物理學(xué)發(fā)展簡史

1、原子物理學(xué)發(fā)展簡史原子物理學(xué)是研究原子的結(jié)構(gòu)、運動規(guī)律及相互作用的物理學(xué)分支。它主要研究：原子的電子結(jié)構(gòu)；原子光譜；原子之間或與其他物質(zhì)的碰撞過程和相互作用。 經(jīng)過相當長時期的探索，直到20世紀初，人們對原子本身的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部運動規(guī)律才有了比較清楚的認識，之后才逐步建立起近代的原子物理學(xué)。 1897年前后，科學(xué)家們逐漸確定了電子的各種基本特性，并確立了電子是各種原子的共同組成部分。通常，原子是電中性的，而既然一切原子中都有帶負電的電子，那么原子中就必然有帶正電的物質(zhì)。20世紀初，對這一問題曾提出過兩種不同的假設(shè)。 1904年，湯姆遜提出原子中正電荷以均勻的體密度分布在一個大小等于整個原子的球體內(nèi)

2、，而帶負電的電子則一粒粒地分布在球內(nèi)的不同位置上，分別以某種頻率振動著，從而發(fā)出電磁輻射。這個模型被形象的比喻為“果仁面包”模型，不過這個模型理論和實驗結(jié)果相矛盾，很快就被放棄了。1911年盧瑟福在他所做的粒子散射實驗基礎(chǔ)上，提出原子的中心是一個重的帶正電的核，與整個原子的大小相比，核很小。電子圍繞核轉(zhuǎn)動，類似大行星繞太陽轉(zhuǎn)動。這種模型叫做原子的核模型，又稱行星模型。從這個模型導(dǎo)出的結(jié)論同實驗結(jié)果符合的很好，很快就被公認了。繞核作旋轉(zhuǎn)運動的電子有加速度，根據(jù)經(jīng)典的電磁理論，電子應(yīng)當自動地輻射能量，使原子的能量逐漸減少、輻射的頻率逐漸改變，因而發(fā)射光譜應(yīng)是連續(xù)光譜。電子因能量的減少而循螺線逐漸接

3、近原子核，最后落到原子核上，所以原子應(yīng)是一個不穩(wěn)定的系統(tǒng)。 但事實上原子是穩(wěn)定的，原子所發(fā)射的光譜是線狀的，而不是連續(xù)的。這些事實表明：從研究宏觀現(xiàn)象中確立的經(jīng)典電動力學(xué)，不適用于原子中的微觀過程。這就需要進一步分析原子現(xiàn)象，探索原子內(nèi)部運動的規(guī)律性，并建立適合于微觀過程的原子理論。 1913年，丹麥物理學(xué)家玻爾在盧瑟福所提出的核模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合原子光譜的經(jīng)驗規(guī)律，應(yīng)用普朗克于1900年提出的量子假說，和愛因斯坦于1905年提出的光子假說，提出了原子所具有的能量形成不連續(xù)的能級，當能級發(fā)生躍遷時，原子就發(fā)射出一定頻率的光的假說。 玻爾的假設(shè)能夠說明氫原子光譜等某些原子現(xiàn)象，初次成功地建立了一

4、種氫原子結(jié)構(gòu)理論。建立玻爾理論是原子結(jié)構(gòu)和原子光譜理論的一個重大進展，但對原子問題作進一步的研究時，卻顯示出這種理論的缺點，因此只能把它視為很粗略的近似理論。 1924年，德布羅意提出微觀粒子具有波粒二象性的假設(shè)，以后的觀察證明，微觀粒子具有波的性質(zhì)。1926年薛定諤在此基礎(chǔ)上建立了波動力學(xué)。同時，其他學(xué)者，如海森伯、玻恩、狄喇克等人，從另外途徑建立了等效的理論，這種理論就是現(xiàn)在所說的量子力學(xué)，它能很好地解釋原子現(xiàn)象。 20世紀的前30年，原子物理學(xué)處于物理學(xué)的前沿，發(fā)展很快，促進了量子力學(xué)的建立，開創(chuàng)了近代物理的新時代。由于量子力學(xué)成功地解決了當時遇到的一些原子物理問題，很多物理學(xué)家就認為原

5、子運動的基本規(guī)律已清楚，剩下來的只是一些細節(jié)問題了。 由于認識上的局限性，加上研究原子核和基本粒子的吸引，除一部分波譜學(xué)家對原子能級的精細結(jié)構(gòu)與超精細結(jié)構(gòu)進行了深入的研究，取得了一些成就外，很多物理學(xué)家都把注意力集中到研究原子核和基本粒子上，在相當長的一段時間里，對原子物理未能進行全面深入的研究，使原子物理的發(fā)展受到了一定的影響。 20世紀50年代末期，由于空間技術(shù)和空間物理學(xué)的發(fā)展，工程師和科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，只使用已有的原子物理學(xué)知識來解決空間科學(xué)和空間技術(shù)問題已是很不夠了。過去，人們已精確測定了很多譜線的波長，深入研究了原子的能級，對譜線和能級的理論解釋也比較準確。 但是，對譜線強度、躍遷幾率

6、、碰撞截面等這些空間科學(xué)中非常重要的基本知識，則了解得很少，甚至對這些物理量的某些參數(shù)只知道其量級。核試驗中遇到的很多問題也都與這些知識有關(guān)。因此還必須對原子物理進行新的實驗和理論探討。 原子物理學(xué)的發(fā)展對激光技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，作出過很大的貢獻。激光出現(xiàn)以后，用激光技術(shù)來研究原了物理學(xué)問題，實驗精度有了很大提高，因此又發(fā)現(xiàn)了很多新現(xiàn)象和新問題。射頻和微波波譜學(xué)新實驗方法的建立，也成為研究原子光譜線的精細結(jié)構(gòu)的有力工具，推動了對原子能級精細結(jié)構(gòu)的研究。因此，在20世紀50年代末以后，原子物理學(xué)的研究又重新被重視起來，成為很活躍的領(lǐng)域。 近十多年來，對原子碰撞的研究工作進展很快，已成為原子物理學(xué)的

7、一個主要發(fā)展方向。目前原子碰撞研究的課題非常廣泛，涉及光子、電子、離子、中性原子等與原子和分子碰撞的物理過程。與原子碰撞的研究相應(yīng)，發(fā)展了電子束、離子束、粒子加速器、同步輻射加速器、激光器等激光源、各種能譜儀等測譜設(shè)備，以及電子、離子探測器、光電探測器和微弱信號檢測方法，還廣泛地應(yīng)用了核物理技術(shù)和光譜技術(shù)，也發(fā)展了新的理論和計算方法。電子計算機的應(yīng)用，加速了理論計算和實驗數(shù)據(jù)的處理。 原子光譜與激光技術(shù)的結(jié)合，使光譜分辨率達到了百萬分之一赫茲以下，時間分辨率接近萬億分之一秒量級，空間分辨達到光譜波長的數(shù)量級，實現(xiàn)了光譜在時間、空間上的高分辨。由于激光的功率密度已達到一千萬瓦每平方厘米以上，光波

8、電場場強已經(jīng)超過原子的內(nèi)場場強，強激光與原子相互作用產(chǎn)生了飽和吸收和雙光子、多光子吸收等現(xiàn)象，發(fā)展了非線性光譜學(xué)，從而成為原了物理學(xué)中另一個十分活躍的研究方向。 極端物理條件(高溫、低溫、高壓、強場等)下和特殊條件(高激發(fā)態(tài)、高離化態(tài))下原子的結(jié)構(gòu)和物性的研究，也已成為原子物理研究中的重要領(lǐng)域。 原子是從宏觀到微觀的第一個層次，是一個重要的中間環(huán)節(jié)。物質(zhì)世界這些層次的結(jié)構(gòu)和運動變化，是相互聯(lián)系、相互影響的，對它們的研究缺一不可，很多其他重要的基礎(chǔ)學(xué)科和技術(shù)科學(xué)的發(fā)展也都要以原子物理為基礎(chǔ)，例如化學(xué)、生物學(xué)、空間物理、天體物理、物理力學(xué)等。激光技術(shù)、核聚變和空間技術(shù)的研究也要原子物理提供一些重要

