量子力学理论发展的一个组成部分。在深层次上，这场争论是两位物理学大师的哲学思想的交锋。这里的一个中心论题就是科学规律本质上应是因果性的，抑或可以是概率性的?
还特别应提到的是，争论并没使这两位伟大的科学家之间产生什么不愉快。他们相互尊重，保持了友谊，
为后人树立了榜样。像爱因斯坦和玻尔之间的这场论战，
是不能以简单的胜负判决作结论的。正如当代物理学家惠勒所说：,我确实不知道哪里还会再出现两个更伟大的人物，在更高的合作水平上，针对一个更深刻的论题，
进行一场为时更长的对话。我向往有一天，诗人、剧作家、雕塑家将会表现这一题材。,
目录玻尔互补原理玻尔，哥本哈根学派（简称哥派）的首领，
在对于量子理论的物理诠释方面取得圆满的成就，
其非凡的 互补原理 影响深远，成为哥派以至当今大部分物理学家信奉的思想原则，甚至扩展成所谓的互补哲学，受到各界人士的青睐。玻尔以中国的 阴阳太极图 (见图 )
作为哥派的族徽，以标示这貌似简单、实为诡秘的互补原理。
目录互补原理：
微观物质体系的波动性和粒子性并非同时出现，即,不论注意对现象描述的连续性一面或不连续一面，我们总会丢掉一方面,；就是说,二者是互斥的，得此而失彼 。
例如：不确定性原理,表明任何一对共轭量
（可观测力学量）测量时的准确程度，亦有得此失彼、互相排斥的情况。
玻尔认为要改变此局面，可加以互补性说明,两个互斥的方面又是互相补充的，必须同时兼顾，二者共同构成对同一客体的完备描述 。
这就是 互补原理 。
目录玻尔对互补性的解释：
经典理论 以 可观测物理量 的时空微分方程（例如牛顿运动方程）为核心，表示宏观体系服从严格的因果律，所以它们是 时空模型理论 。
量子力学 的薛定谔方程乃波函数的 时空微分方程,但代表 量子态 的波函数并非可观测量（可在时空中直接呈现），该方程不是客体本身在时空中运动的因果律。
所以玻尔把互补性解释为,客体运动服从严格的因果律与凭依时空描绘客体的一切现象这两项经典要求不可能同时满足 。
目录就波粒二重性而论，它并不真的表明微观客体本来有此二重性质，其实是既非经典的粒子，又非经典的波；这两种形态只是 微观客体运动在不同的实验安排下呈现于宏观仪器上的不同图象，人们不得不以经典概念 ——粒子性和波动性，才对其作出互为补充的全面描述 。
玻尔说：,观测能用经典物理的概念描绘,
这几乎是实验的本质,；然而,这就是量子理论的整个佯谬,。因为一方面，必须建立起不同于经典物理定律的量子物理定律；另一方面，
每当观测，便不得不毫无保留地使用原来的经典概念。 正是这个佯谬，促使玻尔提出互补原理 。
目录互补原理 常常有为下面 不同表述,
两种物理图象 (粒子图象和波动图象 )互斥互补；
两类可观测力学量（比如彼此共轭的位置和动量、时间和能量等）的经典概念也互斥互补，
且两类力学量的测量准确度之间有得此失彼的不确定性关系。
,两大类不同的实验场合（或称观测方式）也互斥互补”。
玻尔强调,表观上互斥之两个方面的物理图象、经典概念、实验场合“综合起来，才揭示一切关于原子客体的明确知识” 。
目录可见，互补原理给出了上述佯谬的一种自圆其说的妥贴解释。玻尔认为,在某种意义上说，量子力学的形式体系正就是对此佯谬、即对借用经典物理概念描述在一定的实验安排下所得之观测结果的统计征状的理解；而互补原理阐明了这种理解 。
因此，互补原理是量子力学的重要内容；
尽管它只是一种解释，不能用数学公式表示。
并且，玻尔还认为,互补原理是对经典物理关于物质运动最基本的规则 ——因果原理的“一个合理的推广”,涉及因果定律，又补充以原子（和亚原子）现象观测上的不确定性。我们以为，这种推广是认定观测概念的自然结果。
目录互补性解释还是一种可以推广的观念，
玻尔把它用于许多场合，超出物理学领域、
超出自然科学领域； 凡两难的局面，把两种不同的甚至对立的概念用来描述同一对象的两个侧面，并使二者相互补充，共同构成关于所考察对象的完整说明 。
所以，玻尔的互补原理便扩展成为一种观念上与传统哲学思想甚有差别的 互补哲学 。
目录爱因斯坦不很赞赏互补原理，他崇尚统一、而非补充,爱氏把互补哲学看成为一种绥靖哲学，就此对哥派提出质疑。
玻尔当然不认为自己给出的是一种绥靖哲学式的解释，他说明实验上的“一切困难，都可以通过互补原理来消除掉”；同时认真地考虑爱氏批评的意义，由此深入地论证了互补原理确实是一条普遍有效的哲学原理。
经过双方反复的论争，爱因斯坦承认互补原理提供了
“一条漂亮的捷径” 。
哥派的观念,主要包括 不确定性原理、几率解释、
互补原理等，最终成为量子力学的正统解释 。
目录
§ 6.2.9 薛定谔猫佯谬薛定谔于 1935年设计了,杀猫实验,。把一头猫和一只盛有极毒的氢氰酸的小瓶置于密闭的钢箱里；另有一盖革计数器内放了少许放射性物质，其量甚少，以致在一个小时里可能只有一个原子衰变，也可能不发生衰变。
体系的总体波函数代表猫既活又死的混合状态。这以常识而论是荒谬的，猫似当非死即活 。
目录薛定谔 以其“杀猫”的理想实验提出 质疑：
量子力学并不能预言猫的死和活。
哥本哈根学派 以为,
把箱盖打开观看，即可知猫是死是活。
薛定谔 以为：
猫在开箱之前死活已定，确实与观测者打开箱盖观看这个步骤无关。因为猫是宏观物体，
所处之死活状态是确定的 ——非死即活、非活即死，故不必以活态和死态之混合作为它的总体状态 。
目录然而,薛定谔似乎混淆了宏观与微观的界限,他以宏观物体的情况抨击描述微观体系的量子力学的非决定论特征；诚然，他只是以猫作为譬喻罢了。
可是,爱因斯坦肯定此譬喻巧妙地反驳了哥派的观点，证明了诸如包含活猫部分和死猫部分那样的波函数“不是物理实在的完备描述”,甚或“并不表示实在的状态，而只是表示我们关于状态知识的容量”；他还指责玻尔关于“凡意欲探究某种与观测无关而独立存在着的东西，即想问猫在对它观察之前的某一特定时刻到底是否活着，都不科学”之说法，认为玻尔是在散布“温和的迷雾”。
目录其实，“杀猫实验”未必驳倒了哥派的观点，但“猫佯谬”的生动性引起人们对观察、
测量问题的广泛兴趣。
90年代有人以某种原子（或离子）作为
“量子猫”，按薛定谔的设计方案进行“杀猫”
实验,已可望这微观尺度的“量子猫”的确处于不同定态的混合态，并通过某实验操作使其按一定的几率跃迁到其中某一定态。此类实验中，观测成为“死态”、“活态”同时兼蓄的
“量子猫”得以“死绝”或“全活”的关键；
而,量子猫”的统计特征毕露无遗。
目录
爱因斯坦 确认能量子为,一种直接的实在,,
并将其当成独立于知觉主体之外的微观客体的基本属性,至于从实验仪器观测原子 （ 和亚原子 ） 现象,只是取得对于客体的间接经验；经验与实在是两码事 。
玻尔 把对 物理实在 的定义作了根本性修改,他的实在即为 经验实在,乃以量子概念为修改之基本依据；他强调作用量子的存在,是着眼于引起仪器和客体之间不可消除的有限相互作用,
故而将实验观测呈现的原子 （ 和亚原子 ） 现象就认作知觉主体的直接经验,亦即具备固有统计性质的微观物理实在,此 实在起始于观测,
并不独立于主体之外 。
目录所以说,爱因斯坦等人与哥派的对立,
可归结于对物理实在的不同哲学见解 ；
爱因斯坦等人 追求物理理论的决定论性时空模型,认为量子力学对于微观客体而言 是非完备的理论,
哥派 则认为量子力学已提供微观物理实在以 完备的描述 。
爱氏就不满足于哥派对量子概念涵义的阐解；以为自己思考了五十年,依然未弄明白光量子究为何物,量子跃迁的机制究竟如何；更会觉得若以量子概念作为理论的主要概念基础,
便有违于他的场论研究纲领 。
目录
§ 6.2.10 普朗克的物理思想德国物理学家普朗克对宇宙本质问题有浓厚的兴趣，他在,科学自传,中谈到了他从青年时期起就爱好科学的原因。他说：,引导我从事科学研究和从青年时期起就爱好它的原因，是一个不十分自明的事实，
这就是我们的思维规律和我们从外界接受到的自然过程的规律是符合一致的，因而使人们有可能通过纯粹思维对这种规律做出解释。对此具有重要意义的是，
外部世界是我们所面对的、独立于我们而存在的绝对所在，而探索这种绝对存在所适用的规律，我认为就是最崇高的科学研究任务。,这些话表明了一个科学家朴素的唯物主义思想，他坚信外部世界是独立于我们而存在的客观存在，他坚信真理的客观性，他认为探索这种绝对存在所适用的规律是科学研究的崇高任务。
目录普朗克早期的物理思想受到克劳修斯的深刻影响 。当他在慕尼黑大学学习物理和数学时，
就以极大的热情自学了克劳修斯的名著,热力学,。他在 1879年完成的博士论文中。对热力学第二定律做了详细的论述，但这篇论文并没有引起人们的兴趣。
但是，这种淡漠的态度并没有阻止他对熵的研究。他在,科学自传,中说：“由于深刻体会到这个问题的重大意义，这种态度并没有阻止我继续对熵进行研究，因为我把熵看作和能量 —样，也是物理过程最重要的特性。”
目录
1880年 6月，普朗克写了,不同温度条件下物体的平衡熵,一文，获得慕尼黑大学授予的特别奖状。所以，我们可以看到在普朗克的热力学思想中,熵增加原理和非平衡态向平衡态发展的不可逆性，始终占有最根本的地位 。他把熵增加原理看成和能量原理一样是物理学中 —条不可缺少的独立定律。这个在他青年时期形成的中心思想，一直主导着他的科学工作。
当然也就决定性地影响了他处理黑体辐射问题的方式。
目录从 1894年起，普朗克把注意力转向黑体辐射问题。他为什么对这一领域发生兴趣了呢? 除了上述原因外，还有他 对普适性规律的追求 。
