第五章 物理學(xué)革命及其影響課件

第五章物理學(xué)革命及其影響第五章物理學(xué)革命及其影響第五章物理學(xué)革命及其影響物理學(xué)晴朗天空的兩朵“烏云”1887年，美國物理學(xué)家邁克爾孫和莫雷為了尋找地球相對于靜止的以太運動的“以太風(fēng)”，進(jìn)行了著名了以太漂移實驗，但實驗數(shù)據(jù)卻同經(jīng)典物理學(xué)理論的語言完全相反。物理學(xué)界大為震驚。第五章物理學(xué)革命及其影響同時，有關(guān)氣體比熱的實驗結(jié)果與能量均分定理發(fā)生了尖銳的矛盾。第五章物理學(xué)革命及其影響1900年4月27日英國物理學(xué)家凱爾文和湯姆孫在英國皇家學(xué)會的演講中稱這兩個問題為物理學(xué)晴朗天空的兩朵烏云以太漂移和黑體輻射現(xiàn)象X射線、放射性、電子等相對論量子力學(xué)第五章物理學(xué)革命及其影響主要內(nèi)容相對論量子力學(xué)現(xiàn)代化學(xué)理論的發(fā)展第五章物理學(xué)革命及其影響相對論狹義相對論產(chǎn)生的歷史背景狹義相對論的創(chuàng)立廣義相對論的建立第五章物理學(xué)革命及其影響以太運動的“以太風(fēng)”十九世紀(jì)后期，由于光的波動理論的確立，科學(xué)家相信一種叫“以太”的連續(xù)介質(zhì)充滿了宇宙空間，就象空氣中的聲波一樣，光線和電磁信號是“以太”中的波。第五章物理學(xué)革命及其影響然而，與空間完全充滿“以太”的思想相悖的結(jié)果不久就出現(xiàn)了：根據(jù)“以太”理論應(yīng)得出，光線傳播速度相對于“以太”應(yīng)是一個定值，因此，如果你沿與光線傳播相同的方向行進(jìn)，你所測量到的光速應(yīng)比你在靜止時測量到的光速低；反之，如果你沿與光線傳播相反的方向行進(jìn)，你所測量到的光速應(yīng)比你在靜止時測量到的光速高。但是，一系列實驗都沒有找到造成光速差別的證據(jù)。

第五章物理學(xué)革命及其影響?yīng)M義相對論產(chǎn)生的歷史背景托馬斯·楊和菲涅爾的波動理論興起麥克斯韋的麥克斯韋方程組的C常數(shù)光與電、磁場理論的統(tǒng)一研究1876-1887年邁克爾孫和莫雷以太漂移實驗第五章物理學(xué)革命及其影響以太漂移實驗的0結(jié)果？1889年，愛爾蘭費茨基拉德提出物質(zhì)長度煙運動方向收縮假說。1892年，荷蘭洛倫茲的洛倫茲變換假說，滿足了麥?zhǔn)戏匠?，保全了?jīng)典力學(xué)的形式美。20世紀(jì)初，彭加勒對時空問題和物質(zhì)運動問題，提出四維時空和強(qiáng)調(diào)運動的相對性。第五章物理學(xué)革命及其影響?yīng)M義相對論的創(chuàng)立狹義相對論基本原理狹義相對論主要結(jié)論及其意義第五章物理學(xué)革命及其影響馬赫和休謨的哲學(xué)對愛因斯坦影響很大。馬赫認(rèn)為時間和空間的量度與物質(zhì)運動有關(guān)。時空的觀念是通過經(jīng)驗形成的。絕對時空無論依據(jù)什么經(jīng)驗也不能把握。休謨更具體的說：空間和廣延不是別的，而是按一定次序分布的可見的對象充滿空間。而時間總是又能夠變化的對象的可覺察的變化而發(fā)現(xiàn)的。第五章物理學(xué)革命及其影響1905年愛因斯坦指出，邁克爾遜和莫雷實驗實際上說明關(guān)于“以太”的整個概念是多余的，光速是不變的。而牛頓的絕對時空觀念是錯誤的。不存在絕對靜止的參照物，時間測量也是隨參照系不同而不同的。他用光速不變和相對性原理提出了洛侖茲變換。創(chuàng)立了狹義相對論。第五章物理學(xué)革命及其影響?yīng)M義相對論基本原理狹義相對論適用于慣性參照系狹義相對論的兩條基礎(chǔ)原理（1）狹義相對性原理——在所有的慣性系中物理定律的形式相同。各慣性系應(yīng)該是等價的，不存在特殊的慣性系。即事物在每個慣性系中規(guī)律是一樣的。（從合理性上說）（2）光速不變原理——在所有的慣性系里，真空中光速具有相同的值。光速與廣泛的運動無關(guān)；光速與頻率無關(guān)；往返平均光速與方向無關(guān)。（該原理由邁克爾遜-莫雷實驗引出。）狹義相對論運動學(xué)的核心——洛侖茲變換第五章物理學(xué)革命及其影響洛侖茲變換討論一個從t=0x=0發(fā)出的光子在Σ系和Σ’系（在t=0時Σ’系與Σ系重合，以后Σ’以V沿X軸方向運動。）中的情況，根據(jù)：時空均勻性：x=γ(x’+vt’)相對性原理：x’=γ(x-vt)光速不變原理：x=ct洛侖茲變換統(tǒng)一了時空和運動，統(tǒng)一了高速世界和經(jīng)典力學(xué)研究的低速情況。Σ’系→Σ系x=γ(x’+vt’)y=y’