9、的數(shù)據(jù)，因此研究和發(fā)展原子物理這門學(xué)科有著十分重要的理論和實際意義。 電磁學(xué)發(fā)展簡史電磁學(xué)是研究電、磁和電磁的相互作用現(xiàn)象，及其規(guī)律和應(yīng)用的物理學(xué)分支學(xué)科。根據(jù)近代物理學(xué)的觀點，磁的現(xiàn)象是由運動電荷所產(chǎn)生的，因而在電學(xué)的范圍內(nèi)必然不同程度地包含磁學(xué)的內(nèi)容。所以，電磁學(xué)和電學(xué)的內(nèi)容很難截然劃分，而“電學(xué)”有時也就作為“電磁學(xué)”的簡稱。 期，由于磁現(xiàn)象曾被認為是與電現(xiàn)象獨立無關(guān)的，同時也由于磁學(xué)本身的發(fā)展和應(yīng)用，如近代磁性材料和磁學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新的磁效應(yīng)和磁現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用等等，使得磁學(xué)的內(nèi)容不斷擴大，所以磁學(xué)在實際上也就作為一門和電學(xué)相平行的學(xué)科來研究了。 電磁學(xué)從原來互相獨立的兩門科學(xué)(電學(xué)、

10、磁學(xué))發(fā)展成為物理學(xué)中一個完整的分支學(xué)科，主要是基于兩個重要的實驗發(fā)現(xiàn)，即電流的磁效應(yīng)和變化的磁場的電效應(yīng)。這兩個實驗現(xiàn)象，加上麥克斯韋關(guān)于變化電場產(chǎn)生磁場的假設(shè)，奠定了電磁學(xué)的整個理論體系，發(fā)展了對現(xiàn)代文明起重大影響的電工和電子技術(shù)。 麥克斯韋電磁理論的重大意義，不僅在于這個理論支配著一切宏觀電磁現(xiàn)象(包括靜電、穩(wěn)恒磁場、電磁感應(yīng)、電路、電磁波等等)，而且在于它將光學(xué)現(xiàn)象統(tǒng)一在這個理論框架之內(nèi)，深刻地影響著人們認識物質(zhì)世界的思想。 電子的發(fā)現(xiàn)，使電磁學(xué)和原子與物質(zhì)結(jié)構(gòu)的理論結(jié)合了起來，洛倫茲的電子論把物質(zhì)的宏觀電磁性質(zhì)歸結(jié)為原子中電子的效應(yīng)，統(tǒng)一地解釋了電、磁、光現(xiàn)象。 和電磁學(xué)密切相關(guān)的是

11、經(jīng)典電動力學(xué)，兩者在內(nèi)容上并沒有原則的區(qū)別。一般說來，電磁學(xué)偏重于電磁現(xiàn)象的實驗研究，從廣泛的電磁現(xiàn)象研究中歸納出電磁學(xué)的基本規(guī)律；經(jīng)典電動力學(xué)則偏重于理論方面，它以麥克斯韋方程組和洛倫茲力為基礎(chǔ)，研究電磁場分布，電磁波的激發(fā)、輻射和傳播，以及帶電粒子與電磁場的相互作用等電磁問題，也可以說，廣義的電磁學(xué)包含了經(jīng)典電動力學(xué)。光學(xué)發(fā)展簡史狹義來說，光學(xué)是關(guān)于光和視見的科學(xué)，optics(光學(xué))這個詞，早期只用于跟眼睛和視見相聯(lián)系的事物。而今天，常說的光學(xué)是廣義的，是研究從微波、紅外線、可見光、紫外線直到X射線的寬廣波段范圍內(nèi)的，關(guān)于電磁輻射的發(fā)生、傳播、接收和顯示，以及跟物質(zhì)相互作用的科學(xué)。 光學(xué)

12、是物理學(xué)的一個重要組成部分，也是與其他應(yīng)用技術(shù)緊密相關(guān)的學(xué)科。 光學(xué)是一門有悠久歷史的學(xué)科，它的發(fā)展史可追溯到2000多年前。 人類對光的研究，最初主要是試圖回答“人怎么能看見周圍的物體？”之類問題。約在公元前400多年(先秦的代)，中國的墨經(jīng)中記錄了世界上最早的光學(xué)知識。它有八條關(guān)于光學(xué)的記載，敘述影的定義和生成，光的直線傳播性和針孔成像，并且以嚴謹?shù)奈淖钟懻摿嗽谄矫骁R、凹球面鏡和凸球面鏡中物和像的關(guān)系。 自墨經(jīng))開始，公元11世紀阿拉伯人伊本海賽木發(fā)明透鏡；公元1590年到17世紀初，詹森和李普希同時獨立地發(fā)明顯微鏡；一直到17世紀上半葉，才由斯涅耳和笛卡兒將光的反射和折射的觀察結(jié)果，歸結(jié)

13、為今天大家所慣用的反射定律和折射定律。 1665年，牛頓進行太陽光的實驗，它把太陽光分解成簡單的組成部分，這些成分形成一個顏色按一定順序排列的光分布光譜。它使人們第一次接觸到光的客觀的和定量的特征，各單色光在空間上的分離是由光的本性決定的。 牛頓還發(fā)現(xiàn)了把曲率半徑很大的凸透鏡放在光學(xué)平玻璃板上，當用白光照射時，則見透鏡與玻璃平板接觸處出現(xiàn)一組彩色的同心環(huán)狀條紋；當用某一單色光照射時，則出現(xiàn)一組明暗相間的同心環(huán)條紋，后人把這種現(xiàn)象稱牛頓環(huán)。借助這種現(xiàn)象可以用第一暗環(huán)的空氣隙的厚度來定量地表征相應(yīng)的單色光。 牛頓在發(fā)現(xiàn)這些重要現(xiàn)象的同時，根據(jù)光的直線傳播性，認為光是一種微粒流。微粒從光源飛出來，在

14、均勻媒質(zhì)內(nèi)遵從力學(xué)定律作等速直線運動。牛頓用這種觀點對折射和反射現(xiàn)象作了解釋。 惠更斯是光的微粒說的反對者，他創(chuàng)立了光的波動說。提出“光同聲一樣，是以球形波面?zhèn)鞑サ摹?。并且指出光振動所達到的每一點，都可視為次波的振動中心、次波的包絡(luò)面為傳播波的波陣面(波前)。在整個18世紀中，光的微粒流理論和光的波動理論都被粗略地提了出來，但都不很完整。 19世紀初，波動光學(xué)初步形成，其中托馬斯楊圓滿地解釋了“薄膜顏色”和雙狹縫干涉現(xiàn)象。菲涅耳于1818年以楊氏干涉原理補充了惠更斯原理，由此形成了今天為人們所熟知的惠更斯-菲涅耳原理，用它可圓滿地解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象，也能解釋光的直線傳播。 在進一步的研究中

15、，觀察到了光的偏振和偏振光的干涉。為了解釋這些現(xiàn)象，菲涅耳假定光是一種在連續(xù)媒質(zhì)(以太)中傳播的橫波。為說明光在各不同媒質(zhì)中的不同速度，又必須假定以太的特性在不同的物質(zhì)中是不同的；在各向異性媒質(zhì)中還需要有更復(fù)雜的假設(shè)。此外，還必須給以太以更特殊的性質(zhì)才能解釋光不是縱波。如此性質(zhì)的以太是難以想象的。 1846年，法拉第發(fā)現(xiàn)了光的振動面在磁場中發(fā)生旋轉(zhuǎn)；1856年，韋伯發(fā)現(xiàn)光在真空中的速度等于電流強度的電磁單位與靜電單位的比值。他們的發(fā)現(xiàn)表明光學(xué)現(xiàn)象與磁學(xué)、電學(xué)現(xiàn)象間有一定的內(nèi)在關(guān)系。 1860年前后，麥克斯韋的指出，電場和磁場的改變，不能局限于空間的某一部分，而是以等于電流的電磁單位與靜電單位的

