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(yùn)動(dòng)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(dāng)長時(shí)期的探索，直到20世紀(jì)初，人們對(duì)原子本身的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部運(yùn)動(dòng)規(guī)律才有了比較清楚的認(rèn)識(shí)，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(fù)電的電子，那么原子中就必然有帶正電的物質(zhì)。20世紀(jì)初，對(duì)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(gè)大小等于整個(gè)原子的球體內(nèi)

2、，而帶負(fù)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(dòng)著，從而發(fā)出電磁輻射。這個(gè)模型被形象的比喻為“果仁面包”模型，不過這個(gè)模型理論和實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出原子的中心是一個(gè)重的帶正電的核，與整個(gè)原子的大小相比，核很小。電子圍繞核轉(zhuǎn)動(dòng)，類似大行星繞太陽轉(zhuǎn)動(dòng)。這種模型叫做原子的核模型，又稱行星模型。從這個(gè)模型導(dǎo)出的結(jié)論同實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合的很好，很快就被公認(rèn)了。繞核作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電子有加速度，根據(jù)經(jīng)典的電磁理論，電子應(yīng)當(dāng)自動(dòng)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(gè)不穩(wěn)定的系統(tǒng)。 但事實(shí)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(shí)表明：從研究宏觀現(xiàn)象中確立的經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)，不適用于原子中的微觀過程。這就需要進(jìn)一步分析原子現(xiàn)象，探索原子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)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(yàn)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(jí)，當(dāng)能級(jí)發(fā)生躍遷時(shí)，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(gè)重大進(jìn)展，但對(duì)原子問題作進(jìn)一步的研究時(shí)，卻顯示出這種理論的缺點(diǎn)，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(dòng)力學(xué)。同時(shí)，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(jì)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(jìn)了量子力學(xué)的建立，開創(chuàng)了近代物理的新時(shí)代。由于量子力學(xué)成功地解決了當(dāng)時(shí)遇到的一些原子物理問題，很多物理學(xué)家就認(rèn)為原

5、子運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律已清楚，剩下來的只是一些細(xì)節(jié)問題了。 由于認(rèn)識(shí)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(duì)原子能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)與超精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)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(dāng)長的一段時(shí)間里，對(duì)原子物理未能進(jìn)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(jì)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(shí)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(jí)，對(duì)譜線和能級(jí)的理論解釋也比較準(zhǔn)確。 但是，對(duì)譜線強(qiáng)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(shí)，則了解得很少，甚至對(duì)這些物理量的某些參數(shù)只知道其量級(jí)。核試驗(yàn)中遇到的很多問題也都與這些知識(shí)有關(guān)。因此還必須對(duì)原子物理進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)和理論探討。 原子物理學(xué)的發(fā)展對(duì)激光技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，作出過很大的貢獻(xiàn)。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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方法的建立，也成為研究原子光譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu)的有力工具，推動(dòng)了對(duì)原子能級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究。因此，在20世紀(jì)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(duì)原子碰撞的研究工作進(jìn)展很快，已成為原子物理學(xué)的

7、一個(gè)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(hào)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(jì)算方法。電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，加速了理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)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(dá)到了百萬分之一赫茲以下，時(shí)間分辨率接近萬億分之一秒量級(jí)，空間分辨達(dá)到光譜波長的數(shù)量級(jí)，實(shí)現(xiàn)了光譜在時(shí)間、空間上的高分辨。由于激光的功率密度已達(dá)到一千萬瓦每平方厘米以上，光波