通过热辐射谱的测量，他的注意力被引向了基尔霍夫定律，他被基尔霍夫函数的普适性迷住了。他在,科学自传,中谈到他的探索动机时说：“这个所谓的正常的能量分布表明了某种绝对东西的存在；而且，既然 在我看来对绝对事物的寻求永远是最美好的研究任务,因此我就热心地开始探索这个问题。”
目录
§ 6.2.11 玻尔与互补性的美学意义玻尔 是丹麦物理学家。玻尔对卢瑟福的原子核模型进行了量子化轨道的处理。玻尔提出了“定态”和“跃迁”两个公设。 玻尔理论的美，在于出色地从两个公设出发,演绎出电子运动轨道半径、能量与能级，把有关原子的两套信息 ——化学性质的周期性与原子光谱的不连续性有机地结合在一起。这成功地摆脱了卢瑟福核式模型的困难，绝妙地 解释了原子结构的稳定性。
目录互补性原理的美自从 1900年普朗克提出了作用量子的概念以后，在物理学中出现了一种特别混乱、使人感到特别不美的局面。
物质形式：波动（场），能量的弥散；
粒子的，能量的密聚。
在发现了电子和光都具有波粒二象性以后，
这两种物质形式之间不可逾越的鸿沟就不复存在了。它们在更高层次的概念上统一起来了。
目录玻尔认为 在微观世界中，应当彻底改变对于宇宙和谐与秩序的审美习惯，必须 承认 一切最基本的概念，包括 时空概念和因果概念都有它们的适用界限 。
当应用某些为我们曾经 习惯的经典概念来描述微观现象时，必然会排除另一些经典概念同样完美地描述微观世界的情况 。而这些受到排斥的另一些经典概念，在描述另一种条件下的微观现象时却是不可缺少的。
目录玻尔认为，合乎因果性要求的时空描述，只适用于宏观现象的一种近似的、极限的情况。因为观察过程对微观现象的测量结果要产生影响，所以 在微观世界中 应当代之以“互补”描述的审美习惯。
玻尔对“互补”的理解
“互补一词的意义是,一些经典概念的任何确定应用，将排除另一些经典概念的同时应用，而这另一些经典概念在另一种条件下却是阐明现象所同样不可缺少的 。”这就是说，玻尔认为在微观粒子中，波粒二象性的要求本身就是互斥互补的。只有把这些互斥互补的概念集合在一起，才能完美地体现微观运动物质的各种性质与状态。
目录
1937年,玻尔偕同夫人及次子 周游世界。到日本后，他应当时清华大学理学院院长吴有训的 邀请来到中国,先后游历了北京、南京、杭州等地。在中国逗留期间,玻尔对我国古代的阴阳八卦学说及老子思想十分欣赏，认为这是对他的互补性原理的最形象的说明 。他曾经引用老子,道德经,中的词句作为自己论文的题头词；他还根据阴阳太极由来设计他家族的族微，以阴阳互补性来表示他的互补性原理。有些人据此认为，玻尔的科学美学思想就是东方的神秘主义。
我们说，阴阳互补，对立统一，这虽然是中国古代朴素的辩证法思想和科学美学理想，但是玻尔通过对微观世界的认识，在现代条件下同样得到了这种科学美学的认识。这确实是很值得我们深思的。
目录互补性原理的美学 魅力在于，不但对于微观世界是适用的，而且对与统计因果性联系在一起的宏观世界的认识也具有启发性。 宇宙的美，不但体现在严格的决定论式的因果性中，而且体现在统计的因果性中 。
这是对宇宙美的一种划时代的科学美学见解。
然而,玻尔的互补性原理只是一种朦胧的美,因为它只告诉我们以宇宙美的一种组成方式，并没有具体指出它们确切的涵义。互补性原理不是一个理论体系，也没有现成的条文。玻尔本人也没有僵硬地规定互补性的定义。凡此种种，就 在科学美学思想史上形成了一个“互补性之谜,。至今尚有人试图区分互补性的若干形式，或用符号逻辑的手术刀来解剖互补性，
还有些人希望利用优美的语言来定义互补性。
目录互补性原理的美不但适用于物理学，而且适用于其他一些领域 。生物世界的美与无生物世界的美有一个显著的不同，即表征生物行为的是某种结构秩序的存在与和谐。它或者表现为蛋白质分子确定的空间结构，或者表现为大脑神经细胞间相互联接的方式，这是一种更加形式化的拓扑学的结构，它体现出某种秩序或和谐。生命虽然是在不断变动的，可是我们从统计因果性来看，它总有一种秩序或和谐存在，这种秩序是惊人稳定的，这就是细胞、组织、器官的机能结构。在生物学水平上，我们明显地可以看出,物理学和化学关于生物体的描述和生物学关于生物体的描述显然是既相互排斥，又相互补充的，因此完全体现出一种互补性的美 。
目录玻尔自己在评论互补性原理时说,这是涉及对于谐调性的寻求，可是：“这种谐调性不能概括在说明范围更窄的物理经验领域时所采用的那种形象化概念之中。”在这一点上，玻尔完全同意海森堡的下述意见：“海森伯发表了他自己的原子模型。他放弃了一切用粒子或用波来描绘原子的尝试，并且断定，任何把原子结构类比于我们周围世界结构的企图都是注定要失败的。他的办法是纯粹用数字来描述电子的能级或轨道，完全不用图象。”玻尔根据自己对原子模型的大胆探索，早就认为：“关于原子序数的这一诠释，
可以说代表着解决下述问题的一个重要步骤；这一问题长期以来就是自然科学的最大胆的梦想之一,根据纯数的考虑来建立对于自然规律的理解 。”这实际上就是毕达哥拉斯关于数的和谐这一科学美学理想，在新的历史条件下的复活。
目录玻尔却慧眼独具地觉得：数学美在量子力学建立过程中起着重要的作用。这种特殊形式的数学奖，是我们通向微观世界美的王国的必经之路。
抽象代数学,例如溯源于英国数学家凯利的矩阵，被海森堡再次独立发现，成果就是 海森伯方程 。
微分方程,也在原子问题中得到了广泛的应用，
其最著名的成果就是 薛定谔方程 。
目录玻尔曾不无豪迈气概地赞美说：数学符号的广泛应用是量子力学方法的特点，这种应用使我们很难撇开数学细节而对这些方法的优美性及逻辑无矛盾性提供一个真实的印象。”这就是说，在量子力学的理论中，如果引入数学的形式美，那么在理论的优美性和无矛盾性方面，都可以和经典力学相比美。
玻尔认为，量子力学问题只要一经与适当的数学形式相结合，理论就立刻会得到一种非常优美的形式。
数学形式美的特点，恰恰补足了我们形象思维能力在微观世界中的局限 。在洞悉微观世界美的王国的征途中，数学的美始终是照亮崎呕山路的明灯。它为物理学家提供了进一步开拓道路的工具。
目录玻尔对数学美的评价很高，然而他并不只是依靠毕达哥拉斯似的美感直觉。玻尔强调指出：“数学符号和数学运算的定义，是以普通语言的简单逻辑应用为基础的。因此，数学不应被看成以经验的积累为基础的一个特殊的知识分支，而应被看成普通语言的一种精确化，它用表示关系的适当工具补充了普通的语言，对于这些关系来说，通常的字句表达是不准确的或太纠缠的。”因此,玻尔认为量子力学的数学形式体系，只不过给推导关于观测的预期结果提供了一种计算法则。而互补性科学美学要求中的一切矛盾，事先就已被数学形式美的逻辑一致性所排除了 。
目录玻尔对对称性的美表示了特殊的兴趣和重视 。他说：“人们在对称性关系的研究中寻求了前进的途径，而且，从那时起，通过很多种粒子的迅速的相继发现，这种途径已被提到了重要的地位，所发现的那些粒子显示出如此出人意料的性能，以致人们用不同度数的‘奇异性’来表征了它们。”当代物理学中，时空反射对称性和粒子 ——反粒子对称性的美，就是量子力学这朵花所结出的科学美学果实。
目录玻尔认为,科学和艺术之间的关系，通过灵感而统一起来了 。他说：“这种灵感是伟大的艺术创作通过指示出我们地位中那种谐调的整体性的一些特点而提供给我们的。
事实上，当在越来越大的程度上放弃逻辑分析而允许弹奏全部的感情之弦时，诗、画与乐就包含着沟通一些极端方式的可能性，那些极端方式常被表征为实用主义的和神秘主义的等等。”
目录
§ 6.2.12 薛定谔的科学美学思想薛定谔的研究是从批评玻尔理论的不美开始的 。
他认为，作为电子运动完美的数学理论，它所应用的数学方法必须由电子运动本身按自然方式产生量子数，
而不是象玻尔那样直接从外部把这些量子数注入到数学理论中去。薛定谔 从毕达哥拉斯的科学美学思想中得到启发 。毕达哥拉斯发现音乐和数之间有一种奇特的关系。一根振动着的弦，实际上包含着薛定谔所寻求的那种正整数的序列。如果我们把这根弦的两端连结在一起，那么振动着的弦就会形成一个振动的圆环。
这个振动的圆环必定是整数的波长。这实际上就是玻尔的电子轨道条件。
目录薛定谔的科学美学思路是音乐式的 。人们早已知道，琴弦、风琴管的振动符合类似形式的波动方程。
而一个波动方程，只要附加一定的数学条件，便会产生一些数列。薛定谔决意根据这种科学美学见解，创造一种原子理论。结果，薛定谔如愿以偿，求得了电子的波动方程：
这是一个相当美妙的方程，在这个方程中,m,E,V
体现着电子的微粒性，而? 则体现为电子的波动性，
方程把电子的波粒二象性完美地统一起来了 。
0)VE(h m8zyx 22222222
目录波动方程的形式简单明了,使它具有很高的美学价值，代表着量子力学的巨大进步。从形式上看，因为波动力学所使用的数学工具是偏微分方程，这是物理学家比较熟悉和容易掌握的数学工具，不象海森堡的矩阵那样陌生，
所以波动力学比起矩阵力学来更显示出它的美来。或者说，由于 波动力学更符合物理学家的审美习惯,所以更容易引起人们的美感。
目录在薛定谔建立波动力学的过程中，类比方法起了很大的作用 。薛定谔本人曾说过：
“从通常的力学走向波动力学的一步，就象光学中用惠更斯理论来代替牛领理论所迈进的一步相类似。我们可以构成这种象征性的比例式：
通常力学 /电动力学 = 几何光学 /波动光学典型的量子现象就类比于衍射和干涉等典型的波动现象。”
目录通常力学 波动力学质点状态的描述 坐标与速度 波函数质点运动方程 牛顿力学方程,薛定谔波动方程物质形态 实 物 波能 量 E (代表数值的符号 ) (代表运算的符号 )
动 量 Px (代表数值的符号 ) (代表运算的符号 )
ti?
xi?