16、比值的速度傳播著，光就是這樣一種電磁現(xiàn)象。這個結(jié)論在1888年為赫茲的實驗證實。 然而，這樣的理論還不能說明能產(chǎn)生象光這樣高的頻率的電振子的性質(zhì)，也不能解釋光的色散現(xiàn)象。到了1896年洛倫茲創(chuàng)立電子論，才解釋了發(fā)光和物質(zhì)吸收光的現(xiàn)象，也解釋了光在物質(zhì)中傳播的各種特點，包括對色散現(xiàn)象的解釋。在洛倫茲的理論中，以太乃是廣袤無限的不動的媒質(zhì)，其唯一特點是，在這種媒質(zhì)中光振動具有一定的傳播速度。 對于像熾熱的黑體的輻射中能量按波長分布這樣重要的問題，洛倫茲理論還不能給出令人滿意的解釋。并且，如果認為洛倫茲關(guān)于以太的概念是正確的話，則可將不動的以太選作參照系，使人們能區(qū)別出絕對運動。而事實上，1887年

17、邁克耳遜用干涉儀測“以太風”，得到否定的結(jié)果，這表明到了洛倫茲電子論時期，人們對光的本性的認識仍然有不少片面性。 1900年，普朗克從物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)理論中借用不連續(xù)性的概念，提出了輻射的量子論。他認為各種頻率的電磁波，包括光，只能以各自確定分量的能量從振子射出，這種能量微粒稱為量子，光的量子稱為光子。 量子論不僅很自然地解釋了灼熱體輻射能量按波長分布的規(guī)律，而且以全新的方式提出了光與物質(zhì)相互作用的整個問題。量子論不但給光學(xué)，也給整個物理學(xué)提供了新的概念，所以通常把它的誕生視為近代物理學(xué)的起點。 1905年，愛因斯坦運用量子論解釋了光電效應(yīng)。他給光子作了十分明確的表示，特別指出光與物質(zhì)相互作用時

18、，光也是以光子為最小單位進行的。 1905年9月，德國物理學(xué)年鑒發(fā)表了愛因斯坦的“關(guān)于運動媒質(zhì)的電動力學(xué)”一文。第一次提出了狹義相對論基本原理，文中指出，從伽利略和牛頓時代以來占統(tǒng)治地位的古典物理學(xué)，其應(yīng)用范圍只限于速度遠遠小于光速的情況，而他的新理論可解釋與很大運動速度有關(guān)的過程的特征，根本放棄了以太的概念，圓滿地解釋了運動物體的光學(xué)現(xiàn)象。 這樣，在20世紀初，一方面從光的干涉、衍射、偏振以及運動物體的光學(xué)現(xiàn)象確證了光是電磁波；而另一方面又從熱輻射、光電效應(yīng)、光壓以及光的化學(xué)作用等無可懷疑地證明了光的量子性微粒性。 1922年發(fā)現(xiàn)的康普頓效應(yīng)，1928年發(fā)現(xiàn)的喇曼效應(yīng)，以及當時已能從實驗上獲

19、得的原子光譜的超精細結(jié)構(gòu)，它們都表明光學(xué)的發(fā)展是與量子物理緊密相關(guān)的。光學(xué)的發(fā)展歷史表明，現(xiàn)代物理學(xué)中的兩個最重要的基礎(chǔ)理論量子力學(xué)和狹義相對論都是在關(guān)于光的研究中誕生和發(fā)展的。 此后，光學(xué)開始進入了一個新的時期，以致于成為現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)前沿的重要組成部分。其中最重要的成就，就是發(fā)現(xiàn)了愛因斯坦于1916年預(yù)言過的原子和分子的受激輻射，并且創(chuàng)造了許多具體的產(chǎn)生受激輻射的技術(shù)。 愛因斯坦研究輻射時指出，在一定條件下，如果能使受激輻射繼續(xù)去激發(fā)其他粒子，造成連鎖反應(yīng)，雪崩似地獲得放大效果，最后就可得到單色性極強的輻射，即激光。1960年，梅曼用紅寶石制成第一臺可見光的激光器；同年制成氦氖激

20、光器；1962年產(chǎn)生了半導(dǎo)體激光器；1963年產(chǎn)生了可調(diào)諧染料激光器。由于激光具有極好的單色性、高亮度和良好的方向性，所以自1958年發(fā)現(xiàn)以來，得到了迅速的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，引起了科學(xué)技術(shù)的重大變化。 光學(xué)的另一個重要的分支是由成像光學(xué)、全息術(shù)和光學(xué)信息處理組成的。這一分支最早可追溯到1873年阿貝提出的顯微鏡成像理論，和1906年波特為之完成的實驗驗證；1935年澤爾尼克提出位相反襯觀察法，并依此由蔡司工廠制成相襯顯微鏡，為此他獲得了1953年諾貝爾物理學(xué)獎；1948年伽柏提出的現(xiàn)代全息照相術(shù)的前身波陣面再現(xiàn)原理，為此，伽柏獲得了1971年諾貝爾物理學(xué)獎。 自20世紀50年代以來，人們開始把數(shù)

21、學(xué)、電子技術(shù)和通信理論與光學(xué)結(jié)合起來，給光學(xué)引入了頻譜、空間濾波、載波、線性變換及相關(guān)運算等概念，更新了經(jīng)典成像光學(xué)，形成了所謂“博里葉光學(xué)”。再加上由于激光所提供的相干光和由利思及阿帕特內(nèi)克斯改進了的全息術(shù)，形成了一個新的學(xué)科領(lǐng)域光學(xué)信息處理。光纖通信就是依據(jù)這方面理論的重要成就，它為信息傳輸和處理提供了嶄新的技術(shù)。 在現(xiàn)代光學(xué)本身，由強激光產(chǎn)生的非線性光學(xué)現(xiàn)象正為越來越多的人們所注意。激光光譜學(xué)，包括激光喇曼光譜學(xué)、高分辨率光譜和皮秒超短脈沖，以及可調(diào)諧激光技術(shù)的出現(xiàn)，已使傳統(tǒng)的光譜學(xué)發(fā)生了很大的變化，成為深入研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)、運動規(guī)律及能量轉(zhuǎn)換機制的重要手段。它為凝聚態(tài)物理學(xué)、分子生物學(xué)

22、和化學(xué)的動態(tài)過程的研究提供了前所未有的技術(shù)。 光學(xué)的研究內(nèi)容 我們通常把光學(xué)分成幾何光學(xué)、物理光學(xué)和量子光學(xué)。 幾何光學(xué)是從幾個由實驗得來的基本原理出發(fā)，來研究光的傳播問題的學(xué)科。它利用光線的概念、折射、反射定律來描述光在各種媒質(zhì)中傳播的途徑，它得出的結(jié)果通?？偸遣▌庸鈱W(xué)在某些條件下的近似或極限。 物理光學(xué)是從光的波動性出發(fā)來研究光在傳播過程中所發(fā)生的現(xiàn)象的學(xué)科，所以也稱為波動光學(xué)。它可以比較方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向異性的媒質(zhì)中傳插時所表現(xiàn)出的現(xiàn)象。 波動光學(xué)的基礎(chǔ)就是經(jīng)典電動力學(xué)的麥克斯韋方程組。波動光學(xué)不詳論介電常數(shù)和磁導(dǎo)率與物質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，而側(cè)重于解釋光波的表