z=z’

t=γ(t’+vx’/c2)Σ系→Σ’系x’=γ(x-vt)y’=yz’=zt’=γ(t-vx/c2)第五章物理學(xué)革命及其影響?yīng)M義相對論時空觀①同時的相對性：由Δt=γ(Δt’+vΔx’/c2)，Δt’=0時，一般Δt≠0。稱x’/c2為同時性因子。②運動的鐘變慢：由Δt=γ(Δt’+vΔx’/c2)，因運動的鐘在自己的參照系中Δx’=0，則Δt=γΔt’≥Δt’。③運動的長度縮短：由Δx=Δx’/γ+vΔt，因測量運動的長度時必須Δt=0，則Δx=Δx’/γ=Δx’≤Δx’。常稱為收縮因子，為膨脹因子。第五章物理學(xué)革命及其影響?yīng)M義相對論力學(xué)

相對論質(zhì)量m=γm0

竟然速度ｖ增加（γ增加）質(zhì)量ｍ也要增加。相對論質(zhì)能關(guān)系粒子的總能量為：E=mc2粒子的靜止能量為：E0=m0c2粒子的動能為：EK=mc2

–m0c2=可見粒子的動能不等于經(jīng)典的形式，但當(dāng)V<<c時，EK≈mV2/2第五章物理學(xué)革命及其影響相對論力學(xué)方程相對論力學(xué)方程在經(jīng)典物理中牛頓定律常把它寫成，現(xiàn)代物理證明這只在低速情況下近似成立，普遍的形式是。實際上這是力的定義式。力是物體整體運動狀態(tài)變化的原因，用P來表示狀態(tài)參量要比用V周全，因為V僅僅表示了物體相對運動因素，而P=mv表示了物體整體作相對運動時運動的完整數(shù)量。第五章物理學(xué)革命及其影響?yīng)M義相對論主要結(jié)論及其意義物體在運動方向上收縮在K系中長度L,靜止長度L。運動的時鐘延緩四維時空單純從空間和時間間隔角度看，分別由“尺縮”，“鐘慢”效應(yīng)，但把時間和空間作為一個統(tǒng)一體考慮，其間隔是絕對不變的。第五章物理學(xué)革命及其影響速度變換公式

當(dāng)u’=c時候，u=1,反映了光速不變性原理。當(dāng)u<<c,v<<c時候，成了經(jīng)典力學(xué)疊加公式u’=u+v質(zhì)量守恒，能量守恒=〉智能關(guān)系E=mc2第五章物理學(xué)革命及其影響?yīng)M義相對論不僅改變了經(jīng)典物理學(xué)中有關(guān)質(zhì)量和能量的傳統(tǒng)看法，而且為人們今天利用原子能提供了理論依據(jù)。第五章物理學(xué)革命及其影響廣義相對論的建立1、廣義相對論基本原理：廣義協(xié)變原理2、等效原理：在1、2、基礎(chǔ)上，借助了黎曼幾何，愛因斯坦在1916年建立了廣義相對論的理論大廈，進(jìn)一步揭示了時間，空間的根本屬性及其物質(zhì)分布，物質(zhì)運動之間內(nèi)在的深刻聯(lián)系。引力場是物質(zhì)產(chǎn)生的，引力場以外的一切物質(zhì)。根據(jù)廣義相對論觀點，“引力”不過是時空彎曲的效應(yīng)。例：1919年，觀察到日全食時候，經(jīng)過太陽的星光傳播方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。第五章物理學(xué)革命及其影響第一次世界大戰(zhàn)剛一結(jié)束，英國天文學(xué)家愛丁頓立即在1919年組織了英國日蝕觀測隊，去檢測星光經(jīng)過日全蝕太陽時將發(fā)生偏轉(zhuǎn)的預(yù)言。兩支觀測隊分別出發(fā)，一個派往巴西的索布拉爾，另一個由愛丁頓率領(lǐng)來到西班牙所屬圭那亞海岸附近的普林西比島。觀測結(jié)果與預(yù)言相符，立即震撼了全世界的科學(xué)家和公眾。