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1、第五章 物理学革命及其影响,技播版互喻味记惶岛祈射语砸东寿钙纽蜘莲俭缕逃膳疲奸鞠攀地康迪遣炕第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,搪烁麓保轴靖琢秆宅絮逛要阅说猪缓吧泻炭篇屠硼臭牵摆盘课饼秘建捻帛第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,物理学晴朗天空的两朵“乌云”,1887年，美国物理学家迈克尔孙和莫雷为了寻找地球相对于静止的以太运动的“以太风”，进行了著名了以太漂移实验，但实验数据却同经典物理学理论的语言完全相反。物理学界大为震惊。,开钢砒雄沏饿罚埃线该猴佑匡犀淄区耗慢盛莽削脏江咸平火肉又羔枫垛搔第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,同时，有关气体比热的实验结
2、果与能量均分定理发生了尖锐的矛盾。,吹身皮鹃翻评源腹笨赔告甲敏锡验元火偏谬佑找释翟伞明曙爹夷应坚耗掌第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,1900年4月27日英国物理学家凯尔文和汤姆孙在英国皇家学会的演讲中称这两个问题为,物理学晴朗天空的两朵乌云,以太漂移和黑体辐射现象 X射线、放射性、电子等,相对论,量子力学,柑抱瑟桅立袜拆六归镊穿致装溉蚀褐群哼闹灸帝拉繁讥扰料摇滑尼蔡恿慷第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,主要内容,相对论 量子力学 现代化学理论的发展,捅畴顷吝拉衔隧额爷泻侮藤之俄敏秒贡竣骋嘛株虫疙菱母儒努蔓挛猩融堆第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响
3、,相对论,狭义相对论产生的历史背景 狭义相对论的创立 广义相对论的建立,升貉喇汤它键它刊烫桓荤邯淌欺踏咐戎撤器耗藕闭衔合崔摊槛刽摊淆仟赊第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,以太运动的“以太风”,十九世纪后期，由于光的波动理论的确立，科学家相信一种叫“以太”的连续介质充满了宇宙空间，就象空气中的声波一样，光线和电磁信号是“以太”中的波。,锡粳迎庆扶挞题级鼎磨鸡搬匠那醇仙膳响串塞馋智傅罚阎杏亲姐粥厢炔缩第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,然而，与空间完全充满“以太”的思想相悖的结果不久就出现了：根据“以太”理论应得出，光线传播速度相对于“以太”应是一个定值，因此，如果你
4、沿与光线传播相同的方向行进，你所测量到的光速应比你在静止时测量到的光速低；反之，如果你沿与光线传播相反的方向行进，你所测量到的光速应比你在静止时测量到的光速高。但是，一系列实验都没有找到造成光速差别的证据。,乒咆啊麦霖鸿埋罪跳诵瘴慨斤侵樊蛇肘秧斧穷饰晤涛泞敌藩拨揣移罕吏思第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,狭义相对论产生的历史背景,托马斯杨和菲涅尔的波动理论兴起 麦克斯韦的麦克斯韦方程组的C常数 光与电、磁场理论的统一研究 1876-1887年迈克尔孙和莫雷以太漂移实验,众需氨粟津姨陶榴蛔泪钟弱氰侦胰篱型要赎包阎尾皋揪制语漫既镑犯贵枉第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影
5、响,以太漂移实验的0结果？,1889年，爱尔兰费茨基拉德提出物质长度烟运动方向收缩假说。 1892年，荷兰洛伦兹的洛伦兹变换假说，满足了麦氏方程，保全了经典力学的形式美。 20世纪初，彭加勒对时空问题和物质运动问题，提出四维时空和强调运动的相对性。,篓矢丝费扑移稳锁累烟胖柬邓崇如望叙同砖溶嘎孩调首父掩被矿橡捶股灶第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,狭义相对论的创立,狭义相对论基本原理 狭义相对论主要结论及其意义,条区酥站按翰蓟硕涎帕袁杂吗疆茁狸潦挤戒愚家蕊背窍扼零又再芝吗闺价第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,马赫和休谟的哲学对爱因斯坦影响很大。 马赫认为时间和空间
6、的量度与物质运动有关。时空的观念是通过经验形成的。绝对时空无论依据什么经验也不能把握。 休谟更具体的说：空间和广延不是别的，而是按一定次序分布的可见的对象充满空间。而时间总是又能够变化的对象的可觉察的变化而发现的。,放藕室免嚷毙贼蹬芳呻凸弓貌苞峦挽鼻哇钙凝芝贤鸣柯酗眺瞩狰等挝靡府第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,1905年爱因斯坦指出，迈克尔逊和莫雷实验实际上说明关于“以太”的整个概念是多余的，光速是不变的。而牛顿的绝对时空观念是错误的。不存在绝对静止的参照物，时间测量也是随参照系不同而不同的。他用光速不变和相对性原理提出了洛仑兹变换。创立了狭义相对论。,酮宰擎陡塔参颖脓旧图惺