8、電場場強(qiáng)已經(jīng)超過原子的內(nèi)場場強(qiáng)，強(qiáng)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(gè)十分活躍的研究方向。 極端物理?xiàng)l件(高溫、低溫、高壓、強(qiáng)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(gè)層次，是一個(gè)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(yùn)動(dòng)變化，是相互聯(lián)系、相互影響的，對(duì)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(shí)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(diǎn)，磁的現(xiàn)象是由運(yùn)動(dòng)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(shí)也就作為“電磁學(xué)”的簡稱。 期，由于磁現(xiàn)象曾被認(rèn)為是與電現(xiàn)象獨(dú)立無關(guān)的，同時(shí)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(kuò)大，所以磁學(xué)在實(shí)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(dú)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(gè)完整的分支學(xué)科，主要是基于兩個(gè)重要的實(shí)驗(yàn)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(gè)實(shí)驗(yàn)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(gè)理論體系，發(fā)展了對(duì)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(gè)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(gè)理論框架之內(nèi)，深刻地影響著人們認(rèn)識(shí)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(dòng)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(shí)驗(yàn)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(gè)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(duì)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(shí)。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(yán)謹(jǐn)?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(jì)阿拉伯人伊本海賽木發(fā)明透鏡；公元1590年到17世紀(jì)初，詹森和李普希同時(shí)獨(dú)立地發(fā)明顯微鏡；一直到17世紀(jì)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(jìn)行太陽光的實(shí)驗(yàn)，它把太陽光分解成簡單的組成部分，這些成分形成一個(gè)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(dāng)用白光照射時(shí)，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(dāng)用某一單色光照射時(shí)，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(shí)，根據(jù)光的直線傳播性，認(rèn)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(yùn)動(dòng)。牛頓用這種觀點(diǎn)對(duì)折射和反射現(xiàn)象作了解釋。 惠更斯是光的微粒說的反對(duì)者，他創(chuàng)立了光的波動(dòng)說。提出“光同聲一樣，是以球形波面?zhèn)鞑サ摹薄２⑶抑赋龉庹駝?dòng)所達(dá)到的每一點(diǎn)，都可視為次波的振動(dòng)中心、次波的包絡(luò)面為傳播波的波陣面(波前)。在整個(gè)18世紀(jì)中，光的微粒流理論和光的波動(dòng)理論都被粗略地提了出來，但都不很完整。 19世紀(jì)初，波動(dòng)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(bǔ)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(jìn)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(dòng)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(qiáng)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(gè)結(jié)論在1888年為赫茲的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。 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(diǎn)，包括對(duì)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(dòng)的媒質(zhì)，其唯一特點(diǎn)是，在這種媒質(zhì)中光振動(dòng)具有一定的傳播速度。 對(duì)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(rèn)為洛倫茲關(guān)于以太的概念是正確的話，則可將不動(dòng)的以太選作參照系，使人們能區(qū)別出絕對(duì)運(yùn)動(dòng)。而事實(shí)上，1887年

17、邁克耳遜用干涉儀測“以太風(fēng)”，得到否定的結(jié)果，這表明到了洛倫茲電子論時(shí)期，人們對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)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(rèn)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(gè)問題。量子論不但給光學(xué)，也給整個(gè)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(diǎn)。 1905年，愛因斯坦運(yùn)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(shí)

18、，光也是以光子為最小單位進(jìn)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(yùn)動(dòng)媒質(zhì)的電動(dòng)力學(xué)”一文。第一次提出了狹義相對(duì)論基本原理，文中指出，從伽利略和牛頓時(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速的情況，而他的新理論可解釋與很大運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)物體的光學(xué)現(xiàn)象。 這樣，在20世紀(jì)初，一方面從光的干涉、衍射、偏振以及運(yùn)動(dòng)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(dāng)時(shí)已能從實(shí)驗(yàn)上獲