第五章物理學(xué)革命及其影響量子力學(xué)量子力學(xué)產(chǎn)生的歷史背景量子力學(xué)的建立量子力學(xué)的若干概念及其意義第五章物理學(xué)革命及其影響“量子”一詞意指“一個量”或“一個離散的量”。在日常生活范圍里，我們已經(jīng)習(xí)慣于這樣的概念，即：一個物體的性質(zhì)，如它的大小、重量、顏色、溫度、表面積以及運動，全都可以從一物體到另一物體以連續(xù)的方式變化著。例如，在各種形狀、大小與顏色的蘋果之間并無顯著的等級。第五章物理學(xué)革命及其影響然而，在原子范圍內(nèi)，事情是極不相同的。原子粒子的性質(zhì)，如它們的運動、能量和自旋，并不總是顯示出類似的連續(xù)變化，而是可以相差一些離散的量。經(jīng)典牛頓力學(xué)的一個假設(shè)是：物質(zhì)的性質(zhì)是可以連續(xù)變化的。當(dāng)物理學(xué)家們發(fā)現(xiàn)這個觀念在原子范圍內(nèi)失效時，他們不得不設(shè)計一種全新的力學(xué)體系——量子力學(xué)，以說明標(biāo)志物質(zhì)的原子特征的團(tuán)粒性。第五章物理學(xué)革命及其影響量子力學(xué)是研究微觀粒子的運動規(guī)律的物理學(xué)分支學(xué)科，它主要研究原子、分子、凝聚態(tài)物質(zhì)，以及原子核和基本粒子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的基礎(chǔ)理論，它與相對論一起構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)。量子力學(xué)不僅是近代物理學(xué)的基礎(chǔ)理論之一，而且在化學(xué)等有關(guān)學(xué)科和許多近代技術(shù)中也得到了廣泛的應(yīng)用。量子力學(xué)是在舊量子論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。舊量子論包括普朗克的量子假說、愛因斯坦的光量子理論和玻爾的原子理論。第五章物理學(xué)革命及其影響主要應(yīng)用原子能技術(shù)開發(fā)激光技術(shù)大規(guī)模集成電路第五章物理學(xué)革命及其影響量子力學(xué)產(chǎn)生黑體輻射實驗第五章物理學(xué)革命及其影響第五章物理學(xué)革命及其影響量子力學(xué)的建立瑞利－金斯定律1900年，普朗克提出輻射量子假說，假定電磁場和物質(zhì)交換能量是以間斷的形式(能量子)實現(xiàn)的，能量子的大小同輻射頻率成正比，比例常數(shù)稱為普朗克常數(shù)，從而得出黑體輻射能量分布公式，成功地解釋了黑體輻射現(xiàn)象。第五章物理學(xué)革命及其影響光電效應(yīng)的光子解釋1905年，愛因斯坦引進(jìn)光量子(光子)的概念，并給出了光子的能量、動量與輻射的頻率和波長的關(guān)系，成功地解釋了光電效應(yīng)。其后，他又提出固體的振動能量也是量子化的，從而解釋了低溫下固體比熱問題。康普頓（1892—1962）從1918年起從事X射線散射實驗，令人信服地證明光子不僅有能量而且有動量，并且光子與微觀粒子的作用服從能量守恒和動量定律。第五章物理學(xué)革命及其影響第五章物理學(xué)革命及其影響第五章物理學(xué)革命及其影響原子的量子性發(fā)現(xiàn)1913年，玻爾在盧瑟福有核原子模型的基礎(chǔ)上建立起原子的量子理論。按照這個理論，原子中的電子只能在分立的軌道上運動，原子具有確定的能量，它所處的這種狀態(tài)叫“定態(tài)”，而且原子只有從一個定態(tài)到另一個定態(tài)，才能吸收或輻射能量。第五章物理學(xué)革命及其影響這個公式很好地解釋了氫原子光譜。然而這個理論雖然有許多成功之處，但它只能用于氫原子，對于帶兩個電子的普通的氦原子卻困難重重。第五章物理學(xué)革命及其影響第五章物理學(xué)革命及其影響第五章物理學(xué)革命及其影響第五章物理學(xué)革命及其影響物質(zhì)的波粒二象性在人們認(rèn)識到光具有波動和微粒的二象性之后，為了解釋一些經(jīng)典理論無法解釋的現(xiàn)象，法國物理學(xué)家德布羅意于1923年提出微觀粒子具有波粒二象性的假說。