类 比目录薛定谔认为，波动力学应该是质点力学的普遍化；而质点力学应该是波动力学的近似。
这一观点是 符合连续性的美与间断性的美应当统一的要求的 。
薛定谔还把量子力学的美学思想推广到生物学领域中。他认为，有机界与无机界也可以进行类比。通过类比，可以更好地揭示有机界的微观结构和功能，从而更好地理解整个有机界的美。薛定谔首创在分子层次上对生命体和无机物质进行类比，探索生命体的结构和遗传变异特性。
目录薛定谔在 1944年出版的,生命是什么,的序言 中说：
“我们从祖先那里继承了对于统一的、无所不包的知识的强烈渴望。最高学府这个名称使我们想起了从古到今多少世纪以来，只有普遍性才是唯一地享有盛誉的。可是，最近一百多年来，知识的各种各样的分支在广度和深度上的展开，却使我们陷入了一种奇异的困境。我们清楚地感到，要想把所有已知的知识综合成为一个统一体，我们现在还只是刚刚开始在获得可靠的资料；可是，另一方面，一个人想要充分掌握比一个狭小的专门领域再多一点的知识，也已经是几乎不可能的了。
目录除非我们中间有些人敢于去着手综合这些事实和理论，即使它们有的是第二手的和不完备的知识，而且还要敢于承担使我们成为蠢人的风险，除此之外，我看不到再有摆脱这种困境的其他办法了 (否则，我们的真正目的将永远达不到。 )”
正是这种迫求知识统一的审美理想，促使薛定谔敢于冒成为蠢人的风险，从他所熟悉的物理学领域闯进奇妙的生物世界，为生物学的美奠定了分子生物学的理论基础。
目录薛定谔在科学美学上的贡献还在于，他 论证了量子力学的统一性 。在量子力学发展史上，玻尔理论相继被德布罗意、海森堡、薛定谔和狄拉克的理论所突破。在这四种理论中，德布罗意与薛定谔为一对，海森堡与狄拉克为另一对，分别代表两种不同的理论路线。可是有趣的是，这两种不同的理论路线共同发源于哈密顿的科学美学思想！
薛定谔在 1926年 3月，提出了两条理论路线统一化的问题。薛定谔认为，只要把哈密顿方程中的动量 p，
转换成算符，这两条理论路线的统一化问题就可完美地解决。薛定谔用波动观点重新发现了狄拉克用粒子观点发现的理论。这一事实表明，狄拉克的 q 数理论暗含在薛定谔方程美的光辉之中。这样，海森堡的矩阵力学也变成了薛定谔方程美的光辉的一部分了。 由于薛定谔方程所描绘的波动图景平易近人，在数学上更易处理，所以显得更美一些。
目录薛定谔的科学美学思想，还表现在 对量子力学和相对论的结合中所作的贡献上 。他在一篇简短的非正式的笔记中，讨论了几何学在微观世界的不适用性。“我们所以能理解不改变外形的运动所指的是什么，应感谢固体，即近似于刚体所取得的经验。假如无此经验，犹如我们是智力高度发展的水母生活在水中，我们是否能建立起运动群中我们的几何学。对这一点，我不想作出判断。” 薛定谔的这一思想，为美和美感的同构关系寻找了微观世界的根据。它与彭加勒的美学思想也有共通之处。
相对论和量子力学的统一是当代最重大的理论问题之一，是具有薛定谔这样科学地位的人必定要研究的一个美学问题。薛定谔尝试着对这个美学问题作了多种形式化的表述，使这个或那个几何量对称或不对称。虽然薛定谔后来也没有完成这种统一的工作，但是他的科学美学探索和美感直觉始终给人们留下了深刻的印象。
目录
§ 6.2.13 海森堡的科学美学思想海森堡是德国著名物理学家，量子力学的奠基人之一。海森堡在他的科学研究实践中，对科学美学问题十分重视，并在实践的基础上，逐渐形成了他的科学美学思想。他同彭加勒、爱因斯坦、韦尔一起，竭力主张研究科学中的美学问题，呼吁科学和美学在 20
世纪科学发展的基础上重新结合起来。
1900年普朗克提出量子论，玻尔利用量子论的观点研究原子结构，但在复杂的重原子结构中，实验所测得的光谱线不再与玻尔理论的预测值符合。为了根据新的实验数据重建一个更加美的理论体系，当时年仅二十三岁的海森堡，试探着以玻尔点燃的火炬，作为指引他远航的航标。
目录
不管理论形式看起来多么荒诞和不合理，但 只要能和实验数据吻合，它就有可能是真的 。
认为判定科学理论的美学标准有两个，第一是简单性,第二是数学形式的 完整性 。
自然界向人们展现的 科学理论的美感往往使人震惊 。
在科学发现中科学家常常遵循 美感直觉去追求真理 。
有了科学美学的思想，就可以使人们从复杂的理论问题中理出一个头绪来。
目录
科学的生命在于真,不符合实际的理论，即使在形式上再美，那也不过是一朵永不结果的花，
至多只能算是一种绝妙的智力游戏。反之，科学理论只要在一定范围、一定程度上与客观自然界符合，它就在一定程度上是真的，就可以在科学大厦中占据一席之地。这样的科学理论，
也就具备了一定程度的审美价值。
对称性是美的事物的表现形式之一 。
强调 数学形式的美与实验证实的 —致性 。
科学 风格与 艺术 风格，科学语言与艺术语言之间是 相互贯通 的，是两种不同形式的人类语言。
目录艺术风格的基本要素是与数学的本质要素十分密切地关联着的。海森堡批驳了那种认为科学是严肃的、
真实的，而艺术则是任意的、似乎距真理很远的错误思想。他以一个自然科学家对待客观自然界一样的态度，来认识艺术的真实性。海森堡认为 任何一件艺术作品都要反映这个时代的精神,而时代精神则完全如同科学事实一样是纯客观的，并不以某 —个人的意志为转移。这样,在艺术中所表现出来的时代精神，也就是一种必然的客观规律性了 。反之，不能反映时代精神的作品就不具有艺术的真实感。
因此，那些胡编乱造的低劣作品，实际上并不是艺术作品。这正如同不反映客观自然对象的理论不能被称为科学理论一样。如果某一艺术风格反映了某一时代精神，那么这种时代精神是由铁一样的历史必然性所决定的。反映这种历史必然性的艺术作品就如同伟大的科学理论一样，是永恒的。
目录
§ 6.2.14 狄拉克的科学美学思想狄拉克是英国著名物理学家。他曾在布里斯托尔大学、剑桥大学圣约翰学院学习,1926年获剑桥大学哲学博士学位,1932年任该校数学教授。 1930
年，他被选为英国皇家学会会员。
狄拉克科学美学思想的特点,
(1) 狄拉克一生 追求数学美,也大力提倡数学美。 1981
年 5月，在一次国际理论物理讨论会上，他一再声称：“我想我正是和这一概念 (优美的数学 )一起来到这个世界上的。”追求物理规律的数学美，可以说是狄拉克科学美学思想的核心。 狄拉克认为，如果物理定律在数学形式上不美，那就是一种理论还不够成熟的标志，说明理论有缺陷，需要改进。
目录然而狄拉克的科学美学思想并不是唯美主义的，因为他对于理论问题研究的基本出发点是：在物理学和数学的关系问题上，物理学居首位，数学不过是一种工具。对狄拉克来说，
现实的物理世界比单纯的逻辑结构更有意义。
他在,量子力学原理,一书中告诫人们：应当学会在自己的思想中能不参照数学形式而掌握物理概念，并尽可能地了解数学形式的物理意义。
狄拉克心目中的数学美，除了传统意义下数学的 精确性、严密性、简练性 以外，还包括对称性、统一性,在尽可能广泛的变换群作用下的 不变性 。
目录
(2)狄拉克坚信 美和真是统一的 。他认为，美的理论必然是正确的。在物理学中，理论必须描述尽万能广泛范围内的事物最本质最普遍的联系？而美的理论就是普遍适用的基本自然规律的一种表现形式。因此,美的理论的客观基础就是自然界最本质地普遍的联系。
而美的理论最恰当的表现形式，就是完美的数学形式 。
狄技克认为，爱因斯坦的理论之所以被人们广泛地接受，与其说是因为它正确，倒不如说是因为它具有一种伟大的美。爱因斯坦向人类提供的四维弯曲时空图象，是大大超越人们日常的感性经验的，它的正确性并不那么容易得到经验的确证。至今人们还只有两三个实验事实可以对广义相对论的正确性作出判定，可是对于广义相对论数学形式的美，则完全可以依靠理性思维的正确判断加以把握。这就是美的理论必然是正确的理论的客观基础。
目录狄拉克根据这一重要的科学美学思想，提出了判定现有理论优劣的一种重要方法 ——通过对理论数学美形式的考察，来判断现有理论的真理性程度。
物理理论的发展，一方面可以根据一种固定的数学基础，通过数学本身美的形式与客观内容的矛盾运动，逻辑地得到发展；另一方面又不限于某一种固定的数学基础，而是对数学基础所依据的公理系统作出必要的修正或推广。
这样就可以在理论研究上独辟蹊径，解放思想，
不拘泥于现存的理论框架或实验材料，创造出非同凡俗的科学理论来。
目录
(3) 狄拉克 坚信世界的统一性应当是宇宙美的主要表现形式 。他在玻尔对应原理的启发下，
认识到经典力学系统和量子力学系统应该有一个共同的理论基础，即哈密顿力学。通过实际的科学研究，狄拉克形成这样一个基本信念：自然界各观象领域间必然具有某种本质的和内在的联系，在不同层次、不同形式的物理规律之间一定存在一种深刻的统一性。
探索宇宙统一性的美，这是狄拉克确定他的科研课题的一条主线。
目录值得注意的是,狄拉克坚信，他所追求的宇宙统一性的美，是建立在因果决定论基础之上的统一美 。从这样一种统一美的观点出发，
狄拉克认为无论是经典理论还是量子理论，无论是高能物理还是低能物理，都应该用一种统一的动力学理论作为基础。这种因果决定论的统一美，既表现为各种现象间的内在联系和规律，又表现为基本自然规律的普遍适用性。正是对统一美的这种理解，狄拉克认为量子力学理论体系还不是十分完美的，它只是通向更完善理论的一个阶梯。他认为量子力学的每一个结论，都应该是原始的运动方程的逻辑结果，
这才是宇宙统一美的实质。
目录(4) 狄拉克对于 对称美有一种强烈的美感直觉 。
利用对称波函数与反对称波函数，处理全同粒子或非全同粒子的多体波函数问题,揭示了统计类型与波函数对称性之间的内在联系 。
利用真空图象，揭示了 粒子与反粒子 之间的对称美，正、反粒子对的成对产生与成对湮灭，又为这种对称美增添了无限的魅力，并且进一步揭示了物质存在的实物形式和辐射形式之间的相互转换，指出它们之间也有着一种对称性的美。
根据电和磁的绝对对称性，提出了 磁单极子的概念。
目录狄拉克坚信 自然界是和谐的,它应当以对称性作为自己美的表现形式。这样,当我们发现自然界有着明显的不对称时，就应当检查我们的理论是否有什么错误 。狄拉克从自己理论的失误中，充分地认识到了这一点。例如他在计算真空中产生的空穴质量后，因为缺乏勇气而不敢提出空穴就是一种新的粒子，仍然把它称为质子。可是为什么对称性表现得如此好的粒子与空穴之间的质量误差竞有 1840倍？这是违背自然界的和谐的。显然，这种质量的不对称现象是由于我们知识的不完善所造成的。
目录但狄拉克对对称性的美也不迷信。他认为 对称中蕴有不对称性，这才比较符合自然界的客观图景 。例如量子变量乘法的不可对易性，这是完全违背对称美的要求的。然而正是这种不可对易性，才表达了量子力学与经典理论之间的本质差别。正是因为狄拉克善于摆脱传统对称美的思想体系，所以才能从泊松括号中得到启发，找出这种不对称性的原因所在。过去人们以为真空就是空无一物，因此真空也就具有典型的空间对称和时间对称。可是狄拉克指出真空不但不空，
而且是一个极其复杂的动力学系统时，传统的真空图象对称美的客观基础也就必然被摧毁了。狄拉克的真空图象，也就不可能具有完全的对称性了。现代场论中真空自发破缺理论，就着重研究狄拉克真空的这种不完全对称性。
目录(5)狄拉克对数学美的班解，主要是指物理理论的数学公式，应当具有尽可能广泛的变换不变性。 探寻各种条件下的不变性理论，是狄拉克科学美学思想中一个极其重要的组成部分 。
狄拉克 变换理论的美学意义 就在于：一方面承认观测者在认识上的主观能动性，因为每一个观测者可以任意选择对自己认为是方便的表象进行观测；另一方面，通过各种表象观测所得的结果完全是客观的，它是一种不变量。
这样，变换理论就把各个观测者任意选择的各种表象观测完美地统一起来了。这意味着自然界的进程是完全客观的，没有什么主观任意性。
目录(6)_狄拉克灵活地运用 形象思维和逻辑思维
数学美 的获得，主要靠 逻辑思维 的作用，
物理图象 的清晰性，又要依靠 形象思维 的作用。
形象思维与逻辑思维能不能统一呢？
有人认为狄拉克极为重视数学美，而对图象的美表示了一定程度的轻视。实际上这并不完全正确。狄拉克在否定用经典性图象来思考量子力学问题时，确实认为是否存在图象这是一个次要的问题，因为这些图象基本上是按经典物理学思路考虑问题的。在这时起重要作用的是可以用数学公式来表述的客观规律。对于量子理论来说，任何用经典观念所描述的图象，
都是不正确的；
目录可是图象确实又是我们认识自然规律的一种有效方法。同时，图象也是自然规律自治性的一种明显化的方式。因此在理论研究中，对图象也不能轻视。这时，形象思维就在科学理论的构筑过程中，占据十分重要的地位了。例如狄拉克在建立相对论性电子理论时，为了摆脱克莱因方程的束缚，就必须从形象思维的角度考虑量子力学理论对单个电子的含义是什么。