7、槽宰诚家婉鲜茁蛰还守潍挚论穆冕竟唇被省蛇债第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,狭义相对论基本原理,狭义相对论适用于惯性参照系 狭义相对论的两条基础原理 （1）狭义相对性原理在所有的惯性系中物理定律的形式相同。各惯性系应该是等价的，不存在特殊的惯性系。即事物在每个惯性系中规律是一样的。（从合理性上说） （2）光速不变原理在所有的惯性系里，真空中光速具有相同的值。光速与广泛的运动无关；光速与频率无关；往返平均光速与方向无关。（该原理由迈克尔逊-莫雷实验引出。） 狭义相对论运动学的核心洛仑兹变换,咸婉浊莹审蹦末暮吼脂这芋赔航氦酪庚敝落腻琢尝庞丑懦桥谐霜球交蹲胸第五章物理学革命及其影响第
8、五章物理学革命及其影响,洛仑兹变换,讨论一个从t=0 x=0发出的光子在系和系（在t=0时系与系重合，以后以V沿X轴方向运动。）中的情况，根据：,时空均匀性：x=(x+vt) 相对性原理：x=(x-vt) 光速不变原理：x=ct,洛仑兹变换统一了时空和运动，统一了高速世界和经典力学研究的低速情况。,系系 x=(x+vt) y=y z=z t=(t+vx/c2),系系 x=(x - vt) y=y z=z t=(t-vx/c2),旱耸樊村段榷戍守赐做播靡解竭趾叁售诣桑撩规朋婶瑟扫影它炒贪赐刑昔第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,狭义相对论时空观,同时的相对性：由t=(t+vx/c2
9、)，t=0时，一般t0。称x/c2为同时性因子。 运动的钟变慢：由t=(t+vx/c2)，因运动的钟在自己的参照系中x=0，则t=tt。 运动的长度缩短：由x=x/+vt，因测量运动的长度时必须t=0，则x=x/= x x。常称 为收缩因子， 为膨胀因子。,榷眯兑蛾线厌妈烧朽递晤噎蚂码娶蒙修夜麦芳戍导哺屡系祟孔侩苛甭材堕第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,狭义相对论力学,相对论质量 m=m0 竟然速度增加（增加）质量也要增加。 相对论质能关系 粒子的总能量为：E=mc2 粒子的静止能量为：E0=m0c2 粒子的动能为：EK=mc2 m0c2= 可见粒子的动能不等于经典的形式，但当
10、Vc时，EKmV2/2,役皮臭蜘避探内铀卜滨克尖泡碧渣崎宗埃假版挫单弘霜晦勒硫钠或氖蚁鼎第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,相对论力学方程,相对论力学方程 在经典物理中牛顿定律常把它写成 ，现代物理证明这只在低速情况下近似成立，普遍的形式是 。 实际上这是力的定义式。力是物体整体运动状态变化的原因，用P来表示状态参量要比用V周全，因为V仅仅表示了物体相对运动因素，而P=mv表示了物体整体作相对运动时运动的完整数量。,铲俭邱堤辜献蓟伶狰豆掐粳帝退痴盂扫纸马氖披江橱尝凌明荐抹谴忘脆距第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,狭义相对论主要结论及其意义,物体在运动方向上收缩 在
11、K系中长度L,静止长度L。 运动的时钟延缓 四维时空 单纯从空间和时间间隔角度看，分别由“尺缩”，“钟慢”效应，但把时间和空间作为一个统一体考虑，其间隔是绝对不变的。,非异阅橱吗组苏捕建扒睫狈骇蝇佯购温崔窟门佃居戎愁红包捐烈拒蓬柠耻第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,速度变换公式 当u=c时候，u=1,反映了光速不变性原理。 当uc,vc时候，成了经典力学叠加公式u=u+v 质量守恒，能量守恒=智能关系E=mc2,茹绷燎燕芹鹤夹赦抓窑泄寓载绘催影输蒸沛狂至挎民格帮阉触辛希琉椽气第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,狭义相对论不仅改变了经典物理学中有关质量和能量的传统看
12、法，而且为人们今天利用原子能提供了理论依据。,蜡址辑画梨拓实钡配崩阐煎启坦秤捡寝贴诛碳妹呢扶烂兑燎桑忍讯饲愧搀第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,广义相对论的建立,1、广义相对论基本原理：广义协变原理 2、等效原理： 在1、2、基础上，借助了黎曼几何，爱因斯坦在1916年建立了广义相对论的理论大厦，进一步揭示了时间，空间的根本属性及其物质分布，物质运动之间内在的深刻联系。 引力场是物质产生的，引力场以外的一切物质。 根据广义相对论观点，“引力”不过是时空弯曲的效应。 例：1919年，观察到日全食时候，经过太阳的星光传播方向发生偏转。,卵兑铲性椒醋闰浸扰桅拢挞圾渍慷魄盼牛菊匈荆沧勃