德布羅意認(rèn)為：正如光具有波粒二象性一樣，實體的微粒(如電子、原子等)也具有這種性質(zhì)，即既具有粒子性也具有波動性。他提出了物質(zhì)波理論，預(yù)言電子波的衍射，這一假說不久就為實驗所證實。獲1929年諾貝爾物理學(xué)獎。1927年戴維孫和湯姆遜發(fā)現(xiàn)了晶體對電子的衍射和電子照射晶體的干涉現(xiàn)象，證實了德布羅意的預(yù)言，他們因此獲1937年諾貝爾物理學(xué)獎。第五章物理學(xué)革命及其影響第五章物理學(xué)革命及其影響量子力學(xué)體系建立由于微觀粒子具有波粒二象性，微觀粒子所遵循的運動規(guī)律就不同于宏觀物體的運動規(guī)律，因此需要建立一套新的力學(xué)體系。舊量子論對經(jīng)典物理理論加以某種人為的修正或附加條件以便解釋微觀領(lǐng)域中的一些現(xiàn)象。由于舊量子論不能令人滿意，人們在尋找微觀領(lǐng)域的規(guī)律時，從兩條不同的道路建立了量子力學(xué)。第五章物理學(xué)革命及其影響薛定諤1925年，物理學(xué)家薛定諤把德布羅意的理論大大向前推進(jìn)，建立了量子力學(xué)的波動力學(xué)體系，加深了對微觀客體的波粒二象性的理解，為數(shù)學(xué)上解決原子物理學(xué)、核物理學(xué)、固體物理學(xué)和分子物理學(xué)問題提供了一種有力的理論工具。他于1933年獲諾貝爾物理學(xué)獎。第五章物理學(xué)革命及其影響波動力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)的差別首先表現(xiàn)在對粒子的狀態(tài)和力學(xué)量的描述及其變化規(guī)律上。薛定諤基于量子性是微觀體系波動性的反映這一認(rèn)識，在量子力學(xué)中，粒子的狀態(tài)用波函數(shù)描述，它是坐標(biāo)和時間的復(fù)函數(shù)。為了描寫微觀粒子狀態(tài)隨時間變化的規(guī)律，就需要找出波函數(shù)所滿足的運動方程。這個方程是薛定諤在1926年首先找到的，被稱為薛定諤方程。第五章物理學(xué)革命及其影響海森伯1925年，海森伯（1932年獲諾貝爾物理學(xué)獎）海森堡基于物理理論只處理可觀察量的認(rèn)識，拋棄了玻爾的電子軌道概念及其有關(guān)的古典運動學(xué)的量，而代之以可觀察到的輻射頻率和強(qiáng)度這些光學(xué)量，并充分利用了數(shù)學(xué)家創(chuàng)造出的先進(jìn)的數(shù)學(xué)工具－矩陣論，和玻恩、約爾丹一起創(chuàng)建了另一種量子力學(xué)——矩陣力學(xué)。第五章物理學(xué)革命及其影響玻恩其后不久薛定諤還證明了波動力學(xué)和矩陣力學(xué)的數(shù)學(xué)等價性；同時的玻恩（1954年獲諾貝爾物理學(xué)獎）也做了大量工作，解釋了波函數(shù)的意義。第五章物理學(xué)革命及其影響狄拉克1925年，狄拉克使用了一種比矩陣更為方便和普適的數(shù)學(xué)工具，輕而易舉地把這個能用極其簡單的形式描述古典力學(xué)的基本方程改造成為量子力學(xué)方程。第五章物理學(xué)革命及其影響泡利1929年泡利不相容原理第五章物理學(xué)革命及其影響他們所提出的量子力學(xué)新思想與波動力學(xué)相結(jié)合，建立起了完整的量子力學(xué)的理論體系。它們成功地揭示了微觀世界的基本規(guī)律，極大地加速了原子物理學(xué)和固態(tài)物理學(xué)的發(fā)展，為核物理學(xué)和（基本）粒子物理學(xué)準(zhǔn)備了理論基礎(chǔ)；而且通過化學(xué)鍵理論，為眾多化學(xué)規(guī)律提供了物理理論基礎(chǔ)；同時，對分子生物學(xué)的產(chǎn)生也產(chǎn)生啟迪作用，使生物學(xué)逐步出現(xiàn)新的面貌。因此，量子力學(xué)可以說是20世紀(jì)最迷人的科學(xué)理論。第五章物理學(xué)革命及其影響當(dāng)微觀粒子處于某一狀態(tài)時，它的力學(xué)量(如坐標(biāo)、動量、角動量、能量等)一般不具有確定的數(shù)值，而具有一系列可能值，每個可能值以一定的幾率出現(xiàn)。