由此可知,一个具有独创性能力的科学家，必须懂得在什么时候，他的研究应当以逻辑思维为主，在什么时候，他的研究又应当以形象思维为主。 绝对排斥形象思维的科学研究，在经验自然科学中是完全不可能的。这在逻辑学或某些数学研究中，也许还有这种可能。
目录
§ 6.3 激光基于受激发射放大而产生的一种相干光辐射 。 能够发射出激光的实际技术装置,称之为激光器 。
§ 6.3.1 发展简史早在 1917年,爱因斯坦为解释黑体辐射定律,首先提出了关于光的发射与吸收可经由受激吸收,受激辐射与自发辐射三种基本过程的假设 。 直到 40年代末和 50年代初,才首次注意到利用物质体系特定能级间的粒子数分布反转和相应的受激辐射过程,
来对入射的微波电磁辐射信号进行相干放大的可能 。
在此设想的推动下,美苏两国科学家小组分别独立地在 1954年前后,研制成功第一批微波激射器装置 。
1960年美国首次研制成功第一台激光器 ── 红宝石激光器 。 以后不久,人们又相继成功地研制出一系列其他种类的激光器 。
目录
1、原子与光子的相互作用
(1) 受激吸收,能级 E1 的原子吸收一个 hυ
的光子而跃迁到能级 E2。
hυ
E2
E1 E1
E2
§ 6.3.2 产生激光的基本原理目录
(2) 受激辐射,能级 E2的原子在 hυ光子作用下放出 hυ的光子而跃迁到能级 E1。
hυ
E2
E1
hυ
hυ
E1
E2
目录
(3) 自发辐射,在不受外来激发的情况下，
能级 E2 的原子自发地放出一个能量为 hυ的光子而跃迁到能级 E1。
跃迁能级和辐射频率之间满足玻尔频率条件：
E2
E1
hυ
E2
E1
hυ=E2 - E1
目录2、激光产生条件在平衡时,原子在能级上的分布是麦克斯韦 -玻耳兹曼分布。
若 g1 = g2，有,N2 / N1 = e -( E2 - E1 ) / kT
可以看出,温度不太高时，绝大部分原子都处在基态，且 N2 < N1。
即,激发态原子数 < 基态原子数由 B12 = B21? 受激吸收 > 受激辐射
宏观上结果呈净吸收光目录若能实现使激发态的原子数多于基态的原子数，即,N2 > N1,则此时原子体系所处的状态不是统计平衡态,这时的绝对温度是负的，即,T < 0。 这种 N2 > N1情形称为粒子数反转 或 反转分布。 此时
受激吸收 < 受激辐射
宏观上结果呈净辐射光所以少量入射光能激发出大量的光辐射，表现为光放大，这种 受激辐射光的放大简称激光 ( LASER —— Light Amplification by
Stimulated Emission of Radiation 的缩写 )。
目录
E1
E2
基态激发态
He
E’1
E’3
基态亚稳态
Ne
E’2光泵 非稳态碰撞交换 (共振 )
hυ
例,He - Ne 激光器原理示意图目录
E1
E2
基态激发态
He
E’1
E’3
基态亚稳态
Ne
E’2光泵自发辐射
632.8 nm慢快非稳态碰撞交换 (共振 )
hυ
例,He - Ne 激光器原理示意图目录
E1
E2
基态激发态
He
E’1
E’3
基态亚稳态
Ne
E’2光泵自发辐射
632.8 nm慢快非稳态碰撞交换 (共振 )
hυ
例,He - Ne 激光器原理示意图目录
E1
E2
基态激发态
He
E’1
E’3
基态亚稳态
Ne
E’2光泵自发辐射
632.8 nm慢快非稳态碰撞交换 (共振 )
hυ
例,He - Ne 激光器原理示意图目录
E1
E2
基态激发态
He
E’1
E’3
基态亚稳态
Ne
E’2光泵自发辐射
632.8 nm慢快非稳态碰撞交换 (共振 )
hυ
例,He - Ne 激光器原理示意图目录
E1
E2
基态激发态
He
E’1
E’3
基态亚稳态
Ne
E’2光泵自发辐射
632.8 nm慢快非稳态碰撞交换 (共振 )
hυ
例,He - Ne 激光器原理示意图目录
E1
E2
基态激发态
He
E’1
E’3
基态亚稳态
Ne
E’2光泵自发辐射
632.8 nm慢快非稳态碰撞交换 (共振 )
hυ
例,He - Ne 激光器原理示意图目录
E1
E2
基态激发态
He
E’1
E’3
基态亚稳态
Ne
E’2光泵自发辐射
632.8 nm慢快非稳态碰撞交换 (共振 )
hυ
例,He - Ne 激光器原理示意图目录例,He - Ne 激光器原理示意图
E1
E2
基态激发态
He
E’1
E’3
基态亚稳态
Ne
E’2
自发辐射光泵 632.8 nm
慢快非稳态碰撞交换 (共振 )
hυ
目录球面反射镜
(100 %反射 )
球面反射镜
( 98 %反射 )
阳极 阴极放电管布儒斯特窗布儒斯特窗
He - Ne 激光器结构示意图目录
§ 6.3.3激光的特点
1,高定向性,（ 一般为 10-5～ 10-8球面度 ） 向前传输 。
2,高单色性单色性的表征量?/ 可高达 1010～ 1013数量级；
较好的单色光源的单色性量值只有 106数量级左右 。
3,高亮度例如光源太阳,其发光亮度值大约为 L≈103 瓦 /(厘米 2.球面度 )数量级左右；而目前大功率激光器的输出亮度,可高达 L ≈1010～ 1017 瓦 /（ 厘米 2.球面度 ） 数量级左右 。 对太阳而言,可见光 (5 000埃左右 ) 附近的单色亮度值 L’≈ 10-12瓦／ （ 厘米 2.球面度,赫 ） 量级左右；目前大功率激光器输出亮度值可高达 L’ ≈ 104～ 107瓦 /（ 厘米 2.球面度,赫 ） 量级左右 。
目录
4,高光子简并度每个量子状态内的平均光子数,定义为光子简并度,它表示有多少个性质全同的光子 （ 它们具有相同的能量,动量和偏振 ） 共处于一个量子状态之内 。
太阳,在可见光谱区的光子简并度大约为 10-3～ 10-2数量级左右；
人造光源,光子简并度数值也远小于 1 。
激光器,由于光学共振腔对激光振荡模式有较强的限制作用,从而可使输出激光辐射的光子简并度达到较高的数值；例如对于大功率激光器而言,输出光子简并度可高达 1014～ 1017数量级 。
5,高相干性空间相干性：由其高定向性所决定；
时间相干性：由其高定向性和高单色性所决定 。
目录
§ 6.3.4激光的应用一,工业上的应用目前比较成熟的应用有激光打孔,
激光焊接,激光切割,激光划片,激光表面处理和激光印刷,激光信息存储等 。 图 6-3-2激光全息测量装置目录
在化学工业中,利用激光的高亮度,高单色性和可调谐等特点,可以对特定的化学反应进行控制,从而实现 光学催化,光学聚合,光学合成,光学提纯和光学分离等 过程 。 目前,利用激光分离同位素的研究工作已经取得了很大的进展 。 利用激光合成各种特殊的化学物质,在技术上也取得不少的成功 。
在大型装备和建筑施工中,激光准直与定向技术有广泛而富有成效的应用 。 例如,利用氦氖激光器制成的 激光指向仪,激光铅直仪,激光水准仪和激光经纬仪等,在大型船舶制造,大型建筑和筑路施工,管道和电缆铺设以及隧道开凿和矿井掘进等工程中,应用效果都很好 。
目录二,农业,生物学和医学上的应用
农业,可选择和培育优良品种；可研究植物各种基本过程以及光合作用的基本机理；研究病虫害的发生发展规律及防治方法，各种农副产品的保管方法。
医学,激光 临床治疗 包括辐照、烧灼、汽化、焊接、
光刀切割以及光针针灸等；激光作为研究人或动物体上的各种生物学效应；利用激光来研究细胞的组成、
分裂、生长和转化等，从而可加深人们对新陈代谢、
遗传和发育等生命基本过程的理解。此外，借助于激光技术还可以制成各种 新型诊断和测量分析仪器,如激光显微光谱分析仪、激光扫描显微镜、激光显微解剖刀、激光血球计数仪等装置，可在医学和生物学研究中发挥出特殊的效用。
目录图 6-3-3 YAG 激光手术器目录激光与文化界
激光焰火晚会；
激光舞台；
激光光盘（ CD,VCD,DVD）；
激光电视、电影；
……
激光在战争中
激光雷达；
激光制导；
超强激光武器：用于拦截飞机和洲际导弹甚至破坏军用卫星的超强激光武器；
……
影视资料片,激光以及应用目录三,激光通信激光是一种光频波段的相干电磁波辐射,
因此自然可以利用激光作为光频电磁载波而传递各种信息 。 激光通信的原理与普通的无线电通信相类似；所不同的是,无线电通信是把声音,图像或其他信号调制到无线电载波上发送出去,而激光通信则是把声音,图像或其他信息调制到激光载波上发送出去 。 激光通信的优点主要是：传送信息容量大,通信距离远,保密性高以及抗干扰性强 。 激光通信可分为地面大气通信,宇宙空间通信和光学纤维通信等几大类 。
目录
60年代 美国完成了世界上最好的高速公路网
1993 年 美国决定开展“国家信息基础结构计划”，也就是建造美国信息高速公路网；
我国也已经开始信息高速公路网的建设，作为第一步，首先建设,三金工程,。
“金桥工程” ——全国金融系统的网络；
“金关工程” ——全国海关网络；
“金卡工程” ——全国信用卡网络。
目录1、信息高速公路,实际上包括：计算机控制系统、卫星传输系统、光纤传输系统、多媒体图象通讯系统和数字通讯系统等。
计算机控制系统 是信息高速公路的管理系统，
就像公路上的交通警察；
卫星传输系统和光纤传输系统 则是信息高速公路的骨干，就像公路的路面；
多媒体图象通讯系统和数字通讯系统 则是讯号的发送系统，就像公路上的各种车辆。
电子信箱、传真通信、移动电话、宽带可视电话、宽带会议电视。
目录
2,光纤网络传输
1966年,英籍华人高锟提出可以用光纤作为通信的传输线,但是当时制作的光纤损耗高达
1000dB/km,实际上还无法付诸实用 。
1980年,日本利用轴向沉积法生产出了损耗仅为 0.2dB/km的石英光纤,使光纤通信技术获得飞速的发展 。
80年代后期,美国电话电报公司铺设了大西洋和太平洋的海底光缆,将欧,美,亚三洲连接起来 。
目录? 90年代,第 3代越洋光缆取代了 1,2代光缆 。
光缆的容量大大增大,每对光纤有 32万个通道,
是第 1代的 16倍,相当于 8个通讯卫星的容量,
每秒可传输相当于 30卷大英百科全书的信息量 。
90年代中开始铺设一条最长的光缆,从英国经大西洋,地中海,红海,印度洋,太平洋直到东亚,一路上经过 11个国家和地区 。 上海的光纤网与之相连接 。 而上海的光纤主干网络已把各个电话局,长话局,电视台和东方明珠塔等重要通信点连接起来了 。 光纤网通讯具有速度快,容量大,抗干扰能力强等优点,而且它的寿命可达 20年以上,远长于通讯卫星 。
影视资料片,光纤通讯目录四,激光雷达和激光精密测量激光技术出现后,利用高亮度,高定向性和脉冲持续时间十分短的激光束来代替普通雷达的微波或无线电波射束,可以 大幅度提高测距和测方位精度 。 激光雷达与测距的另一个优点,
是可以不受地面假回波影响而测量各种地面和低空目标,从而 填补了普通雷达的低空盲区空白 。 此外,激光雷达与测距完全不受各种电磁干扰,不但使目前已有的各种雷达干扰手段完全失效,而且还可突破诸如导弹再入弹头周围等离子体层的屏蔽作用,或者核爆炸产生的电离云的干扰作用 。
目录在激光技术出现以前,普通干涉测长方法受到所使用的普通光源单色性的限制,最大量程不超过一米左右,最小的测量误差也只能达到零点几微米左右 。 但若采用激光干涉测长技术,量程范围在原则上可扩大到几百米到几十公里以上,而测长的精度可成千上万倍地改善 。
在计量标准方面,利用单色性和频率稳定性极高的特殊激光器系统,还可建立起以激光为基础的长度,时间和频率的国际新标准 。 比如,用单色和稳频精度为 10-13量级的激光器作为光频计时标准,它在一年长时间里所给出的计时误差不超过一微秒,大大超过了目前采用的微波频段原子钟的计时精度 。
目录§ 6.4 核物理与核技术
§ 6.4.1 核物理简介核物理是原子核物理学的简称,是 20世纪新建的一个物理学分支 。 它研究核的结构和变化规律 。
1896年,贝可勒尔发现天然放射性,这是人们第一次观察到的核变化 。
1911年,E.卢瑟福等人利用? 射线轰击各种原子,观测? 射线所发生的偏折,从而确立了原子的核结构,
并提出了原子结构的行星模型 。
1919年,卢瑟福等又发现用? 粒子轰击氮核会放出质子 （ 氢原子的原子核 ）,这是首次用人工实现的核蜕变 (核反应 )。
在 20世纪 30年代中,人们还通过对宇宙线的研究发现了正电子和介子 （ 后来称为?子,是一种轻子 ）,这些发现是粒子物理学的先河 。
目录
1939年,哈恩和斯特拉斯曼发现了核裂变现象哈恩 费密目录1942年,费密建立了第一个链式裂变反应堆 。
第一个链式裂变反应堆目录通过高能和超高能射线束和原子核的相互作用,人们发现了上百种短寿命的粒子,