23、現(xiàn)規(guī)律。波動光學(xué)可以解釋光在散射媒質(zhì)和各向異性媒質(zhì)中傳播時現(xiàn)象，以及光在媒質(zhì)界面附近的表現(xiàn)；也能解釋色散現(xiàn)象和各種媒質(zhì)中壓力、溫度、聲場、電場和磁場對光的現(xiàn)象的影響。 量子光學(xué) 1900年普朗克在研究黑體輻射時，為了從理論上推導(dǎo)出得到的與實際相符甚好的經(jīng)驗公式，他大膽地提出了與經(jīng)典概念迥然不同的假設(shè)，即“組成黑體的振子的能量不能連續(xù)變化，只能取一份份的分立值”。 1905年，愛因斯坦在研究光電效應(yīng)時推廣了普朗克的上述量子論，進而提出了光子的概念。他認為光能并不像電磁波理論所描述的那樣分布在波陣面上，而是集中在所謂光子的微粒上。在光電效應(yīng)中，當光子照射到金屬表面時，一次為金屬中的電子全部吸收，而

24、無需電磁理論所預(yù)計的那種累積能量的時間，電子把這能量的一部分用于克服金屬表面對它的吸力即作逸出功，余下的就變成電子離開金屬表面后的動能。 這種從光子的性質(zhì)出發(fā)，來研究光與物質(zhì)相互作用的學(xué)科即為量子光學(xué)。它的基礎(chǔ)主要是量子力學(xué)和量子電動力學(xué)。 光的這種既表現(xiàn)出波動性又具有粒子性的現(xiàn)象既為光的波粒二象性。后來的研究從理論和實驗上無可爭辯地證明了：非但光有這種兩重性，世界的所有物質(zhì)，包括電子、質(zhì)子、中子和原子以及所有的宏觀事物，也都有與其本身質(zhì)量和速度相聯(lián)系的波動的特性。 應(yīng)用光學(xué) 光學(xué)是由許多與物理學(xué)緊密聯(lián)系的分支學(xué)科組成；由于它有廣泛的應(yīng)用，所以還有一系列應(yīng)用背景較強的分支學(xué)科也屬于光學(xué)范圍。例

25、如，有關(guān)電磁輻射的物理量的測量的光度學(xué)、輻射度學(xué)；以正常平均人眼為接收器，來研究電磁輻射所引起的彩色視覺，及其心理物理量的測量的色度學(xué)；以及眾多的技術(shù)光學(xué)：光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計及光學(xué)儀器理論，光學(xué)制造和光學(xué)測試，干涉量度學(xué)、薄膜光學(xué)、纖維光學(xué)和集成光學(xué)等；還有與其他學(xué)科交*的分支，如天文光學(xué)、海洋光學(xué)、遙感光學(xué)、大氣光學(xué)、生理光學(xué)及兵器光學(xué)等。固體物理學(xué)發(fā)展簡史固體物理學(xué)是研究固體物質(zhì)的物理性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)、構(gòu)成物質(zhì)的各種粒子的運動形態(tài)，及其相互關(guān)系的科學(xué)。它是物理學(xué)中內(nèi)容極豐富、應(yīng)用極廣泛的分支學(xué)科。 固體通常指在承受切應(yīng)力時具有一定程度剛性的物質(zhì)，包括晶體和非晶態(tài)固體。簡單地說，固體物理學(xué)的基本問題

26、有：固體是由什么原子組成？它們是怎樣排列和結(jié)合的？這種結(jié)構(gòu)是如何形成的？在特定的固體中，電子和原子取什么樣的具體的運動形態(tài)？它的宏觀性質(zhì)和內(nèi)部的微觀運動形態(tài)有什么聯(lián)系？各種固體有哪些可能的應(yīng)用？探索設(shè)計和制備新的固體，研究其特性，開發(fā)其應(yīng)用。 在相當長的時間里，人們研究的固體主要是晶體。早在18世紀，阿維對晶體外部的幾何規(guī)則性就有一定的認識。后來，布喇格在1850年導(dǎo)出14種點陣。費奧多羅夫在1890年、熊夫利在1891年、巴洛在1895年，各自建立了晶體對稱性的群理論。這為固體的理論發(fā)展找到了基本的數(shù)學(xué)工具，影響深遠。1912年勞厄等發(fā)現(xiàn)X射線通過晶體的衍射現(xiàn)象，證實了晶體內(nèi)部原子周期性排列

27、的結(jié)構(gòu)。加上后來布喇格父子1913年的工作，建立了晶體結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)。對于磁有序結(jié)構(gòu)的晶體，增加了自旋磁矩有序排列的對稱性，直到20世紀50年代舒布尼科夫才建立了磁有序晶體的對稱群理論。 第二次世界大戰(zhàn)后發(fā)展的中子衍射技術(shù)，是磁性晶體結(jié)構(gòu)分析的重要手段。70年代出現(xiàn)了高分辨電子顯微鏡點陣成像技術(shù)，在于晶體結(jié)構(gòu)的觀察方面有所進步。60年代起，人們開始研究在超高真空條件下晶體解理后表面的原子結(jié)構(gòu)。20年代末發(fā)現(xiàn)的低能電子衍射技術(shù)在60年代經(jīng)過改善，成為研究晶體表面的有力工具。近年來發(fā)展的掃描隧道顯微鏡，可以相當高的分辨率探測表面的原子結(jié)構(gòu)。 晶體的結(jié)構(gòu)以及它的物理、化學(xué)性質(zhì)同晶體結(jié)合的基本形式有密

28、切關(guān)系。通常晶體結(jié)合的基本形式可分成：高子鍵合、金屬鍵合、共價鍵合、分子鍵合(范德瓦耳斯鍵合)和氫鍵合。根據(jù)X射線衍射強度分析和晶體的物理、化學(xué)性質(zhì)，或者依據(jù)晶體價電子的局域密度分布的自洽理論計算，人們可以準確地判定該晶體具有何種鍵合形式。 固體中電子的狀態(tài)和行為是了解固體的物理、化學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)。維德曼和夫蘭茲于1853年由實驗確定了金屬導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性之間關(guān)系的經(jīng)驗定律；洛倫茲在1905年建立了自由電子的經(jīng)典統(tǒng)計理論，能夠解釋上述經(jīng)驗定律，但無法說明常溫下金屬電子氣對比熱容貢獻甚小的原因；泡利在1927年首先用量子統(tǒng)計成功地計算了自由電子氣的順磁性，索末菲在1928年用量子統(tǒng)計求得電子氣的比熱

29、容和輸運現(xiàn)象，解決了經(jīng)典理論的困難。 布洛赫和布里淵分別從不同角度研究了周期場中電子運動的基本特點，為固體電子的能帶理論奠定了基礎(chǔ)。電子的本征能量，是在一定能量范圍內(nèi)準連續(xù)的能級組成的能帶。相鄰兩個能帶之間的能量范圍是完整晶體中電子不許可具有的能量，稱為禁帶。利用能帶的特征以及泡利不相容原理，威耳遜在1931年提出金屬和絕緣體相區(qū)別的能帶模型，并預(yù)言介于兩者之間存在半導(dǎo)體，為爾后的半導(dǎo)體的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。 貝爾實驗室的科學(xué)家對晶體的能帶進行了系統(tǒng)的實驗和理論的基礎(chǔ)研究，同時掌握了高質(zhì)量半導(dǎo)體單晶生長和摻雜技術(shù)，導(dǎo)致巴丁、布喇頓以及肖克萊于19471948年發(fā)明晶體管。固體中每立方厘米內(nèi)有10