當(dāng)粒子所處的狀態(tài)確定時，力學(xué)量具有某一可能值的幾率也就完全確定。這就是1927年，海森伯得出的測不準(zhǔn)關(guān)系，同時玻爾提出了并協(xié)原理，對量子力學(xué)給出了進(jìn)一步的闡釋。第五章物理學(xué)革命及其影響量子力學(xué)和狹義相對論的結(jié)合產(chǎn)生了相對論量子力學(xué)。經(jīng)狄拉克、海森伯和泡利等人的工作發(fā)展了量子電動力學(xué)。20世紀(jì)30年代以后形成了描述各種粒子場的量子化理論——量子場論，它構(gòu)成了描述基本粒子現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)。第五章物理學(xué)革命及其影響量子力學(xué)的若干概念及其意義量子力學(xué)的基本原理包括量子態(tài)的概念，運動方程、理論概念和觀測物理量之間的對應(yīng)規(guī)則和物理原理。第五章物理學(xué)革命及其影響波函數(shù)在量子力學(xué)中，一個物理體系的狀態(tài)由波函數(shù)表示，波函數(shù)的任意線性疊加仍然代表體系的一種可能狀態(tài)。狀態(tài)隨時間的變化遵循一個線性微分方程，該方程預(yù)言體系的行為，物理量由滿足一定條件的、代表某種運算的算符表示；測量處于某一狀態(tài)的物理體系的某一物理量的操作，對應(yīng)于代表該量的算符對其波函數(shù)的作用；測量的可能取值由該算符的本征方程決定，測量的期待值由一個包含該算符的積分方程計算。波函數(shù)的平方代表作為其變數(shù)的物理量出現(xiàn)的幾率。根據(jù)這些基本原理并附以其他必要的假設(shè)，量子力學(xué)可以解釋原子和亞原子的各種現(xiàn)象。第五章物理學(xué)革命及其影響因果性和物理實在問題關(guān)于量子力學(xué)的解釋涉及許多哲學(xué)問題，其核心是因果性和物理實在問題。按動力學(xué)意義上的因果律說，量子力學(xué)的運動方程也是因果律方程，當(dāng)體系的某一時刻的狀態(tài)被知道時，可以根據(jù)運動方程預(yù)言它的未來和過去任意時刻的狀態(tài)。第五章物理學(xué)革命及其影響但量子力學(xué)的預(yù)言和經(jīng)典物理學(xué)運動方程(質(zhì)點運動方程和波動方程)的預(yù)言在性質(zhì)上是不同的。在經(jīng)典物理學(xué)理論中，對一個體系的測量不會改變它的狀態(tài)，它只有一種變化，并按運動方程演進(jìn)。因此，運動方程對決定體系狀態(tài)的力學(xué)量可以作出確定的預(yù)言。第五章物理學(xué)革命及其影響體系的狀態(tài)在量子力學(xué)中，體系的狀態(tài)有兩種變化，一種是體系的狀態(tài)按運動方程演進(jìn)，這是可逆的變化；另一種是測量改變體系狀態(tài)的不可逆變化。因此，量子力學(xué)對決定狀態(tài)的物理量不能給出確定的預(yù)言，只能給出物理量取值的幾率。在這個意義上，經(jīng)典物理學(xué)因果律在微觀領(lǐng)域失效了。第五章物理學(xué)革命及其影響幾率因果性（統(tǒng)計因果關(guān)系）據(jù)此，一些物理學(xué)家和哲學(xué)家斷言量子力學(xué)擯棄因果性，而另一些物理學(xué)家和哲學(xué)家則認(rèn)為量子力學(xué)因果律反映的是一種新型的因果性——幾率因果性。量子力學(xué)中代表量子態(tài)的波函數(shù)是在整個空間定義的，態(tài)的任何變化是同時在整個空間實現(xiàn)的。第五章物理學(xué)革命及其影響量子力學(xué)用量子態(tài)的概念表征微觀體系狀態(tài)，深化了人們對物理實在的理解。微觀體系的性質(zhì)總是在它們與其他體系，特別是觀察儀器的相互作用中表現(xiàn)出來。人們對觀察結(jié)果用經(jīng)典物理學(xué)語言描述時，發(fā)現(xiàn)微觀體系在不同的條件下，或主要表現(xiàn)為波動圖象，或主要表現(xiàn)為粒子行為。而量子態(tài)的概念所表達(dá)的，則是微觀體系與儀器相互作用而產(chǎn)生的表現(xiàn)為波或粒子的可能性。