即重子,介子,轻子和各种共振态粒子 。 庞大的粒子家族的发现,把人们对物质世界的研究推进到一个新的阶段,建立了一门新的学科 ──粒子物理学,有时也称为高能物理学 。
目录
§ 6.4.2核技术应用一,同位素示踪同位素示踪是用放射性核素或稀有稳定核素作为示踪剂,研究化学,生物或其他过程的方法 。 示踪原子 (又称标记原子 ),是其核物理特征易于探测的原子 。 含有示踪原子的化合物称为标记化合物 。 在特殊情况下,有时也采用标记的细胞,微生物,动植物等各类标记物 。
1912年 G.C.de赫维西首先试用同位素示踪技术,并陆续作了许多工作 。 由于其开创性贡献赫维西 1943年获得了诺贝尔化学奖 。
目录
1,在生命科学中的应用在生命科学中,示踪方法主要用于测定组织的成分,
研究物质在生物体内的转移以及物质代谢转变三个方面 。
① 组织成分的测定； ② 物质在生物体内的转移； ③ 物质的代谢转变
2,在工业上的应用在工业生产中,示踪原子为使用多种高效能的检验方法及生产过程自动控制的方法提供了可能性,解决了不少技术上和理论上的问题 。 下面列举几种主要应用 。
① 确定扩散速度； ② 测定机械磨损； ③ 测定流体流速；
④ 合金结构分析：
目录
3,在医学上的应用
(1)放射性同位素在医疗上的应用
① 同位素诊断：这种诊断方法一般具有灵敏,
简便,安全,无损伤等优点,用途非常广泛,几乎所有组织器官或系统的功能检查,
都可应用 。 最常用的同位素诊断可分为三类 。
第一,体外脏器显像 。 照相机用于临床实验目录第二，脏器功能测定。第三，体外放射分析。
②治疗：
(2)放射性同位素在药学上的应用
① 药物作用原理,② 药物活性：
③ 药物分析,④ 辐射消毒钴 -60治疗机目录
4,在农业及畜牧业上的应用
① 辐射育种,② 辐射保藏食品：
③ 辐射灭虫,④ 同位素示踪：
5,同位素地质年代学
6,其他应用
① 超薄厚度的测定,② 溶解度的测定：
③ 化学反应的历程,④ 环境污染的检查：
⑤ 水利学考察：
目录
§ 6.4.3核裂变与核聚变一,核裂变,一个重原子核分裂成为两个 （ 或更多个 ） 中等质量碎片的现象 。
1934年,费密等人用中子照射铀,企图使铀核俘获中子,再经过 β衰变得到原子序数为 93或更高的超铀元素,这引起了不少化学家的关注 。
1938年,哈恩和斯特拉斯曼做了一系列严格的化学实验来鉴别这些放射性产物,结论是：所谓的镭和锕实际上是原子量远比它们为小的镧和钡 。 对这种现象,只有假设原子核分裂为两个或两个以上的碎块才能给予解释 。 这种分裂过程被称为裂变 。
目录
1939年,迈特纳和弗里施首先建议用带电液滴的分裂来解释裂变现象 。 同年玻尔和惠勒在原子核液滴模型和统计理论的基础上系统地研究了原子核的裂变过程,奠定了裂变理论的基础 。
1940年,彼得扎克和弗廖罗夫观察到铀核会自行发生裂变，从而发现了一种新的放射性衰变方式 ──自发裂变。
目录
1962年,波利卡诺夫等发现了自发裂变同质异能态 。
1967年,斯特鲁金斯基提出了在液滴模型基础上加壳修正的,宏观 -微观,方法,导出了双峰裂变势垒,这是裂变研究史上的又一新成果 。
1947年,钱三强等发现了三分裂（即分成三个碎片，第三个可以是?粒子，也可以是和另外两个碎片质量相近的碎片）。
1955年,玻尔根据原子核的集体模型提出了裂变道的概念，把裂变理论推进了一步。
目录
（ 1） 核裂变过程 （ 以 235U为例 ）,
当 235U核吸收一个中子后,就会形成复合 236U核,而 236U核是不稳定的,它很快发生形变由椭球形进而变成不对称的哑铃形,
然后发生断裂,成为两个略有大小差异的产物核,同时放出若干个中子,下图为复合核裂变示意 。
目录裂变后的初级产物往往是不稳定的,它们会通过 β衰变逐步变成稳定的核 。
一次重核裂变所释放的核能大约为 200兆电子伏,其分配如下：
碎片动能 170 兆电子伏中子动能 5 兆电子伏
β和 γ的动能 15 兆电子伏中微子动能 10 兆电子伏其中除 γ和中微子将逃逸外,其余粒子的能量约 180兆电子伏均可利用 。
1000克 235U全部裂变所释放的能量相当于
2500吨标准煤完全燃烧所放出的能量 。
目录核燃料 主要有 235U(铀 ),239Pu(钚 )和 233Th(钍 )。
235U：天然铀中 235U含量仅为 0.72%,其余都是与中子反应几率很小的 238U,因此通常需要对天然铀进行浓缩,以增加 235U的含量,这样的铀称为 浓缩铀 。
239Pu：与中子反应几率大且放出的中子多,
是一种优质的核燃料,但它不存在于天然状态中,只能通过增殖反应堆或原子能发电站人工制造,主要是通过中子轰击 238U而产生 。
233Th：与中子反应效率低,主要用在增殖反应堆中制造核燃料 239Pu。
目录
(2) 链式反应与临界质量
链式反应,重核的裂变是通过中子的轰击实现的，因而要用核裂变来取得大量能量必须不断有中子作为轰击燃料核的“炮弹”。幸好核裂变过程中就有中子产生，如果用这种
“次级中子”再去轰击重核引起另一次裂变，
然后再产生中子，这样就可以形成一种核裂变的“链条”，使得裂变反应一直延续下去，
这种连续不断的裂变反应就叫做,链式反应,。
目录临界质量,因此对于一种核燃料以及一种核燃料区的形状，例如球形、柱形或其它，都有一相应的最小体积（或质量）使中子逃逸几率足够小以致能维持核燃料区内的链式反应，
这个体积（或质量）就称为 临界体积 （或 临界质量 ）。
核燃料的质量达到临界质量是维持链式反应的必要条件 。临界质量的大小除了与核燃料区的形状直接相关外，还与核燃料的性质（浓缩度、材料密度）密切相关。
影视资料片,核裂变目录
（ 3） 原子弹原子弹利用的是不加控制的链式裂变反应,从而在瞬时间可以 形成雪崩式的裂变反应,使大量核燃料在极短时间内,燃烧,
释放出大量能量,造成极端严重的杀伤和破坏 。
美国科学家在开始制造原子弹时采用了两种方法使一个核燃料的次临界系统转换成超临界系统，从而使中子大量增殖而形成雪崩式的连式反应。
目录其一是,枪法,，这是把两块次临界的裂变材料放在“枪筒式”的机械装置内，用化学爆炸将两块核材料迅速合并成一块，使之成为超临界系统。 1945年，美国投在广岛的外号
“瘦子”的第一颗原子弹就是用这种方法制成的 。 下图表示“枪式”原子弹的示意图。
目录其二是,内爆法,，这是将一块处于次临界状态的核燃料（一般为球形），通过化学聚心爆炸将核材料压缩成高密度状态，使之转变成超临界系统。 1945年，美国投在长琦的外号
“胖子”的第二颗原子弹就属这一类 。
下图为“内爆式”原子弹的原理图。
一般认为内爆法可以获得更高的超临界度，具有更大的优越性。
目录我国 科学家在研制原子弹时一开始就采用了技术复杂但较先进的内爆法。
1964年 10月 爆炸了我国的第一颗 原子弹 （当量为 2万吨 TNT）。
1966年 12月 成功地进行了减当量的 氢弹原理试验 ；
1967年 6月 抢在法国之前爆炸了我国的第一颗氢弹 （当量为 300万吨 TNT）。成为继美、苏、
英以后第四个拥有氢弹的核大国，从而打破了美苏两霸的核垄断，为实际制止核战争的爆发作出了重大贡献。
目录中国第一颗氢弹爆炸中国第一颗原子弹爆炸目录原子弹（氢弹）的破坏力表现在三方面,
1、光辐射,当核弹爆炸后，最先看到的是极强的光。这种强光可以引发近处的一切物体的燃烧，即使对距离很远处的人或动物也可以导致眼睛失明。
2、中子和 γ辐射,这种强粒子辐射可以立即使人和动物死亡，也可能使人患放射病。
3、冲击波,它可推倒建筑物、杀伤人员。
影视资料片,我国第一颗原子弹两弹一星目录
（ 4 ） 核电站
链式反应的控制原子弹是一种不加控制的裂变反应器，
它在极短时间内释放出大量核能，极具破坏性，很难被作为能源来利用。因此裂变能的和平利用，首先要解决链式反应的控制，一是要控制其超临界度，不能让它发生雪崩式的反应；二是要使它在超临界和次临界状态间随意转换。
目录链式反应的控制方法
通过快速的机械手段由吸收或不吸收缓发中子来调节系统 达到超临界的条件 。
让 快中子 在某些特定的介质中通过碰撞损失其能量而 变成热中子 （ 慢中子 ）,这个过程称为 慢化,而那些特定介质就称为 慢化剂 。
重水 是 最好 的慢化剂,石墨 也是一种 良好 的慢化剂,1944年,费米就是用它作成世界上第一个反应堆的 。
控制热中子,采用镉 （ 48Cd） 作为热中子反应堆的控制棒 。
目录? 核裂变发电站概貌核电站组成,核反应堆,热交换器和发电装置 。
核反应堆通常采用热中子堆,常用的有压水堆,
重水堆,石墨堆等 。
反应堆的堆心是原子能发电站的心脏,其中有燃料棒,慢化剂,冷却剂 和 控制棒 （ 镉棒 ） 。
当 镉棒插入 时,堆心处于 次临界状态,
镉棒 拔出 时堆心就处于 超临界状态,于是控制镉棒就可以 控制反应堆的运行 。 冷却剂用来冷却燃料棒,并通过热交换器将热量送到无放射性的发电部分,供发电使用 。
目录研究性重水反应堆 中国 1980年建成的高通量工程试验堆堆芯目录秦山核电站 的原理示意图目录秦山核电站鸟瞰目录? 核电站的发展现状
1954年,前苏联建成了世界上第一座热中子核电站,而后被世界各国广泛推广 。
目前现状,世界上已经投入运行的热中子核电站已有 428座,在建的有 61座,遍布各大洲
34个国家和地区,总装机容量已达 4亿多千瓦,
约占世界发电总量的 1/5。 美国占首位,约占世界的 1/3,其次为法国,日本,德国和俄罗斯 。 法国 已有 57座核电站在运行,发电量占其全国 总发电量的 77%,为世界之最 。 我国目前仅有 秦山核电站 和 大亚湾核电站 两座,
装机容量仅占总装机容量的 1%左右 。
目录核电 虽然造价较高,但 运行成本低于火电,环境污染也比火电小得多,作为一种极好的能源,将来会在全世界广泛推广使用 。
早在 1951年 美国就建成了 快中子堆的核电站,但由于技术复杂,不易控制,后来未能推广 。 但是快堆核电站能够再生核燃料,
即用快中子轰击 238U 产生 230Pu,从而大大 降低了运行成本,具有商业价值,所以快中子堆开始从完全军用 （ 生产核弹用钚 ） 进入民用,但真正实用还得假以时日 。
影视资料片,核能目录二、核聚变能的应用
1,原子核的聚变
聚变反应,轻核在一定高温条件下融合成较重的核,
所以又称 热核反应 。
聚变的自持条件,从核聚变释放出来的能量,除去各种损失后,剩余的能量能在足够长的时间内维持能使核聚变反应继续进行的温度和密度 。 1957年,英国物理学家劳森把它归结为：
n? = 1020 s/m,kT = 10 keV （ 劳森判据 ）
其中 n 是轻核的粒子密度,? 是温度和密度的维持时间,kT 是温度的另一种表达方法,10 keV相当于一亿度左右的高温 。
目录在这样高的温度下,原子已经完全电离,形成 物质的第四态 ——等离子体 。
从聚变反应可推算,1克氘发生热核聚变时放出的能量为 10万千瓦时,也就是 10万度电能 。 地球上共有 175亿亿吨海水,其中含氘 35万亿吨,如果都能用来发电,可以想象足够人类用上几百亿年,再也不会有什么,能源危机,了 。
目录2,氢弹自持核聚变首先是在氢弹中实现的 。 在氢弹 中主要采用的核聚变反应是 D – T反应,
因为 D – T反应释放的能量较多而要求的温度条件又较低 。 氢弹中的 主要燃料是氘化锂 。
氢弹中热核反应所需要的高温高密度条件一开始是由一颗原子弹提供的,这个原子弹被称为 氢弹的,扳机,,然后,由热核反应产生的能量的在一定时间内继续维持热核反应所必须的条件 。 于是氢弹就能在短时间内释放大量能量,形成 比原子弹威力大几百倍 的大规模毁灭性武器 。
目录
美国物理学家 泰勒首先提出制造氢弹的思想和建议,但是 氢弹原理被严格保密 起来，究竟如何用一个原子弹来创造自持热核反应条件至今仍是一个秘密。
中国科学家 自力更生突破了这个难关，并且从制成原子弹后仅用了 2年时间,这比美国
（用了 7 年）、前苏联（用了 5年）要快得多，
证明了中国人民聪明能干、坚毅不拔的民族性格。而且我国仅仅进行了几十次核试验就完成了研制、定型、改进和装备的全过程，
这就远少于美国和前苏联。
影视资料片,氢弹目录3,磁约束聚变氢弹中释放的能量是爆炸式的，虽然在其中实现了自持热核反应，但无法用于民用能源，所以，要用热核反应作为能源，首要之事是寻找能实现自持的方式和条件：
上亿度高温 + 不导热容器。
太阳给了我们启发,太阳是一团进行自持热核反应的高温等离子体，它又是缓慢地释放能量的，那么它是靠什么容器把等离子体约束在一起不致飞散的呢？它靠的是太阳极其巨大的质量所产生的巨大的引力。 太阳的引力场就是太阳的高温等离子体的“容器” 。