30、22個粒子，它們*電磁互作用聯(lián)系起來。因此，固體物理學(xué)所面對的實際上是多體問題。在固體中，粒子之間種種各具特點的耦合方式，導(dǎo)致粒子具有特定的集體運動形式和個體運動形式，造成不同的固體有千差萬別的物理性質(zhì)。漢密爾頓在1839年討論了排成陣列的質(zhì)點系的微振動；1907年，愛因斯坦首先用量子論處理固體中原子的振動。他的模型很簡單，各個原子獨立地作同一頻率的振動；德拜在1912年采用連續(xù)介質(zhì)模型重新討論了這問題，得到固體低溫比熱容的正確的溫度關(guān)系；玻恩和卡門同時開始建立點陣動力學(xué)的基礎(chǔ)，在原子間的力是簡諧力的情況下，晶體原子振動形成各種模式的點陣波，這種波的能量量子稱為聲子。它對固體的比熱容、熱導(dǎo)、電

31、導(dǎo)、光學(xué)性質(zhì)等都起重要作用。 派尼斯和玻姆在1953年提出：由于庫侖作用的長程性質(zhì)，固體中電子氣的密度起伏形成縱向振蕩，稱為等離子體振蕩。這種振蕩的能量量子稱為等離激元。實驗證明，電子束通過金屬薄膜的能量損耗來源于激發(fā)電子氣的等離激元?？紤]到電子間的互作用，能帶理論的單電子狀態(tài)變成準電子狀態(tài)，但準電子的有效質(zhì)量包含了多粒子相互作用的效應(yīng)。同樣，空穴也變成準粒子。在半導(dǎo)體中電子和空穴之間有屏蔽的庫侖吸引作用，它們結(jié)合成激子，這是一種復(fù)合的準粒子。 在很低的溫度，由于熱擾動強度降低，在某些固體中出現(xiàn)宏觀量子現(xiàn)象。其中最重要的是開默林-昂內(nèi)斯在1911年發(fā)現(xiàn)金屬汞在4.2K具有超導(dǎo)電性現(xiàn)象，邁斯納和

32、奧克森菲爾德在1933年又發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體具有完全的抗磁性。以這些現(xiàn)象為基礎(chǔ)，30年代人們建立了超導(dǎo)體的電動力學(xué)和熱力學(xué)的理論。 后來，倫敦在1946年敏銳地提出超導(dǎo)電性是宏觀的量子現(xiàn)象，并預(yù)言磁通是量子化的。1961年果真在實驗上發(fā)現(xiàn)了磁通量子，實驗值為倫敦預(yù)計值的一半，正好驗證了庫珀提出的電子配對的概念。弗羅利希在1950年提出超導(dǎo)電性來源于金屬中電子和點陣波的耦合，并預(yù)言存在同位素效應(yīng)，同年得到實驗證實。 1957年巴丁、庫珀和施里弗成功地提出超導(dǎo)微觀理論，即有名的BCS理論。50年代蘇聯(lián)學(xué)者京茨堡、朗道、阿布里考索夫、戈科夫建立并論證了超導(dǎo)態(tài)宏觀波函數(shù)應(yīng)滿足的方程組，并由此導(dǎo)出第二類超導(dǎo)體的

33、基本特性。繼江崎玲於奈在1957年發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體中的隧道效應(yīng)之后，加埃沃于1960年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)體的單電子隧道效應(yīng)，由此效應(yīng)可求得超導(dǎo)體的重要的信息。不久，約瑟夫森在1962年預(yù)言了庫珀對也有隧道效應(yīng)，幾個月之后果然實驗證實了。從此開拓了超導(dǎo)宏觀量子干涉現(xiàn)象及其應(yīng)用的新領(lǐng)域。 固體磁性是一個有很久歷史的研究領(lǐng)域?？勾判允俏镔|(zhì)的通性，來源于在磁場中電子的軌道運動的變化。從20世紀初至30年代，經(jīng)過許多學(xué)者努力建立了抗磁性的基本理論。范扶累克在1932年證明在某些抗磁分子中會出現(xiàn)順磁性；朗道在1930年證明導(dǎo)體中傳導(dǎo)電子的非局域的軌道運動也產(chǎn)生抗磁性，這是量子的效應(yīng)；居里在1895年測定了順磁體磁化率的溫

34、度關(guān)系，朗之萬在1905年給出順磁性的經(jīng)典統(tǒng)計理論，得出居里定律。順磁性的量子理論連同大量的實驗研究，導(dǎo)致順磁鹽絕熱去磁致冷技術(shù)出現(xiàn)，電子順磁共振技術(shù)和微波激射放大器的發(fā)明，以及固體波譜學(xué)的建立。 在固體物理學(xué)中相變占有重要地位。它涉及熔化、凝聚、凝固、晶體生長、蒸發(fā)、相干衡、相變動力學(xué)、臨界現(xiàn)象等，19世紀吉布斯研究了相平衡的熱力學(xué)。后來厄任費斯脫在1933年對各種相變作了分類。60年代以后，人們對發(fā)生相變點的臨界現(xiàn)象做了大量研究，總結(jié)出標度律和普適性?？ㄟ_諾夫在1966年指出在臨界點粒子之間的關(guān)聯(lián)效應(yīng)起重要作用。威耳遜在1971年采用量子場論中重正化群方法，論證了臨界現(xiàn)象的標度律和普適性，

35、并計算了臨界指數(shù)，取得成功。晶體或多或少都存在各種雜質(zhì)和缺陷，它們對固體的物性，以及功能材料的技術(shù)性能都起重要的作用。半導(dǎo)體的電學(xué)、發(fā)光學(xué)等性質(zhì)依賴于其中的雜質(zhì)和缺陷；大規(guī)模集成電路的工藝中控制和利用雜質(zhì)及缺陷是極為重要的。貝特在1929年用群論方法分析晶體中雜質(zhì)離子的電子能級的分裂，開辟了晶體場的新領(lǐng)域。數(shù)十年來在這領(lǐng)域積累了大量的研究成果，為順磁共振技術(shù)、微波激射放大器、固體激光器的出現(xiàn)準備了基礎(chǔ)。 硬鐵磁體、硬超導(dǎo)體、高強度金屬等材料的功能雖然很不同，但其技術(shù)性能之所以強或硬，卻都依賴于材料中一種缺陷的運動。在硬鐵磁體中這缺陷是磁疇壁，在超導(dǎo)體中它是量子磁通線，在高強度金屬中它是位錯線，

36、采取適當工藝使這些缺陷在材料的微結(jié)構(gòu)上被釘住不動，有益于提高其技術(shù)性能。 高分辨電子顯微術(shù)正促使人們在更深的層次上來研究雜質(zhì)、缺陷和它們的復(fù)合物。電子順磁共振、穆斯堡爾效應(yīng)、正電子堙沒技術(shù)等已成為研究雜質(zhì)和缺陷的有力手段。在理論上借助于拓撲學(xué)和非線性方程的解，正為缺陷的研究開辟新的方向。 從60年代起，人們開始在超高真空條件下研究晶體表面的本征特性，以及吸附過程等通過粒子束(光束、電子束、高子束或原子束)和外場(溫度、電場或磁場)與表面的相互作用，獲得有關(guān)表面的原子結(jié)構(gòu)、吸附物特征、表面電子態(tài)以及表面元激發(fā)等信息，加上表面的理論研究，形成表面物理學(xué)。 同體內(nèi)相比，晶體表面具有獨特的結(jié)構(gòu)和物理、

37、化學(xué)性質(zhì)。這是由于表面原子所處的環(huán)境同體內(nèi)原子不一樣，在表面幾個原子層的范圍，表面的組分和原子排列形成的二維結(jié)構(gòu)都同體內(nèi)與之平行的晶面不一樣的緣故。表面微觀粒子所處的勢場同體內(nèi)不一樣，因而形成獨具特征的表面粒子的運動狀態(tài)，限制粒子只能在表面層內(nèi)運動并具有相應(yīng)的本征能量，它們的行為對表面的物理、化學(xué)性質(zhì)起重要作用。 非晶態(tài)固體的物理性質(zhì)同晶體有很大差別，這同它們的原子結(jié)構(gòu)、電子態(tài)以及各種微觀過程有密切聯(lián)系。從結(jié)構(gòu)上來分，非晶態(tài)固體有兩類。一類是成分無序，在具有周期性的點陣位置上隨機分布著不同的原子或者不同的磁矩；另一類是結(jié)構(gòu)無序，表征長程序的周期性完全破壞，點陣失去意義。但近鄰原子有一定的配位關(guān)