19、得的原子光譜的超精細(xì)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(gè)最重要的基礎(chǔ)理論量子力學(xué)和狹義相對(duì)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(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)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(shí)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(qiáng)的輻射，即激光。1960年，梅曼用紅寶石制成第一臺(tái)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(gè)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(jiǎng)；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(jiǎng)。 自20世紀(jì)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(yùn)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(jìn)了的全息術(shù)，形成了一個(gè)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(qiáng)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(yùn)動(dòng)規(guī)律及能量轉(zhuǎn)換機(jī)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(dòng)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(gè)由實(shí)驗(yàn)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▌?dòng)光學(xué)在某些條件下的近似或極限。 物理光學(xué)是從光的波動(dòng)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(dòng)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(shí)所表現(xiàn)出的現(xiàn)象。 波動(dòng)光學(xué)的基礎(chǔ)就是經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的麥克斯韋方程組。波動(dòng)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(dòng)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(shí)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(duì)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(shí)，為了從理論上推導(dǎo)出得到的與實(shí)際相符甚好的經(jīng)驗(yàn)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(shí)推廣了普朗克的上述量子論，進(jìn)而提出了光子的概念。他認(rèn)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(dāng)光子照射到金屬表面時(shí)，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(jì)的那種累積能量的時(shí)間，電子把這能量的一部分用于克服金屬表面對(duì)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(dòng)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(dòng)力學(xué)。 光的這種既表現(xiàn)出波動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(dòng)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(qiáng)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(jì)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(yùn)動(dòng)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(shí)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(yùn)動(dòng)形態(tài)？它的宏觀性質(zhì)和內(nèi)部的微觀運(yùn)動(dòng)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(jì)和制備新的固體，研究其特性，開發(fā)其應(yīng)用。 在相當(dāng)長的時(shí)間里，人們研究的固體主要是晶體。早在18世紀(jì)，阿維對(duì)晶體外部的幾何規(guī)則性就有一定的認(rèn)識(shí)。后來，布喇格在1850年導(dǎo)出14種點(diǎn)陣。費(fèi)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(duì)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(yuǎn)。1912年勞厄等發(fā)現(xiàn)X射線通過晶體的衍射現(xiàn)象，證實(shí)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(duì)于磁有序結(jié)構(gòu)的晶體，增加了自旋磁矩有序排列的對(duì)稱性，直到20世紀(jì)50年代舒布尼科夫才建立了磁有序晶體的對(duì)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(diǎn)陣成像技術(shù)，在于晶體結(jié)構(gòu)的觀察方面有所進(jìn)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(dāng)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(jià)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(qiáng)度分析和晶體的物理、化學(xué)性質(zhì)，或者依據(jù)晶體價(jià)電子的局域密度分布的自洽理論計(jì)算，人們可以準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)確定了金屬導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性之間關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)定律；洛倫茲在1905年建立了自由電子的經(jīng)典統(tǒng)計(jì)理論，能夠解釋上述經(jīng)驗(yàn)定律，但無法說明常溫下金屬電子氣對(duì)比熱容貢獻(xiàn)甚小的原因；泡利在1927年首先用量子統(tǒng)計(jì)成功地計(jì)算了自由電子氣的順磁性，索末菲在1928年用量子統(tǒng)計(jì)求得電子氣的比熱

29、容和輸運(yùn)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(yùn)動(dòng)的基本特點(diǎn)，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(zhǔn)連續(xù)的能級(jí)組成的能帶。相鄰兩個(gè)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(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家對(duì)晶體的能帶進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和理論的基礎(chǔ)研究，同時(shí)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(gè)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(duì)的實(shí)際上是多體問題。在固體中，粒子之間種種各具特點(diǎn)的耦合方式，導(dǎo)致粒子具有特定的集體運(yùn)動(dòng)形式和個(gè)體運(yùn)動(dòng)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(diǎn)系的微振動(dòng)；1907年，愛因斯坦首先用量子論處理固體中原子的振動(dòng)。他的模型很簡單，各個(gè)原子獨(dú)立地作同一頻率的振動(dòng)；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(shí)開始建立點(diǎn)陣動(dòng)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(dòng)形成各種模式的點(diǎn)陣波，這種波的能量量子稱為聲子。它對(duì)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(shí)驗(yàn)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。考慮到電子間的互作用，能帶理論的單電子狀態(tài)變成準(zhǔn)電子狀態(tài)，但準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)粒子。 在很低的溫度，由于熱擾動(dòng)強(qiáng)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(dòng)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(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了磁通量子，實(shí)驗(yàn)值為倫敦預(yù)計(jì)值的一半，正好驗(yàn)證了庫珀提出的電子配對(duì)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(diǎn)陣波的耦合，并預(yù)言存在同位素效應(yīng)，同年得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。 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(duì)也有隧道效應(yīng)，幾個(gè)月之后果然實(shí)驗(yàn)證實(shí)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(gè)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(yùn)動(dòng)的變化。從20世紀(jì)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(huì)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(yùn)動(dòng)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(jì)理論，得出居里定律。順磁性的量子理論連同大量的實(shí)驗(yàn)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(dòng)力學(xué)、臨界現(xiàn)象等，19世紀(jì)吉布斯研究了相平衡的熱力學(xué)。后來厄任費(fèi)斯脫在1933年對(duì)各種相變作了分類。60年代以后，人們對(duì)發(fā)生相變點(diǎn)的臨界現(xiàn)象做了大量研究，總結(jié)出標(biāo)度律和普適性。卡達(dá)諾夫在1966年指出在臨界點(diǎn)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(biāo)度律和普適性，

35、并計(jì)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(duì)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(jí)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(zhǔn)備了基礎(chǔ)。 硬鐵磁體、硬超導(dǎo)體、高強(qiáng)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(qiáng)或硬，卻都依賴于材料中一種缺陷的運(yùn)動(dòng)。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(qiáng)度金屬中它是位錯(cuò)線，