目录地球上不可能有这样强的引力场，但是可以利用其它的场。
目前约束高温等离子体的方法,
磁约束,利用强磁场约束等离子体，因为等离子体由带负电的电子和带正电的原子核组成，它们在磁场中受磁力作用；
惯性约束,利用介质被压缩时粒子的惯性，
将等离子体约束在一个小区域中。在这样条件下进行的热核反应就称为,受控热核反应,。
目录最受人们青睐的磁约束装置是环流器 (托卡马克 ),下图是它的结构示意图,图中：
1––产生环场的线圈盘
2––变压器线圈
3––等离子体电流
4––变压器铁芯
5––金属外壳
6––螺旋场
7––环场
8––角场环状真空室中冲入氘气或氘 –氚混合气体目录目前美国、日本、欧洲和俄罗斯等国都已经建成大型的托卡马克装置,我国也于
1984年建成一座中型的托卡马克 ——环流 1
号 。有的装置已接近达到劳森条件，正在努力实现“点火”，即自持反应。美、英、俄三国正在合作建设一座功率为 62万千瓦的国际聚变反应堆，希望使其输出能量超过输入能量，以实现聚变发电的可能性。此外，也有人在尝试研制聚变 ——裂变混合堆,以充分利用聚变放出的大量中子并减低自持聚变点火的难度。 估计到二十一世纪中叶，磁约束核聚变发电站会有投入使用的可能 。
目录中国环流 1号目录
4,惯性约束聚变惯性约束聚变是依赖于燃料质量的惯性对等离子体进行约束从而实现自持聚变的一种途径 。 同时这种方法也可以进行氢弹的模拟试验,实际上就是氢弹的微型化,
从而把氢弹实验从大气层或地下转移到实验室,并且可以大大节省试验的开支 。 因此惯性约束聚变深受世界各主要国家的重视 。
目录惯性约束聚变的基本思想,
a,氢弹燃料区小型化,使得燃烧后产生的能量可以用安全的热交换方式取出来。所以通常用 装有热核燃料的靶丸 （一般为球形壳层小丸），在驱动场引发的聚心冲击波作用下被压缩，达到高温、高密度状态；
b,驱动方式改成激光、粒子束等,
靶丸依靠电子传导
（称直接驱动）或
X–射线（称间接驱动）向内输运能量，
驱动内爆。
目录? 直接驱动,激光束 (或带电粒子束 )直接入射靶丸外层，激光能量传递给电子生成内爆冲击波。
但 要求激光光斑必须整形成接近于球形,因此需要建立高功率的多路激光装置。
美国劳伦兹
· 利佛莫尔国家实验室的
NOVA激光器
(20路激光束 )
的装置目录中国上海光机所用于直接驱动的六路激光装置：
“神光”激光器目录目录
间接驱动,驱动能量（来自激光束或离子束）
首先被包围靶丸的由高原子序数材料制成的壳体（黑腔）所吸收，这种吸收了大量能量的材料发射 X–射线去驱动靶丸内爆。对于最佳设计的靶,70–80%的驱动能量可以转换成
X–射线。由于 降低了对激光束均匀性的要求并降低了对由于 驱动能量分布不均匀 而引起的流体力学不稳定性的敏感度,目前世界各国已经将惯性约束聚变计划更加倾向于间接驱动方案 。
目录三,围绕冷核聚变的争论
1989年 3月 21日下午 1时，在美国犹他大学化学系主任斯坦利 ·庞斯教授和英国南安普敦大学的马丁 ·弗莱希曼教授宣布，他们 在室温下的钯电极中实现了持续的核聚变 (后被称为冷聚变 )。他们的实验是用 99.5％的重水和 0.5％的普通水，加入少量的氘氧化锂，制成电解液；
用铂 (Pt)作正极，用钯 (Pd)作负极，在室温下进行电解。在实验过程中，测到了热效应 ( 输出能量大于输入能量 ) 和核产物 (? 射线和中子 )。
目录庞斯 —弗莱希曼实验装置示意图目录3月 30日,美国 伯明翰 ·杨大学的斯蒂文 ·琼斯教授
3月 31日,匈牙利 的拉乔斯 ·科苏特大学实验物理系的两位物理学家久洛 ·奇考伊和泰勃 ·斯陶里奇考伊
4月 1日,日本 农工大学的小山升教授
4月 10日上午,美国 得克萨斯 A＆ M大学的 10人小组 。
4月 11日,美国 乔治亚理工学院
4月 12日,前苏联 莫斯科大学物理系固体物理实验室
4月 17日,捷克 考美纽斯大学数学物理系
4月 18日,美国 斯坦福大学的罗伯特 ·哈吉斯教授,
4月 18日,意大利 国家替代能源委员会的以弗莱西斯科 ·斯卡拉莫为首的研究小组,
4月 19日,原 民主德国 德累斯顿工业大学的研究小组
4月 22日,北京师范大学和中国工程物理研究院 核物理与化学研究所 …… 。
目录然而,也有许多研究小组没有能够重复出庞斯和弗莱希曼的实验结果,特别是一些 世界著名的研究机构发布了一些不利于庞斯和弗莱希曼的实验结果 。
4月 25日,美国乔治亚理工学院正式发表声明,撤回他们以前的关于测到中子的结果 。 他们解释：这是由于中子测试仪对温度的敏感性导致了错误的结论 。
5月,在美国物理学会年会上,出席会议的大多数科学家都认为庞斯和弗莱希曼的实验结论不可靠 。
6月 15日,英国政府的主要核聚变研究中心哈韦尔实验室宣布了他们的实验结果 。 这一实验室的 10位科学家花了约 3个月的时间,耗资 50万美金重复了庞斯和弗莱希曼的实验,结果既没有观察到热,也没有发现中子 。
而且,他们的实验是在与弗莱希曼的合作下进行的 。
目录怀疑冷聚变原因：
根据核物理理论,发生显著聚变反应的温度需 108
K,对庞斯和弗莱希曼等人的实验以及解释是令一些科学家难以接受的 。
关于冷聚变的争论围绕着几个问题：
1,关于冷聚变的热效应问题有的科学家认为庞斯和弗莱希曼所观察到的热效应并不是来自核反应
2,关于? 射线的测量问题认为庞斯和弗莱希曼的实验中的所谓? 射线很可能是一个假信号 。
3,关于中子的测量问题
4,关于冷聚变的理论解释问题目录关于冷聚变的最大争议：
冷聚变是否是“伪科学”或“病态科学”。
国内 有人认为冷聚变是病态科学的典型,国外 有的科学刊物提出要给庞斯和弗莱希曼颁发,可耻诺贝尔奖,。
所谓 病态科学 的主要 特征,
实验效应很弱,没有显著的因果关系；常是低统计的事例；惊人的高精密度；背离原有理论；发现者沉醉于所得结论,否认任何批评；等等 。
有人总结出冷聚变具有上述特征,实验重复性差；
超额热与核产物不匹配；中子数据在检测极限,与现有的核理论相违背；许多论文发表前未经评审等等 。
目录当然,另一方依然认为冷聚变是可信的,
它打破了传统观念,就如同科技史上许多在开始时不被人们承认的发现和发明一样 。 1993年
10月,在日本的名古屋召开了第三届国际冷聚变会议,与会者一致认为,冷聚变不是是否存在而是如何存在的问题 。
关于冷聚变的争论，涉及的问题比较多。
由于核聚变研究是探索新能源，它的成功与否对人类社会的影响非常之大。所以，冷聚变就更为世人所瞩目。无论是肯定它，还是否定它都应该比较慎重。现在还一下子分辨不清，就让科学发展本身去评判。
目录
§ 6.4.4 核磁共振核磁共振是在恒磁场中,磁矩不为零的原子核受射频场的激励,发生磁能级间共振跃迁的现象 。 1946年 E.M.珀塞耳和 F.布洛赫等人分别在实验上实现了固体石蜡和液体水分子中氢核的共振吸收 。 此后核磁共振技术迅速发展,目前,核磁共振已成为波谱学中的一个重要分支 。
影视资料片,核磁共振目录
§ 6.5 粒子物理学与粒子标准模型
§ 6.5.1 粒子物理学简介粒子物理学又称高能物理学或基本粒子物理学,物理学的一个分支学科 。 它研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构性质和在很高的能量下,这些物质相互转化的现象,以及产生这些现象的原因和规律 。 它是一门基础学科,是当代物理学发展的前沿之一 。 粒子物理学是以实验为基础,而又基于实验和理论密切结合发展的,它大致经历了三个阶段 。
目录一,第一阶段 ( 1897年～ 1937年 )
1897年,J.J.汤姆孙 在实验上发现了电子,
1911年,卢瑟福 证实了带正电的原子核的存在,
1932年,查德威克 发现了中子 。
1905年,爱因斯坦 提出电磁场的基本结构单元是光子,
1922年,康普顿 等人的实验证实光子是一种,基本粒子,。
查德威克康普顿目录
1931年,泡利又从理论上假设存在一种没有静止质量的粒子 ──
中微子
1932年,安德森利用放在强磁场中的云室记录宇宙线粒子时发现的 。
安德森目录二、第二阶段 (1937年～ 1964年 )
1,?子的发现
1934年,汤川秀树为解释核子间强作用,提出?子 。
1936年,安德森和尼德迈耶实验上确认?子 。
2,?介子和奇异粒子的发现
1948年由张文裕直接的证明用? 子存在 。
汤川秀树张文裕目录世界上第一台回旋加速器目录美国费密国家加速器实验室目录美国斯坦福直线加速器中心目录日本KEK
加速器实验室目录德国 DESY加速器实验室目录德国达姆施塔特重离子加速器目录欧洲核子中心（ CERN）
目录欧洲核子中心UA
1
强子量能器目录中国第一台回旋加速器目录中国第一台电子辐射加速器目录中科院 10MeV质子直线加速器目录中科院加速器的加速腔目录中科院
7
5
0keV
预注入器目录中科院 90MeV 加速器全貌目录
3,新粒子大发现和强作用 SU(3)对称性的建立
1959年,中国的王淦昌发现反超子
1961年,由盖耳曼及奈曼提出的,用强相互作用的
SU(3)对称性来对强子进行分类的,八重法,。
盖耳曼王淦昌目录
4,量子场论和重正化理论的发展施温格、朝永振一郎、费因曼和戴森等人的努力，解决了量子电动力学中出现的发散困难
5、探索强作用的基本理论
1955年,发现了?-? 之谜 。
1956年,李政道和杨振宁提出在弱作用中宇称是不守恒的,也不存在? -?之谜 。
1957年,吴健雄小组在极化原子核 60Co的 β衰变的实验中,证实了宇称不守恒 。
费因曼目录李政道和杨振宁 吴健雄目录三,第三阶段 (1964～ )
1,夸克假说的提出
1961年,在实验上发现了不少共振态 。 1964年,已发现的基本粒子 （ 包括共振态 ） 的种类增加到上百种,
因而使得盖耳曼和兹韦克提出,产生 SU(3)对称性的基础就是构成所有强子的构造单元,它们一共有 u,d,s
三种,并命名为夸克 (quark)。
60年代以来,在宇宙线中,加速器上以及在岩石中,都进行了对夸克的实验找寻,但迄今还没有被确证为成功的报道 。 由于大量的实验没有找到自由夸克,
目前理论上流行的看法是需要作无穷大的功才能把两个夸克完全分开 。 从而夸克不能以自由的状态出现,
这种性质,叫做夸克囚禁 。 不过这仅仅是在实验上及理论上尚未得到完全证实的假说 。
目录2,强子内部结构的实验证据在 60年代和 70年代,虽然在加速器上没有找到夸克 。
但却得到了间接的,更有力地说明夸克存在的证据 。
1967年泰勒,弗里德曼,肯德尔和 12 位同事开始用斯坦福直线福加速器 （ SLAC） 加速高能电子轰击质子以探测来质子的内部结构,发现质子内部有着几乎是自由的点状的结构 。 类似的实验后来也在中子上进行,
得到了相同的结论 。
泰勒 弗里德曼 肯德尔目录
SLAC的巨型电子探测器目录
3,第四种和第五种夸克
1974年，丁肇中、里希特等分别在质子加速器和正负电子对撞机的实验中发现了一种新粒子
J；它的质量很大，而寿命却比大部分共振态小一万倍，这必须解释为它是由一个新的夸克 c 和它的反粒子所构成。这种新的夸克 c，具有一种新的量子数 ──粲数 C，它的电荷是 2e / 3。
第四种夸克及粲数的存在,不久便因新粒子
’,?’’,D,F,ηc 等的发现而得到进一步的证实 。 1977年,莱德曼等发现了第五种夸克,
丁肇中目录4、轻子的新发现自从 1962年利用大型火花室,在实验上证实了两类中微子分成?e和 之后,长时间内已知的轻子就只有四种,( e,?e )和 (?, ),但是到了 1975年佩尔等在 e+e- 对撞实验中发现了一个新的轻子?,它的质量很大,达质子的两倍,所以又叫 重轻子 。 与它相应,
普遍相信应有另一种中微子 存在 。
的发现使轻子增加到三代,( e,?e ),(?, ),(?,
) 。 不少物理学家对中微子 的存在并不怀疑,这种对称性强烈地 意味着一种新的夸克 ──第 6种夸克 t
── 的存在,它应当带有 2e / 3的电荷和一种新的量子数 ──顶数 T。
1984年在欧洲核子中心 (CERN)发现了可能存在有第六个夸克的迹象,这种夸克称为顶夸克 。 据 1994年报道,实验中找到了顶夸克 。
目录表 6-5-1 夸克与轻子的性质夸克 d u s c b t
质量 (GeV) 0.34 0.33 0.54 1.5 4.5 175
电荷 -1/3 2/3 -1/3 2/3 -1/3 2/3
轻子 e
质量 (GeV) 0.51 <10-5 106 <0.5 1784 ＜ 160
电荷 -1 0 -1 0 -1 0
e?