38、系，類似于晶體的情形，因而仍然有確定的短程序。 例如，金屬玻璃是無規(guī)密積結(jié)構(gòu)，而非晶硅是四面體鍵組成的無規(guī)網(wǎng)絡(luò)。20年代發(fā)現(xiàn)，并在70年代得到發(fā)展的擴展X射線吸收精細結(jié)構(gòu)譜技術(shù)，成為研究非晶態(tài)固體原子結(jié)構(gòu)的重要手段。 無序體系的電子態(tài)具有其獨特的性質(zhì)，安德森在他的富有開創(chuàng)性的工作中，探討了無序體系中電子態(tài)局域化的條件，10年之后，莫脫在此基礎(chǔ)上建立了非晶態(tài)半導(dǎo)體的能帶模型，提出遷移率邊的概念。 在無序體系中，電子態(tài)有局域態(tài)和擴展態(tài)之分。在局域態(tài)中的電子只有在聲子的合作下才能參加導(dǎo)電，這使得非晶態(tài)半導(dǎo)體的輸運性質(zhì)具有新穎的特點。1974年人們掌握了在非晶硅中摻雜的技術(shù)，現(xiàn)在非晶硅已成為制備高效率

39、太陽能電池的重要材料。 非晶態(tài)合金具有特殊的物理性質(zhì)。例如，它們的電阻率較大而其溫度系數(shù)小。有的材料有很大的拉伸強度，有的具有優(yōu)異的抗腐蝕性，可與不銹鋼相比。非晶態(tài)磁性合金具有隨機變化的交換作用，可導(dǎo)致居里溫度的改變(大多數(shù)材料居里溫度變低)，同時在無序體系中，缺陷失去原有的意義。因而非晶態(tài)磁性固體可以在較低的外磁場下達到飽和，磁損耗減小。所以，非晶態(tài)合金具有多方面用途。 無序體系是一個復(fù)雜的新領(lǐng)域，非晶態(tài)固體實際上是一個亞穩(wěn)態(tài)。目前對許多基本問題還存在著爭論，有待進一步的探索和研究。 新的實驗條件和技術(shù)日新月異，為固體物理不斷開拓出新的研究領(lǐng)域。極低溫、超高壓、強磁場等極端條件、超高真空技術(shù)

40、、表面能譜術(shù)、材料制備的新技術(shù)、同步輻射技術(shù)、核物理技術(shù)、激光技術(shù)、光散射效應(yīng)、各種粒子束技術(shù)、電子顯微術(shù)、穆斯堡爾效應(yīng)、正電子湮沒技術(shù)、磁共振技術(shù)等現(xiàn)代化實驗手段，使固體物理性質(zhì)的研究不斷向深度和廣度發(fā)展。 由于固體物理本身是微電子技術(shù)、光電子學(xué)技術(shù)、能源技術(shù)、材料科學(xué)等技術(shù)學(xué)科的基礎(chǔ)，也由于固體物理學(xué)科內(nèi)在的因素，固體物理的研究論文已占物理學(xué)中研究論文三分之一以上。同時，固體物理學(xué)的成就和實驗手段對化學(xué)物理、催化學(xué)科、生命科學(xué)、地學(xué)等的影響日益增長，正在形成新的交*領(lǐng)域聲學(xué)發(fā)展簡史 聲學(xué)是研究媒質(zhì)中機械波的產(chǎn)生、傳播、接收和效應(yīng)的物理學(xué)分支學(xué)科。媒質(zhì)包括各種狀態(tài)的物質(zhì)，可以是彈性媒質(zhì)也可以

41、是非彈性媒質(zhì)；機械波是指質(zhì)點運動變化的傳播現(xiàn)象。 聲學(xué)發(fā)展簡史 聲音是人類最早研究的物理現(xiàn)象之一，聲學(xué)是經(jīng)典物理學(xué)中歷史最悠久，并且當前仍處在前沿地位的唯一的物理學(xué)分支學(xué)科。 從上古起直到19世紀，人們都是把聲音理解為可聽聲的同義語。中國先秦時就說“情發(fā)于聲，聲成文謂之音”，“音和乃成樂”。聲、音、樂三者不同，但都指可以聽到的現(xiàn)象。同時又說“凡響曰聲”，聲引起的感覺(聲覺)是響，但也稱為聲，這與現(xiàn)代對聲的定義相同。西方國家也是如此，英文的的詞源來源于希臘文，意思就是“聽覺”。 世界上最早的聲學(xué)研究工作主要在音樂方面。呂氏春秋記載，黃帝令伶?zhèn)惾≈褡髀?，增損長短成十二律；伏羲作琴，三分損益成十三音

42、。三分損益法就是把管(笛、簫)加長三分之一或減短三分之一，這樣聽起來都很和諧，這是最早的聲學(xué)定律。傳說在古希臘時代，畢達哥拉斯也提出了相似的自然律，只不過是用弦作基礎(chǔ)。 1957年在中國河南信陽出土了蟠螭文編鐘，它是為紀念晉國于公元前525年與楚作戰(zhàn)而鑄的。其音階完全符合自然律，音色清純，可以用來演奏現(xiàn)代音樂。1584年，明朝朱載堉提出了平均律，與當代樂器制造中使用的樂律完全相同，但比西方早提出300年。 古代除了對聲傳播方式的認識外，對聲本質(zhì)的認識也與今天的完全相同。在東西方，都認為聲音是由物體運動產(chǎn)生的，在空氣中以某種方式傳到人耳，引起人的聽覺。這種認識現(xiàn)在看起來很簡單，但是從古代人們的知

43、識水平來看，卻很了不起。 例如，很長時期內(nèi)，古代人們對日常遇到的光和熱就沒有正確的認識，一直到牛頓的時代，人們對光的認識還有粒子說和波動說的爭執(zhí)，且粒子說占有優(yōu)勢。至于熱學(xué)，“熱質(zhì)”說的影響時間則更長，直到19世紀后期，恩格斯還對它進行過批判。 對聲學(xué)的系統(tǒng)研究是從17世紀初伽利略研究單擺周期和物體振動開始的。從那時起直到19世紀，幾乎所有杰出的物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家都對研究物體的振動和聲的產(chǎn)生原理作過貢獻，而聲的傳播問題則更早就受到了注意，幾乎2000年前，中國和西方就都有人把聲的傳播與水面波紋相類比。 1635年有人用遠地槍聲測聲速，以后方法又不斷改進，到1738年巴黎科學(xué)院利用炮聲進行測量，測

44、得結(jié)果折合為0時聲速為332米/秒，與目前最準確的數(shù)值331.45米/秒只差0.15%，這在當時“聲學(xué)儀器”只有停表和人耳和情況下，的確是了不起的成績。 牛頓在1687年出版的自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理中推理：振動物體要推動鄰近媒質(zhì)，后者又推動它的鄰近媒質(zhì)等等，經(jīng)過復(fù)雜而難懂的推導(dǎo)，求得聲速應(yīng)等于大氣壓與密度之比的二次方根。歐拉在1759年根據(jù)這個概念提出更清楚的分析方法，求得牛頓的結(jié)果。但是據(jù)此算出的聲速只有288米/秒，與實驗值相差很大。 達朗貝爾于1747年首次導(dǎo)出弦的波動方程，并預(yù)言可用于聲波。直到1816年，拉普拉斯指出只有在空氣溫度不變時，牛頓對聲波傳導(dǎo)的推導(dǎo)才正確，而實際上在聲波傳播中空