第五章物理學(xué)革命及其影響量子力學(xué)表明，微觀物理實在既不是波也不是粒子，真正的實在是量子態(tài)。真實狀態(tài)分解為隱態(tài)和顯態(tài)，是由于測量所造成的，在這里只有顯態(tài)才符合經(jīng)典物理學(xué)實在的含義。第五章物理學(xué)革命及其影響微觀體系的實在性還表現(xiàn)在它的不可分離性上。量子力學(xué)把研究對象及其所處的環(huán)境看作一個整體，它不允許把世界看成由彼此分離的、獨立的部分組成的。關(guān)于遠(yuǎn)隔粒子關(guān)聯(lián)實驗的結(jié)論，也定量地支持了量子態(tài)不可分離性的觀點。第五章物理學(xué)革命及其影響玻爾-愛因斯坦之爭玻爾：誰如果在量子面前不感到震驚，他就不懂得現(xiàn)代物理學(xué)；同樣如果誰不為此理論感到困惑，他也不是一個好的物理學(xué)家。愛因斯坦對量子力學(xué)持批判態(tài)度：深信上帝不是在擲篩子。。。。?？茖W(xué)史上，持續(xù)數(shù)十年的“玻爾-愛因斯坦之爭”第五章物理學(xué)革命及其影響如果把機(jī)遇當(dāng)作支配世界的終極規(guī)律，將無法滿足所有人對世界的理解和解釋欲。這種哲學(xué)上的不滿意，導(dǎo)致許多人對量子力學(xué)的哥本哈根解釋提出批評。第五章物理學(xué)革命及其影響第五章物理學(xué)革命及其影響“在目前業(yè)已基本建成的科學(xué)大廈中，物理學(xué)家似乎只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了；然而，在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還飄著兩朵令人不安的愁云?！?/p>

——《19世紀(jì)籠罩在熱和光的動力論上的陰影》，1900年4月27日于不列顛皇家科學(xué)院尋找“以太”的失敗經(jīng)典能量均分定理的失敗“山雨欲來風(fēng)滿樓”相對論量子論Kelvin,W.Thomson(1824-1907)20世紀(jì)物理學(xué)革命的進(jìn)軍號角科學(xué)巨匠第五章物理學(xué)革命及其影響20世紀(jì)初物理學(xué)的革命：經(jīng)典物理基于宏觀物質(zhì)和低速運動物理經(jīng)驗而建立的概念和理論體系高速相對論A.Einstein(1878-1955)H.Lorentz(1853-1928)H.Poincaré(1854-1912)時空觀革命絕對相對H.Minkowski(1864-1909)第五章物理學(xué)革命及其影響微觀量子論因果律革命決定統(tǒng)計TheNobelPrizeinPhysics1918inrecognitionoftheservicesherenderedtotheadvancementofPhysicsbyhisdiscoveryofenergyquantaM.Planck(1858-1947)TheNobelPrizeinPhysics1921forhisservicestoTheoreticalPhysics,andespeciallyforhisdiscoveryofthelawofthephotoelectriceffectA.Einstein(1878-1955)第五章物理學(xué)革命及其影響TheNobelPrizeinPhysics1922forhisservicesintheinvestigationofthestructureofatomsandoftheradiationemanatingfromthemN.Bohr(1885-1962)forhisdiscoveryofthewavenatureofelectronsTheNobelPrizeinPhysics1929L.deBroglie(1892-1987)第五章物理學(xué)革命及其影響TheNobelPrizeinPhysics1932forthecreationofquantummechanics,theapplicationofwhichhas,interalia,ledtothediscoveryoftheallotropicformsofhydrogenW.Heisenberg(1901