目录
5,电弱统一理论的建立
1961年,格拉肖提出电磁相互作用和弱相互作用的统一理论 。 这个理论的基础,是杨振宁和密耳斯在 1954年提出的非阿贝耳规范场论 。
格拉肖提出,电磁相互作用规范场粒子是光子；
弱相互作用规范场粒子有三种,W+,W- 和 Zo 。
在这个理论中,两种相互作用是统一的,两种耦合常数有着确定的关系 。 但是在这个理论里,
W?和 Zo粒子是否具有静止质量,理论上如何重正化等问题,没有得到解答 。
目录
1967～ 1968年,温伯格,萨拉姆阐明了作为规范场粒子的 W?,Zo是可以有静止质量的,还算出这些静止质量同弱作用耦合常数以及电磁作用耦合常数的关系 。 这个理论中很重要的一点是预言弱中性流的存在 。
1973年,美国费密实验室和欧洲核子中心在实验上相继发现了弱中性流,1983年,鲁比亚实验组发现 W?和
Zo规范粒子,质量 ( mW ≈ 80 GeV,mZ ≈ 90 GeV)及特性同理论上期待的完全相符,
萨拉姆温伯格目录
6,强相互作用研究的进展
1973年,由于非阿贝耳定域规范场理论的进展,霍夫特,格罗斯等人发展了强相互作用的 量子色动力学理论 。 认为夸克之间的强相互作用则是由于交换胶子 （ 没有静止质量,带有电荷 ） 而产生的 。
目录
§ 6.5.2 粒子标准模型
1,物质世界是由 62 种粒子构成
13 种规范玻色子,其中 8种胶子 g,还有光子?,
W+,W-,Z和引力子各 1种；
48 种费密子,其中 6种轻子 （ e-,?e,?-,、
-, ）,18种夸克 [6种夸克 （ d,u,s,c,b、
t）,每种夸克有 3色 ] 及其它们的反粒子；
1 种 Higgs 粒子 （ 自旋为零的粒子,不带电 ） 。
这 62 种粒子中，实验上现在还没得到存在的直接证据是 Higgs 粒子和引力子 2 种粒子。其中引力子作用太弱，不能直接观测。唯一的应该能找到但还没有找到的粒子是 Higgs 粒子。
目录2,粒子之间的四种基本相互作用
(1)色相互作用,媒介粒子为 胶子 g；
(2) 电弱相互作用,媒介粒子为?,W+,W-,Z 。
能量低于 250 GeV 时分解为性质和行为很不相同的两种相互作用：① 电磁相互作用，其媒介粒子为? ；② 弱相互作用，其媒介粒子为 W+,W-,Z 。
(3) 引力相互作用,媒介粒子为 引力子 。
(4) Higgs 粒子汤川相互作用,媒介粒子为 Higgs
粒子 。图 6-4-28温伯格 图 6-4-29萨拉姆目录§ 6.5.3杨振宁,李政道和吴健雄对宇称美的研究杨振宁和李政道都是中国血统的美籍物理学家 。
他们因发现了微观粒子在弱相互作用条件下宇称不守恒定律而获得 1957年的诺贝尔物理学奖 。 从他们的科学研究工作中,我们可以看出正确运用科学美学原则,
对于科学发现具有重要的启发作用 。
目录空间坐标平移不变性 ——动量守恒定律 。
时间坐标平移不变性 ——能量守恒定律 。
空间取向不变性 ——角动量守恒定律 。
电荷数不变性 ——电荷数守恒定律 。
现在物理学家已发现的守恒律大约有 12个左右 。 在 50年代初期,物理学家认为这些守恒定律是普遍适用的 。
目录宇称可以用镜子的对称性简要加以说明 。
平面镜中的像与现实世界的物,如果是一模一样的,那么我们就很难分清哪个是现实世界的物,哪个是平面镜中的像 。 这个性质通常被物理学家称为 空间反演 或 镜向反演不变性,也可叫做 左右对称性 。 如果说,物理规律对于现实世界的物或像是无关的,那么我们就无法利用规律本身来判断物理过程是在物方进行,还是在像方进行 。 也就是说,我们无法利用规律本身来判断过程进行的是物还是像 。 这些规律,对于物和像是一致的,物理系统这种特性美叫做宇称守恒性,相应的规律服从宇称守恒定律 。
目录对应于空间反演这个运算的物理量叫做 宇称 。
空间反演：
从 1953年到 1956年间,人们发现?粒子,?
粒子,但存在 τ–θ难题 。
x x
y y
y
x
zz
z
o o o
镜向对称等价镜向对称等价目录杨振宁和李政道在 1956年夏天,提出了宇称守恒定律可能在弱相互作用条件下遭到破缺的革命性见解,并认为这种见解完全可以用设计精湛的实验来加以验证 。 他们认为,可以用在弱相互作用条件下粒子旋向性的实验来检验宇称守恒定律 。 如果粒子的旋向性是镜向对称的,那么它就是宇称守恒的；如果它是镜向不对称的,那么它就是宇称不守恒的 。 他们还具体建议测量被极化原子核的?衰变射出来的电子运动方向的角分布 。 他们所谓被极化的原子核,
指的是自旋被整齐排列起来的那些原子核 。
目录美籍中国女物理学家,哥伦比亚大学教授吴健雄用实验来验证杨振宁,李政道的理论猜测 。
吴健雄目录在弱相互作用条件下,宇称守恒定律的美遭到了破坏,是不是科学美学就没有用了呢？
不是的 。
PCT定理,所有规律在空间反演 P,电荷共轭
C和时间反演 T的复合变换下,都具有不变性的美 。
通过杨振宁,李政道和吴健雄对宇称守恒美的研究,可看出,任何科学美学范畴,包括象守恒这种不变性的美都是相对的,有条件的,自然界不存在绝对不变的美 。
目录骑士图目录
§ 6.5.4 丁肇中和 J 粒子的科学美学价值丁肇中是美籍中国物理学家 。 他因 1974年在美国布鲁克海文国立实验室发现了一种新的基本粒子 —— J
粒子,获得了 1976年诺贝尔物理学奖金 。
目录
1964年,反欧米伽粒子被发现以后,夸克模型取得了极大的成功 。 盖尔曼提出的
SU(3)对称性理论,经格林伯补充了颜色自由度的理论后,已经变得 完美无缺 了 。 物理学家利用了 SU(3)理论预言反欧米伽粒子的存在,实验发现这个新粒子的性质与理论预言完全一致 。 这种理论形式是完整对称的,
因而显得很美 。 人们比喻 SU(3)理论象已被各种元素填满空格的美妙的周期表 。 物理学界沉湎于这种美满的幸福之中 。
目录
J 粒子的突然发现,完全推翻了 SU(3)理论的完美无缺性 。 物理学家猜想,夸克不止三种,
可能有被称为粲夸克的第四种夸克存在 。 这就为建立新的,更完善的理论提供了实验事实 。 J
粒子的发现,间接证实 20世纪 60年代末,有些物理学家为了解释弱相互作用现象时曾经提出过的粲粒子假说,同时还隐约地表明,在弱相互作用,强相互作用和电磁相互作用之间,存在着某种内在的,必然的联系 。 这激发起基本粒子物理学家探索新的美的规律的极大热情 。
目录发现 J 粒子的审美过程中所得到的几点启发：
第一,要敢于怀疑现有理论的完美性 。
第二,实验设计需要科学美学的直觉力 。
很多物理学家认为,提高粒子能量是发现新的粒子唯一的一条途径 。
可是丁肇中认为,提高粒子能量并不是唯一的一条途径 。 丁肇中觉得,通过提高仪器分辨率的途径,也可以发现原来被忽略掉的美 。
第三,实验过程中也需要科学美学的直觉力 。
第四,实验科学也有美感的问题 。
目录
§ 6.5.5 层子模型中的科学美学思想我国物理学家朱洪元,何柞庥,戴元本等在辩证唯物主义指导下,于 20世纪 60年代中期提出了基本粒子的层子模型 。
提出这个 层子模型的科学美学思想,
自然界既然存在着具有质的差异的无限层次,
而各种层次的区分又是自然界和谐的一种表现形式,那么基本粒子内部的和谐与秩序,也应当通过相应层次的结构表现出来 。
目录自从丁肇中 1974年发现 J 粒子以后,1976年又有其他物理学家发现了 D粒子,实验已完全肯定了第四种夸克 ——粲夸克的存在 。 1977年重轻子? 的发现,又肯定了第五种夸克的存在 。 根据科学美学原理,物理学家推测必然存在第六种夸克 。 这样夸克 ——轻子家族就明显地分为三个不同的亚层次：
第一层次,u,d,?e,e,
第二层次,c,s,,?,
第三层次,t,b,,?。
夸克 -轻子家族的这三个不同层次存在着明显的规律性,
或者说它们明显地按照美的规律相互区分 。
目录?层子模型在科学美学上的贡献：
在一定程度上触及了一些物质结构美方面的根本问题，例如基本粒子是不是就是基本的？它们会不会由自然界中更基本的物质组分构成？基本粒子某些带规律性的特征是不是反映了自然界更本质的规律？
层子模型在科学美学上的启发作用,
引导人们进一步探索自然界的大统一理论 。 物理学家认为,大统一理论不但可以揭示弱,电,强相互作用的共同本质,而且还可以说明夸克与轻子之间的一些关系,可以预言质子不稳定性等重要特性 。 在大统一理论中,SU(3)群理论应当发展为 SU(5)群理论,今后也许会有更加完美的 SU(6)群理论来研究基本粒子的分类问题 。 我们可以猜测,Su(6)群理论是一种对完全等价,完全对称的六个夸克子最自然的数学描述 。
目录
§ 6.5.6 现代物质观物质观是自然观的主要部分；因为客观世界以物质性为第一性，世界万物全为物质体，这是人类对自然界认识的最基本内容，
唯物主义者都具有这样的看法。然而，对世界物质性的认识，随着自然科学、特别是物理学的发展，在不断地加深，并且在蕴含上日益充实、丰富，甚至因新物理理论的建树而发生明显的转变。
目录牛顿力学建立后的 近代物质观 （有四层含义）
第 1，以实物物质和物质之间的相互作用场 ——
电磁辐射场和引力场为两类物质形态。相互作用场是连续场，其运动变化呈现波动性；物质的最小组元是原子，但已预料物质无限可分。
第 2，表示实物物质和作用场的运动性状的种种物理量都连续地变化，其运动满足严格的因果律，符合纯粹的决定论原则。
第 3，物质在时空中运动，但物质运动与时空彼此无影响。
第 4，物质客体不依赖于认识主体而独立存在，
物质客体等同于物理实在，实在概念并不受制于认识主体的观察测量对客体性状的干扰。
目录量子论和相对论的诞生和发展赋予 现代物质观,
1.大质量的宏观,宇观物质体系激发的引力场导致时空弯曲,物质与时空结合为统一体,物质运动与时空结构相互关联 。
2.高速运动的物质体系,其基本动力学性质和时空量度均受到运动的显著影响,从而体现唯物辩证法关于物质与其运动的统一性 。
3.物质微观层面显示实物粒子与辐射场的统一性,