45、氣密度變化很快，不可能是等溫過程，而應(yīng)該是絕熱過程。因此，聲速的二次方應(yīng)是大氣壓乘以比熱容比(定壓比熱容與定容比熱容的比)與密度之比，據(jù)此算出聲速的理論值與實驗值就完全一致了。 直到19世紀末，接收聲波的“儀器”還只有人耳。人耳能聽到的最低聲強大約是1012瓦/米2，在1000Hz時，相應(yīng)的空氣質(zhì)點振動位移大約是10pm(1011米)，只有空氣分子直徑的十分之一，可見人耳對聲的接收確實驚人。19世紀中就有不少人耳解剖的工作和對人耳功能的探討，但至今還未能形成完整的聽覺理論。目前對聲刺激通過聽覺器官、神經(jīng)系統(tǒng)到達大腦皮層的過程有所了解，但這過程以后大腦皮層如何進行分析、處理、判斷還有待進一步研究

46、。 音調(diào)與頻率的關(guān)系明確后，對人耳聽覺的頻率范圍和靈敏度也都有不少的研究。發(fā)現(xiàn)著名的電路定律的歐姆于1843年提出，人耳可把復(fù)雜的聲音分解為諧波分量，并按分音大小判斷音品的理論。在歐姆聲學(xué)理論的啟發(fā)下，人們開展了聽覺的聲學(xué)研究(以后稱為生理聲學(xué)和心理聲學(xué))，并取得了重要的成果，其中最有名的是亥姆霍茲的音的感知。 在封閉空間(如房間、教室、禮堂、劇院等)里面聽語言、音樂，效果有的很好，有的很不好，這引起今天所謂建筑聲學(xué)或室內(nèi)音質(zhì)的研究。但直到1900年賽賓得到他的混響公式，才使建筑聲學(xué)成為真正的科學(xué)。 19世紀及以前兩三百年的大量聲學(xué)研究成果的最后總結(jié)者是瑞利，他在1877年出版的兩卷聲學(xué)原理中

47、集經(jīng)典聲學(xué)的大成，開創(chuàng)了現(xiàn)代聲學(xué)的先河。至今，特別是在理論分析工作中，還常引用這兩卷巨著。他開始討論的電話理論，目前已發(fā)展為電聲學(xué)。 20世紀，由于電子學(xué)的發(fā)展，使用電聲換能器和電子儀器設(shè)備，可以產(chǎn)生接收和利用任何頻率、任何波形、幾乎任何強度的聲波，已使聲學(xué)研究的范圍遠非昔日可比?，F(xiàn)代聲學(xué)中最初發(fā)展的分支就是建筑聲學(xué)和電聲學(xué)以及相應(yīng)的電聲測量。以后，隨著頻率范圍的擴展，又發(fā)展了超聲學(xué)和次聲學(xué)；由于手段的改善，進一步研究聽覺，發(fā)展了生理聲學(xué)和心理聲學(xué)；由于對語言和通信廣播的研究，發(fā)展了語言聲學(xué)。 在第二次世界大戰(zhàn)中，開始把超聲廣泛地用到水下探測，促使水聲學(xué)得到很大的發(fā)展。20世紀初以來，特別是2

48、0世紀50年代以來，全世界由于工業(yè)、交通等事業(yè)的巨大發(fā)展出現(xiàn)了噪聲環(huán)境污染問題，而促進了噪聲、噪聲控制、機械振動和沖擊研究的發(fā)展高速大功率機械應(yīng)用日益廣泛。非線性聲學(xué)受到普遍重視。此外還有音樂聲學(xué)、生物聲學(xué)。這樣，逐漸形成了完整的現(xiàn)代聲學(xué)體系。 現(xiàn)代聲學(xué)的內(nèi)容 現(xiàn)代聲學(xué)研究主要涉及聲子的運動、聲子和物質(zhì)的相互作用，以及一些準粒子和電子等微觀粒子的特性。所以聲學(xué)既有經(jīng)典性質(zhì)，也有量子性質(zhì)。 聲學(xué)的中心是基礎(chǔ)物理聲學(xué)，它是聲學(xué)各分支的基礎(chǔ)。聲可以說是在物質(zhì)媒質(zhì)中的機械輻射，機械輻射的意思是機械擾動在物質(zhì)中的傳播。人類的活動幾乎都與聲學(xué)有關(guān)，從海洋學(xué)到語言音樂，從地球到人的大腦，從機械工程到醫(yī)學(xué)，從

49、微觀到宏觀，都是聲學(xué)家活動的場所。 聲學(xué)的邊緣科學(xué)性質(zhì)十分明顯，邊緣科學(xué)是科學(xué)的生長點，因此有人主張聲學(xué)是物理學(xué)的一個最好的發(fā)展方向。 聲波在氣體和液體中只有縱波。在固體中除了縱波以外，還可能有橫波(質(zhì)點振動的方向與聲波傳播的方向垂直)，有時還有縱橫波。 聲波場中質(zhì)點每秒振動的周數(shù)稱為頻率，單位為赫(Hz)?，F(xiàn)代聲學(xué)研究的頻率范圍為萬分之一赫茲到十億赫茲，在空氣中可聽到聲音的聲波長為17毫米到17米，在固體中，聲波波長的范圍更大，比電磁波的波長范圍至少大一千倍。聲學(xué)頻率的范圍大致為：可聽聲的頻率為2020000赫，小于20赫為次聲，大于20000赫為超聲。 聲波的傳播與媒質(zhì)的彈性模量，密度、內(nèi)

50、耗以及形狀大小(產(chǎn)生折射、反射、衍射等)有關(guān)。測量聲波傳播的特性可以研究媒質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)和幾何性質(zhì)，聲學(xué)之所以發(fā)展成擁有眾多分支并且與許多科學(xué)、技術(shù)和文化藝術(shù)有密切關(guān)系的學(xué)科，原因就在于此。 聲行波強度用單位面積內(nèi)傳播的功率(以瓦/米2為單位)表示，但是在聲學(xué)測量中功率不易直接測量得，所以常用易于測量的聲壓表示。在聲學(xué)中常見的聲強范圍或聲壓范圍非常大，所以一般用對數(shù)表示。稱為聲強級或聲壓級，單位是分貝(dB)。 聲學(xué)的研究方法與光學(xué)研究方法的比較 聲學(xué)分析方法已成為物理學(xué)三個重要分析方法(聲學(xué)方法、光學(xué)方法、粒子轟擊方法)之一。聲學(xué)方法與光學(xué)方法(包括電磁波方法)相比有相似處，也有不同處。 相似

51、處是：聲波和光波都是波動，使用兩種方法時，都運用了波動過程所應(yīng)服從的一般規(guī)律，包括量子概念(聲的量子稱為聲子)。 不同處是：光波是橫波，聲波在氣體中和液體中是縱波，而在固體中有縱波，有橫波，還有縱橫波、表面波等，情況更為復(fù)雜；聲波比光波的傳播速度小得多；一般物體和材料對光波吸收很大，但對聲波卻很小，聲波在不同媒質(zhì)的界面上幾乎是完全反射。 這些傳播性質(zhì)有時造成結(jié)果上的極大差別，例如在普通實驗室內(nèi)很容易驗證光波的平方反比定律(光的強度與到光源的距離平方成反比)。根據(jù)能量守恒定律，聲波也應(yīng)滿足平方反比定律，但在室內(nèi)則無法測出。因為室內(nèi)各表面對聲波來說都是很好的反射面，聲速又比較小，聲音發(fā)出后要反射很