36、采取適當(dāng)工藝使這些缺陷在材料的微結(jié)構(gòu)上被釘住不動(dòng)，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?cè)诟畹膶哟紊蟻硌芯侩s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?fù)鋵W(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(dú)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(gè)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(dú)具特征的表面粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，限制粒子只能在表面層內(nèi)運(yùn)動(dòng)并具有相應(yīng)的本征能量，它們的行為對(duì)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(diǎn)陣位置上隨機(jī)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(diǎn)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(kuò)展X射線吸收精細(xì)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(dú)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(kuò)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(yùn)性質(zhì)具有新穎的特點(diǎn)。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(qiáng)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(jī)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(shí)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(dá)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(gè)復(fù)雜的新領(lǐng)域，非晶態(tài)固體實(shí)際上是一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)。目前對(duì)許多基本問題還存在著爭論，有待進(jìn)一步的探索和研究。 新的實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(shí)，固體物理學(xué)的成就和實(shí)驗(yàn)手段對(duì)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(jī)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(jī)械波是指質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)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(dāng)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(jì)，人們都是把聲音理解為可聽聲的同義語。中國先秦時(shí)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(shí)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(duì)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(shí)代，畢達(dá)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(jì)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(dāng)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(duì)聲傳播方式的認(rèn)識(shí)外，對(duì)聲本質(zhì)的認(rèn)識(shí)也與今天的完全相同。在東西方，都認(rèn)為聲音是由物體運(yùn)動(dòng)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(rèn)識(shí)現(xiàn)在看起來很簡單，但是從古代人們的知

43、識(shí)水平來看，卻很了不起。 例如，很長時(shí)期內(nèi)，古代人們對(duì)日常遇到的光和熱就沒有正確的認(rèn)識(shí)，一直到牛頓的時(shí)代，人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)還有粒子說和波動(dòng)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(shí)間則更長，直到19世紀(jì)后期，恩格斯還對(duì)它進(jìn)行過批判。 對(duì)聲學(xué)的系統(tǒng)研究是從17世紀(jì)初伽利略研究單擺周期和物體振動(dòng)開始的。從那時(shí)起直到19世紀(jì)，幾乎所有杰出的物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家都對(duì)研究物體的振動(dòng)和聲的產(chǎn)生原理作過貢獻(xiàn)，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(yuǎn)地槍聲測聲速，以后方法又不斷改進(jìn)，到1738年巴黎科學(xué)院利用炮聲進(jìn)行測量，測

44、得結(jié)果折合為0時(shí)聲速為332米/秒，與目前最準(zhǔn)確的數(shù)值331.45米/秒只差0.15%，這在當(dāng)時(shí)“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(dòng)物體要推動(dòng)鄰近媒質(zhì)，后者又推動(dòng)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(gè)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(shí)驗(yàn)值相差很大。 達(dá)朗貝爾于1747年首次導(dǎo)出弦的波動(dòng)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(shí)，牛頓對(duì)聲波傳導(dǎo)的推導(dǎo)才正確，而實(shí)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(shí)驗(yàn)值就完全一致了。 直到19世紀(jì)末，接收聲波的“儀器”還只有人耳。人耳能聽到的最低聲強(qiáng)大約是1012瓦/米2，在1000Hz時(shí)，相應(yīng)的空氣質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(duì)聲的接收確實(shí)驚人。19世紀(jì)中就有不少人耳解剖的工作和對(duì)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(duì)聲刺激通過聽覺器官、神經(jīng)系統(tǒng)到達(dá)大腦皮層的過程有所了解，但這過程以后大腦皮層如何進(jìn)行分析、處理、判斷還有待進(jìn)一步研究

46、。 音調(diào)與頻率的關(guān)系明確后，對(duì)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(jì)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(jì)，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(qiáng)度的聲波，已使聲學(xué)研究的范圍遠(yuǎn)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(kuò)展，又發(fā)展了超聲學(xué)和次聲學(xué)；由于手段的改善，進(jìn)一步研究聽覺，發(fā)展了生理聲學(xué)和心理聲學(xué)；由于對(duì)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(jì)初以來，特別是2