-1976)TheNobelPrizeinPhysics1933forthediscoveryofnewproductiveformsofatomictheoryE.Schr?dinger(1887-1961)P.Dirac(1902-1984)第五章物理學(xué)革命及其影響TheNobelPrizeinPhysics1945forthediscoveryoftheExclusionPrinciple,alsocalledthePauliPrincipleW.Pauli(1900-1958)TheNobelPrizeinPhysics1954(sharedwithW.Bothe)forhisfundamentalresearchinquantummechanics,especiallyforhis

statisticalinterpretationofthewavefunctionM.Born(1882-1970)

第五章物理學(xué)革命及其影響“在本世紀(jì)初，發(fā)生了三次概念上的革命，它們深刻地改變了人們對物理世界的了解，這就是狹義相對論（1905年）、廣義相對論（1916年）和量子力學(xué)（1925年）?！?/p>

——《愛因斯坦對理論物理學(xué)的影響》，1979年近代物理以相對論與量子論為理論基礎(chǔ)的20世紀(jì)物理學(xué)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的理論基礎(chǔ)楊振寧(1922-)材料科學(xué)電子技術(shù)第五章物理學(xué)革命及其影響在哲學(xué)上，量子力學(xué)不但揭示了波粒二象性是自然界的基本矛盾，為對立統(tǒng)一規(guī)律提供了新的證明，而且進(jìn)一步揭示了連續(xù)性與間斷性，偶然性與必然性，決定論與因果律之間的辯證關(guān)系，宣告了機(jī)械論自然觀的破產(chǎn)，為辯證唯物主義的自然觀提供了科學(xué)證明。第五章物理學(xué)革命及其影響現(xiàn)代化學(xué)理論的發(fā)展元素周期理論的新發(fā)展現(xiàn)代化學(xué)鍵理論第五章物理學(xué)革命及其影響化學(xué)是在原子和分子的水平上，主要是在分子水平上研究物質(zhì)是組成結(jié)構(gòu)和性能及其變化。來源于煉金術(shù)和化學(xué)工藝，始于17世紀(jì)英國玻意耳。在化學(xué)史的發(fā)展過程中，有過幾次重大的突破，現(xiàn)分述如下。第五章物理學(xué)革命及其影響第一次是1808年英國化學(xué)家道爾頓提出原子學(xué)說．合理地解釋了當(dāng)時的一些化學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律。進(jìn)確地闡明了化學(xué)變化是原子間的化合與分解．從此結(jié)束了化學(xué)的神秘性。它將揭示物質(zhì)的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)之間的本質(zhì)聯(lián)系，為研制新材料，探索新能減研究生命現(xiàn)象，模擬生命體內(nèi)的化學(xué)變化等各方面提供充實的理論依據(jù)。美國杰出的化學(xué)家兩次獲得諾貝爾獎的鮑林指出：“化學(xué)鍵理論是化學(xué)家手中的金鑰匙”第五章物理學(xué)革命及其影響不同元素代表不同原子；分子是由原子在空間按一定方式或結(jié)構(gòu)結(jié)合而成的；分子的結(jié)構(gòu)直接決定其性能；分子進(jìn)一步聚集成物體。第二次是1869年俄國化學(xué)家門捷列夫在總結(jié)前人經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，找到了物質(zhì)之間相互變化的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了著名的化學(xué)元素周期律，從而預(yù)示新元素的發(fā)現(xiàn)，指導(dǎo)化學(xué)理論和實驗等研究工作的進(jìn)展。第五章物理學(xué)革命及其影響第三次大突破是化學(xué)鍵理論的研究。