52、多次，在室內(nèi)往返多次，經(jīng)過很長時間(稱為混響時間)才消失。任何點的聲強都是這些直達聲和反射聲互相干涉的結(jié)果，與距離的關(guān)系很復(fù)雜。這就是為什么直到1900年賽賓提出混響理論以前，人們對很多聲學(xué)現(xiàn)象不能理解的原因。 聲學(xué)的分支學(xué)科 與光學(xué)相似，在不同的情況，依據(jù)其特點，需要運用不同的聲學(xué)方法進行研究。波動聲學(xué)也稱物理聲學(xué)，它是使用波動理論研究聲場的學(xué)科。在聲波波長與空間或物體的尺度數(shù)量級相近時必須用波動聲學(xué)分析。其主要內(nèi)容是研究聲的反射、折射、干涉、衍射、駐波、散射等現(xiàn)象。 在封閉空間(例如室內(nèi)，周圍有表面)或半關(guān)閉空間(例如在水下或大氣中，有上、下界面)，反射波的互相干涉要形成一系列的固有振動(

53、稱為簡正振動方式或簡正波)。簡正方式理論是引用量子力學(xué)中本征值的概念并加以發(fā)展而形成的。 射線聲學(xué)或稱幾何聲學(xué)，它與幾何光學(xué)相似。主要是研究波長非常小時，能量沿直線的傳播的規(guī)律。即忽略衍射現(xiàn)象，只考慮聲線的反射、折射等問題。這是在許多情況下都很有效的方法。例如在研究室內(nèi)反射面、在固體中作無損檢測以及在液體中探測等時，都用聲線概念。 統(tǒng)計聲學(xué)主要研究波長非常小，在某一頻率范圍內(nèi)簡正振動方式很多，頻率分布很密時，忽略相位關(guān)系，只考慮各簡正方式的能量相加關(guān)系的問題。賽賓公式就可用統(tǒng)計聲學(xué)方法推導(dǎo)。統(tǒng)計聲學(xué)方法不限于在關(guān)閉或半關(guān)閉空間中使用。在聲波傳輸中，統(tǒng)計能量技術(shù)解決很多問題，就是一例。 聲學(xué)儀器

54、 20世紀以前，聲源僅限于人聲、樂器、音義和哨子。頻率限于可聽聲范圍內(nèi)，可控制的聲強范圍也有限。接收儀器主要是人耳，有時用歌弧、歌焰作定性比較，電話上的接收器和傳聲器還很簡陋，難于用作測試儀器。 20世紀以后，人們把電路理論應(yīng)用于換能器的設(shè)計，把晶體的壓電性用于聲信號和電信號之間的轉(zhuǎn)換，以后又發(fā)展了壓電陶瓷、駐極體等，并用電子線路放大和控制電信號，使聲的產(chǎn)生和接收幾乎不受頻率和強度的限制。 近年用半導(dǎo)體薄膜產(chǎn)生超聲，用激光轟擊金屬激發(fā)聲波等，使聲頻超過了可聽聲高限的幾億倍。次聲頻率可達每小時一周以下，聲強可超過人耳所能接收高強聲音的幾千萬倍。聲功率也可超過人發(fā)聲的一千億倍。聲學(xué)測量分析儀器也達

55、到了高度準確的程度，以計算機為中心的測試設(shè)備可完成多種測試要求，60年代需要幾天才能完成的測試分析工作，用現(xiàn)代設(shè)備可能只要幾秒鐘就可以完成，這些手段給聲學(xué)各分支的發(fā)展創(chuàng)造了很好的條件。 利用對聲速和聲衰減，測量研究物質(zhì)特性已應(yīng)用于很廣的范圍。目前測出在空氣中，實際的吸收系數(shù)比19世紀斯托克斯和基爾霍夫根據(jù)粘性和熱傳導(dǎo)推出的經(jīng)典理論值大得多，在液體中甚至大幾千倍、幾萬倍。這個事實導(dǎo)致了人們對弛豫過程的研究，這在對液體以及它們結(jié)構(gòu)的研究中起了很大作用。對于固體同樣工作已形成從低頻到起聲頻固體內(nèi)耗的研究，并對諸如固體結(jié)構(gòu)和晶體缺陷等方面的研究都有很大貢獻。 表面波、聲全息、聲成像、非線性聲學(xué)、熱脈沖

56、、聲發(fā)射、超聲顯微鏡、次聲等以物質(zhì)特性研究為基礎(chǔ)的研究領(lǐng)域都有很大發(fā)展。 聲全息和聲成像是無損檢測方法的重要發(fā)展。將聲信號變成電信號，而電信號可經(jīng)過電子計算機的存儲和處理，用聲全息或聲成像給出的較多的信息充分反應(yīng)枝檢對象的情況，這就大大優(yōu)于一般的超聲檢測方法。用熱脈沖產(chǎn)生的超聲頻率可達到1012Hz以上，為凝聚態(tài)物理開辟了新的研究領(lǐng)域。 聲波在固體和液體中的非線性特性可通過媒質(zhì)中聲速的微小變化來研究，應(yīng)用聲波的非線性特性可以實現(xiàn)和研究聲與聲的相互作用，它還用于高分辨率的參量聲吶中。 聲波可以透過所有物體：不論透明或不透明的，導(dǎo)電或非導(dǎo)電的。因此，從大氣、地球內(nèi)部、海洋等宏大物體直到人體組織、晶

57、體點陣等微小部分都是聲學(xué)的實驗室。近年來在地震觀測中，測定了固體地球的簡正振動，找出了地球內(nèi)部運動的準確模型，月球上放置的地聲接收器對月球內(nèi)部監(jiān)測的結(jié)果，也同樣令人滿意。進一步監(jiān)測地球內(nèi)部的運動，最終必將實現(xiàn)對地震的準確預(yù)報從而避免大量傷亡和經(jīng)濟損失。 聲學(xué)與生命科學(xué) 聽覺過程涉及生理聲學(xué)和心理聲學(xué)。目前能定量地表示聲音在人耳產(chǎn)生的主觀量(音調(diào)和響度)，并求得與物理量(頻率和強度)的函數(shù)關(guān)系，這是心理物理研究的重大成果。還建立了測聽技術(shù)和耳鼓聲阻抗測量技術(shù)，這是研究中耳和內(nèi)耳病變的有效工具。 在聽覺研究中，所用的設(shè)備很簡單，但所得結(jié)果卻驚人的豐富。1961年物理學(xué)家貝剴西曾由于在聽覺方面的研究

58、獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)或生理學(xué)獎，這是物理學(xué)家在邊緣學(xué)科中的工作受到了承認的例子。目前主要由于對神經(jīng)系統(tǒng)和大腦的確切活動和作用機理不明，還未形成完整的聽覺理論，但這方面已引起了很多聲學(xué)工作者的重視。 在語言和聽覺范圍內(nèi)，基礎(chǔ)研究導(dǎo)致很多重要醫(yī)療設(shè)備的生產(chǎn)：整個裝到耳聽道內(nèi)的助聽器；保護聽力的耳塞，為聲帶損傷病人用的人工喉，語言合成器，為全聾病人用的觸覺感知器和人工耳蝸等等。 除了助聽、助語設(shè)備外，聲學(xué)在醫(yī)學(xué)中還有很多可以應(yīng)用的方面，但發(fā)展都很不夠或根本未發(fā)展，特別是在治療方面。有跡象說明低強度超聲可加速傷口愈合，同時施用超聲和X射線可使對癌癥的輻射治療更加有效，超聲輻射可治愈腦血栓等，但這些都未形成常規(guī)的治療手段。 超聲檢查體內(nèi)器官，并加以顯示的方法有廣泛的應(yīng)用，聲波可透過人體并對體內(nèi)任何阻抗的變化靈敏(折射、反射)，因此超聲透視顱內(nèi)、心臟或腹內(nèi)的某些功效遠比X射線優(yōu)越，而且不存在輻射病，但使用時也有局限。超聲全息用于體內(nèi)無損檢測的技術(shù)則尚待發(fā)展。 聲學(xué)與環(huán)境 當代重大環(huán)境問題之一是噪聲污染，社會上對環(huán)境污染的意見(包括控告)有一半是噪聲問題。除了長期在較強的噪聲(90dB以上)中工作要造成耳聾外，不太強的噪聲對人也會形成干擾。例如噪聲級到70dB，對面談話就有