48、0世紀(jì)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(jìn)了噪聲、噪聲控制、機(jī)械振動(dòng)和沖擊研究的發(fā)展高速大功率機(jī)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(yùn)動(dòng)、聲子和物質(zhì)的相互作用，以及一些準(zhǔn)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(jī)械輻射，機(jī)械輻射的意思是機(jī)械擾動(dòng)在物質(zhì)中的傳播。人類的活動(dòng)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(jī)械工程到醫(yī)學(xué)，從

49、微觀到宏觀，都是聲學(xué)家活動(dòng)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(diǎn)，因此有人主張聲學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)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(diǎn)振動(dòng)的方向與聲波傳播的方向垂直)，有時(shí)還有縱橫波。 聲波場中質(zhì)點(diǎn)每秒振動(dòng)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(qiáng)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(qiáng)范圍或聲壓范圍非常大，所以一般用對(duì)數(shù)表示。稱為聲強(qiáng)級(jí)或聲壓級(jí)，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(gè)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(dòng)，使用兩種方法時(shí)，都運(yùn)用了波動(dòng)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(duì)光波吸收很大，但對(duì)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(shí)造成結(jié)果上的極大差別，例如在普通實(shí)驗(yàn)室內(nèi)很容易驗(yàn)證光波的平方反比定律(光的強(qiáng)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?yàn)槭覂?nèi)各表面對(duì)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(shí)間(稱為混響時(shí)間)才消失。任何點(diǎn)的聲強(qiáng)都是這些直達(dá)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(duì)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(diǎn)，需要運(yùn)用不同的聲學(xué)方法進(jìn)行研究。波動(dòng)聲學(xué)也稱物理聲學(xué)，它是使用波動(dòng)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(jí)相近時(shí)必須用波動(dòng)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(dòng)(

53、稱為簡正振動(dòng)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(shí)，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(shí)，都用聲線概念。 統(tǒng)計(jì)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(dòng)方式很多，頻率分布很密時(shí)，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(jì)聲學(xué)方法推導(dǎo)。統(tǒng)計(jì)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(jì)能量技術(shù)解決很多問題，就是一例。 聲學(xué)儀器

54、 20世紀(jì)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(qiáng)范圍也有限。接收儀器主要是人耳，有時(shí)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(jì)以后，人們把電路理論應(yīng)用于換能器的設(shè)計(jì)，把晶體的壓電性用于聲信號(hào)和電信號(hào)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(hào)，使聲的產(chǎn)生和接收幾乎不受頻率和強(qiáng)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(dá)每小時(shí)一周以下，聲強(qiáng)可超過人耳所能接收高強(qiáng)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(dá)

55、到了高度準(zhǔn)確的程度，以計(jì)算機(jī)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(duì)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(shí)際的吸收系數(shù)比19世紀(jì)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(gè)事實(shí)導(dǎo)致了人們對(duì)弛豫過程的研究，這在對(duì)液體以及它們結(jié)構(gòu)的研究中起了很大作用。對(duì)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(duì)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(xiàn)。 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(hào)變成電信號(hào)，而電信號(hào)可經(jīng)過電子計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)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(duì)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(dá)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(shí)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(diǎn)陣等微小部分都是聲學(xué)的實(shí)驗(yàn)室。近年來在地震觀測中，測定了固體地球的簡正振動(dòng)，找出了地球內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確模型，月球上放置的地聲接收器對(duì)月球內(nèi)部監(jiān)測的結(jié)果，也同樣令人滿意。進(jìn)一步監(jiān)測地球內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)，最終必將實(shí)現(xiàn)對(duì)地震的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)從而避免大量傷亡和經(jīng)濟(jì)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(qiáng)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(jiǎng)，這是物理學(xué)家在邊緣學(xué)科中的工作受到了承認(rèn)的例子。目前主要由于對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)和大腦的確切活動(dòng)和作用機(jī)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(gè)裝到耳聽道內(nèi)的助聽器；保護(hù)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(qiáng)度超聲可加速傷口愈合，同時(shí)施用超聲和X射線可使對(duì)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(duì)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(yuǎn)比X射線優(yōu)越，而且不存在輻射病，但使用時(shí)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(dāng)代重大環(huán)境問題之一是噪聲污染，社會(huì)上對(duì)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(qiáng)的噪聲(90dB以上)中工作要造成耳聾外，不太強(qiáng)的噪聲對(duì)人也會(huì)形成干擾。例如噪聲級(jí)到70dB，對(duì)面談話就有