1916年德國化學(xué)家柯賽爾和美國化學(xué)家路易斯創(chuàng)立了經(jīng)典的電價理論和共價理論．從1927年量子力學(xué)應(yīng)用于化學(xué)開始．化學(xué)健理論發(fā)展很快，已建立起比較完整的體系，成為化學(xué)的重要基礎(chǔ)理論——現(xiàn)代化學(xué)健理論。第五章物理學(xué)革命及其影響元素周期理論的新發(fā)展電價根據(jù)量子力學(xué)，描述原子中電子的運動狀態(tài)需要有四個量子數(shù)ｎ，ｌ，ml,ms,其中ｎ為主量子數(shù)，它決定著電子的能量大小；ｌ為軌道量子數(shù)，它決定著電子繞核運動的軌道角動量的大小；ml磁量子數(shù)，決定著軌道角動量在外磁場方向上的分量；則是自旋量子數(shù)，決定電子自旋角動量在外磁場方向上的分量。第五章物理學(xué)革命及其影響其次，多電子原子中電子的分布滿足如下的規(guī)律：1、多電子原子中電子的分布是分層次的，叫電子殼層。每個殼層由主量子數(shù)ｎ來區(qū)分，ｎ=1的殼層叫K殼層，ｎ=2的殼層叫L殼層，依次有M、N、O、P、Q殼層，共7個殼層。第五章物理學(xué)革命及其影響2、在每個殼層上，由于能量不同，又可以細(xì)分為幾個不同的亞層，通常用ｓ、ｐ、ｄ、ｆ等表示，其實實質(zhì)乃是軌道量子數(shù)ｌ的不同，如ｓ對應(yīng)于ｌ=0，ｐ對應(yīng)于ｌ=1等。而總的來說，若主量子數(shù)為ｎ，軌道量子數(shù)ｌ的取值范圍為ｌ=0，1，2，…（ｎ-1）。第五章物理學(xué)革命及其影響3、電子分布的每個亞層又可再細(xì)分為幾個不同的軌道，其標(biāo)志為ml電子的磁量子數(shù)ml，而每個軌道上還能容納兩個自旋方向相反的電子，其標(biāo)志為自旋量子數(shù)ms。第五章物理學(xué)革命及其影響4、電子在原子中的分布還遵從下列兩個原理：①泡利不相容原理，即在一個原子中不可能有兩個或兩個以上的電子有完全相同的運動狀態(tài)，也就是說，任何兩個電子不可能有完全相同的一組量子數(shù)（ｎ，ｌ，ml,ms）；第五章物理學(xué)革命及其影響②能量最小原理，即在原子系統(tǒng)內(nèi)，每個電子總是趨向于占有最低的能級；如果有ｎ個相同的軌道，則電子在成對前分別平行填充各軌道，例如有3個ｐ軌道，有3個電子，它們的排布情形將是↑↑↑，而不是↑↓↑。當(dāng)原子中每個電子的能量最小時，整個原子的能量最小，此時原子處于穩(wěn)定狀態(tài)，稱基態(tài)。根據(jù)兩個原理，每個主殼層上允許容納的電子數(shù)、最多為Zn=2n2,其中ｎ為量子數(shù)，如ｎ=2的L殼層上最多容納電子為8個。同時又知道，每種原子的最外層最多排布8個電子，次外層最多能排布18個電子。外數(shù)第三層最多能排布32個電子。第五章物理學(xué)革命及其影響依據(jù)上述電子在原子核外的排布規(guī)律，人們才揭示出元素周期律的深層本質(zhì)：第五章物理學(xué)革命及其影響元素在周期表中的位置，或者說元素的性質(zhì)和周期性變化是由原子的電子殼層結(jié)構(gòu)的周期性變化決定的而原子核外電子的總數(shù)等于原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)或電荷數(shù)，即等于原子序數(shù)。第五章物理學(xué)革命及其影響元素在周期表中的周期數(shù)，等于該元素的原子的核外電子的殼層數(shù)，即主量子數(shù)nmax；而它所處的族，則由最外層電子的個數(shù)所決定，同一周期中的元素，從左到右，電子的數(shù)目由1變化到8，形成不同的周期，其金屬性依次減弱，非金屬性逐漸增強(qiáng)，直至惰性氣體。第五章物理學(xué)革命及其影響而同一族的元素，由于最外層電子數(shù)目相同，其化學(xué)性質(zhì)極為相似，但由于它們處在不同的周期，最外層電子離原子核的距離也依次增加，作用力削弱，從而導(dǎo)致在周期表中從上到下，同一族的元素呈現(xiàn)出金屬性質(zhì)的增強(qiáng)或化學(xué)活潑性的遞增。第五章物理學(xué)革命及其影響現(xiàn)代化學(xué)鍵理論電價鍵（離子鍵）共價鍵金屬鍵理論