这两类物质形态的任何体系都呈现波粒二重性的共同征状；集波动性和粒子性,连续性和分立性于一体的量子场是物质存在最基本的形式 。
目录
4,微观层面与宏观、宇观层面的物质运动相比较，是前者以非连续性取代了后者的连续性；作用量子使微观物质体系运动显露种种量子化效应。
5,物质结构层次渐趋深入，但似乎出现难于继续分割的“基底”粒子，各“基底”粒子与强作用、弱作用、电磁作用、引力作用等相互作用场，随着能量尺度的提高，表现出最终趋于同一物质形态的可能性。
目录
6,微观物质体系的运动不满足严格的因果律,
不符合纯粹的决定论原则,其固有的统计性规律亦起因于作用量子的存在 。
7,物质客体当然不依赖于认识主体而独立存在,但认识主体的观察测量会对物质客体性状产生不可忽略,不可控制的干扰,从而使主体所认识到的物理实在不同于,也不可能同于物质客体的自在状态,亦即实在概念必然受制于,既为观众,又为演员,
的认识主体所进行的观察测量 。
目录
§ 6.6 纳米技术
§ 6.6.1 纳米科技的基本概念和内涵早在 1959年,美国著名的物理学家,诺贝尔奖获得者费曼就设想：,如果有朝一日人们能把百科全书存储在一个针尖大小的空间内并能移动原子,那么这将给科学带来什么？,这正是对纳米科技的预言,也就是人们常说的小尺寸大世界 。
纳米科学技术基本涵义是在纳米尺寸 (10-9 ～ 10-7m)范围内认识和改造自然,
通过直接操作和安排原子,分子创制新的物质 。
纳米科技是研究由尺寸在 0.1 ～ 100 nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术 。
目录
纳米科技主要包括,
(1)纳米体系物理学； (2)纳米化学；
(3)纳米材料学； (4)纳米生物学；
(5)纳米电子学 (6)纳米加工学； (7)纳米力学,
纳米新科技重要进展,
(1) 利用扫描隧道电子显微镜直接操作原子
(2) 纳米材料的奇异特性
(3) 纳米生物学 ——基因工程
(4) 纳米微机械和机器人目录
§ 6.6.2 纳米技术研究的对象和发展的历史一,纳米技术研究的对象
纳米颗粒限制到 1～ 100 nm范围 。
纳米材料的基本单元可以分为三类：
(i)0维,指在空间三维尺度均在纳米尺度,
如 量子点,纳米尺度颗粒,原子团簇 等；
(ii)1维,指在空间有两维处于纳米尺度,
如 量子线,纳米丝,纳米棒,纳米管 等；
(iii)2维,指在三维空间中有一维在纳米尺度,
如 量子阱,超薄膜,多层膜；超晶格 等 。
目录纳米材料可分为人工制备与天然天然：
天体的陨石碎片,人体和兽类的 牙齿
蜜蜂,蜜蜂的体内存在磁性的纳米粒子,具有,罗盘,
的导航作用,并利用这种,罗盘,来确定其周围环境在自己头脑里的图像而判明方向 。
了解 螃蟹 的进化历史：螃蟹原先并非,横行,运动,而是前后运动,这是因为亿万年前的螃蟹 第一对触角里有几颗用于 定向的磁性纳米微粒 ——小指南针 。 螃蟹的祖先靠这种,指南针,前进后退 。 后来,由于地球的磁场发生了多次剧烈的倒转,使螃蟹体内的小磁粒失去了原来的定向作用,于是使它失去了前后行动的功能,变成了横行 。
大海龟,海龟的头部有磁性的纳米微粒,起导航作用 。
目录二、纳米技术发展简史
1000多年前 。 中国古代 墨,染料 ；
中国古代 铜镜 表面的 防锈层,证实为纳米氧化锡颗粒构成的一层薄膜；
约 1861年,对直径为 1～ 100 nm的粒子系统即所谓胶体的研究
1962年,久保及其合作者针对金属超微粒子的研究,
提出了著名的 久保理论
1963年,Uyeda及其合作者用气体冷凝法,对单个的金属超微颗粒的形貌和晶体结构进行了透射电子显微镜研究 。
1970年,江崎与朱兆祥首先提出了 半导体超晶格的概念,张立纲和江崎等在实验中 实现了量子阱和超晶格,
观察到了极其丰富的物理效应 。
目录
20世纪 70年代末到 80年代初,对一些纳米颗粒的结构,形态和特性进行了比较系统的研究 。
描述金属颗粒费米面附近电子能级状态的久保理论日臻完善,在用量子尺寸效应解释超微颗粒的某些特性时获得成功 。
1984年,德国萨尔大学的 G1eiter教授等人首次制备了纳米粒子,加压成纳米固体,并提出了纳米材料界面结构模型 。 随后发现 CaF2纳米离子晶体和 TiQ2纳米陶瓷在室温下出现良好韧性,
使人们看到了陶瓷增韧的新的战略途径 。
1985年,Kroto等采用激光加热石墨蒸发并在甲苯中形成碳的团簇 ——C60
目录
1990年 7月 在美国巴尔的摩召开了国际第一届纳米科学技术学术会议,正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支公布于世,
这标志着纳米材料学作为一个相对比较独立学科的诞生 。
1994年 在美国波士顿召开的 MRS秋季会议上正式提出纳米材料工程 。 并决定出版,纳米结构材料,,,纳米生物学,和,纳米技术,
的正式学术刊物 。
目录纳米材料发展的 3个阶段
第一阶段 (1990年以前 )：主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体,合成块体 (包括薄膜 ),研究评估表征的方法,探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能 。 研究的对象一般局限在单一材料和单相材料,国际上通常把这类纳米材料称纳米晶或纳米相材料 。
第二阶段 (1994年前 )：热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理,化学和力学性能,设计纳米复合材料,通常采用纳米微粒与纳米微粒复合,纳米微粒与常规块体复合及发展复合纳米薄膜,国际上通常把这类材料称为纳米复合材料 。
第三阶段 (从 1994年到现在 )：纳米组装体系,人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注或者称为纳米尺度的图案材料 。
目录
§ 6.6.3 纳米材料与其他学科的交叉,渗透纳米材料 ——凝聚态物理纳米材料 ——半导体材料纳米材料 ——化学纳米材料 ——复合材料纳米材料 ——医学药物目录
§ 6.6.4 纳米材料在高科技中的地位
以单电子隧道效应为基础的 单电子晶体管 （ 日本 ）
高速数据处理提供 分子电子器件及阵列 （ 德国 ）
开始用 分子电子器件,量子效应器件开发生物计算机
（ 日本 ） 。
21世纪电子工业的关键材料都具有纳米结构比例芯片中的各个元件之间的耦合,纳米尺寸的开关材料,敏感材料,纳米级半导体 /铁电体,纳米级半导体 /铁磁体,纳米金属 /纳米半导体集成的超结构材料,
单电子晶体管材料,用于存储的巨磁阻材料,超小型电子干涉仪所需材料,电子过滤器材料,智能材料,
新型光电子材料等 。
目录
§ 6.6.5 纳米结构和纳米材料的应用一,纳米结构的应用
1,量子磁盘与高密度磁存储
2,高密度记忆存储元件
3,高效能量转化纳米结构
(1) 高效再生锂电池：
(2)太阳能电池：
(3)热电转化量子磁盘扫描电镜像目录4,微型传感器
(1) 气体传感器 (2) 红外线传感器
(3) 湿敏传感器：
5,纳米结构高效电容器阵列
Au超微粒膜红外传感器超微粒气体感应 膜的结构模型目录二,纳米材料的应用
1,陶瓷增韧
2,磁性材料
(1) 巨滋电阻村料,所谓巨磁阻就是指在一定的磁场下电阻急剧减小 。 巨磁电阻效应是 1986年德国的
Grünberg教授首先发现的新现象 。
应用器件,读出磁头,测量位移传感器,角度传感器,
微弱磁场探测器,超微磁场探测器,超导量子相干器件,超微霍尔探测器,
随机存储器 (MRAM),1995年报道自旋阀型 MRAM记忆单位的开关速度为亚纳秒级,256 Mbit的 MRAM
芯片亦已设计成功,成为可与半导体随机存储器
(DRAM,SBAM)相竞争的新型内存储器 。
目录
(2) 新型的磁性液体
① 旋转轴的动态密封
② 新型的润滑剂
③ 增进扬声器功率
④ 作阻尼器件
(3) 新型的磁记录材料磁性纳米微粒由于尺寸小,具有单磁畴结构,矫顽力很高的特性,用它制作磁记录材料可以提高信噪比,改善图像质量,
目录三,在生物和医学上的应用
1,细胞分离
2,细胞内部染色：容易分辨各种组织
3,表面包敷的磁性纳米粒子在药物上的应用
纳米微粒的磁性导航,使其移向病变部位,
达到定向治疗的目的 。
磁性纳米粒子在分离癌细胞和正常细胞方面经动物临床试验己获成功目录包覆聚苯乙烯 Fe3O4纳米微粒分离小鼠骨髓液癌细胞实验示意图目录四,光学应用
1,红外反射材料纳米微粒用于红外反射材料上主要制成薄膜和多层膜来使用 。
红外线反射膜的构造目录主要红外线反射膜的组成,材料,制造方法形 式 组 成 材 料 制造方法金属薄膜 Au,Ag,Cu 金属 真空蒸镀法透明导电膜 SnO2,In2O3
金属氧化物其他化合物真空蒸镀法溅射法喷雾法多层干涉膜 (1)
(电介质 -电介质 )
ZnS - MgF2
TiO2 - SiO2
Ta2O3 - SiO2
有机金属化合物氧化物其他化合物真空蒸镀法
CVD法浸渍法多层干涉膜 (2)
(电介质 -金属 -电介质 )
TiO2–Ag-TiO2
TiO2-MgF2-Ge-
MgF2
氧化物金属真空蒸镀法溅射法目录红外线反射膜的特点金属 -电解质复合膜 导电膜 电解质多层膜光学特性 优 中 良耐热性 差 良 优成本 中 低 高目录
2,优异的光吸收材料
(1)紫外吸收
Al2O3粉掺合到稀土荧光粉吸收 185 nm,提高日光灯管使用寿命 。
防晒油,
防止塑料,树脂和橡胶类的高聚物老化,
油漆脱落
(2)红外吸收,
红外线进行屏蔽
增加保暖作用
3,隐身材料目录五,在其他方面的应用
纳米抛光液
纳米静电屏蔽材料
纳米微粒消毒杀菌
纳米导电浆料
纳米助燃剂,阻燃剂
纳米印刷油墨
提高橡胶耐磨性
改善了玻璃的脆性,
提高 Al合金的强度和韧性资料片,
纳米材料