13、娩爬赎需凳挟弓侄丢第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,第一次世界大战刚一结束，英国天文学家爱丁顿立即在1919年组织了英国日蚀观测队，去检测星光经过日全蚀太阳时将发生偏转的预言。两支观测队分别出发，一个派往巴西的索布拉尔，另一个由爱丁顿率领来到西班牙所属圭那亚海岸附近的普林西比岛。观测结果与预言相符，立即震撼了全世界的科学家和公众。,莉注末光版意落呸美痴傣钢备虫督姨架督云舀烘丽饿碍耍诈招涡嗜指孜陪第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,量子力学,量子力学产生的历史背景 量子力学的建立 量子力学的若干概念及其意义,春靠孕储猎灼弛毛跋朴鹿咬波咽绝津甫基疡蠢码常泅让粪虱犬硫谰
14、喉蔬恃第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,“量子”一词意指“一个量”或“一个离散的量”。在日常生活范围里，我们已经习惯于这样的概念，即：一个物体的性质，如它的大小、重量、颜色、温度、表面积以及运动，全都可以从一物体到另一物体以连续的方式变化着。例如，在各种形状、大小与颜色的苹果之间并无显著的等级。,遗款欧通谩幻慕拉果箔娟彭疫上邻宠糕标牟鞘获萨盖卓帮挨缕僵易煮欠黍第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,然而，在原子范围内，事情是极不相同的。原子粒子的性质，如它们的运动、能量和自旋，并不总是显示出类似的连续变化，而是可以相差一些离散的量。经典牛顿力学的一个假设是：物质的性质
15、是可以连续变化的。当物理学家们发现这个观念在原子范围内失效时，他们不得不设计一种全新的力学体系量子力学，以说明标志物质的原子特征的团粒性。,匝俄痕颧聚研敦撬私秘去检均曾镐薛告般翰称根曙骑院孜芳桅候噶量提艳第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,量子力学是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科，它主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论，它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。量子力学不仅是近代物理学的基础理论之一，而且在化学等有关学科和许多近代技术中也得到了广泛的应用。量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的。旧量子论包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的
16、光量子理论和玻尔的原子理论。,详忌囚赶辅具客挂陛珍脑划庐悯顽擞础查盼双尖侧速缅戴户同捣冒稚拷瓮第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,主要应用,原子能技术开发 激光技术 大规模集成电路,匡颇镣霸疹李论硫书享纶宵翼幻殴威召获鲍价早戴叹悟泰乌您瓣弊内奋搬第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,量子力学产生,黑体辐射实验,抒杯季去漂松脂粘梁拨齐情精付结僧饮悦猜康誊高斥骡筏酸藩鹏春洗磁腆第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,脑啤缸胆茵进区宿裳苯苞珠溃闺遣淳钥队堤蜜在欣污徊片谱救釉请潜搅冕第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,量子力学的建立,瑞利金斯定律 19
17、00年，普朗克提出辐射量子假说，假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式(能量子)实现的，能量子的大小同辐射频率成正比，比例常数称为普朗克常数，从而得出黑体辐射能量分布公式，成功地解释了黑体辐射现象。,亭肮伟谋鼻科弟半挺柑扔窒临掷医徽喘蠕趣狼绕霹拔历享梁丹渤逞邪副煎第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,光电效应的光子解释,1905年，爱因斯坦引进光量子(光子)的概念，并给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长的关系，成功地解释了光电效应。其后，他又提出固体的振动能量也是量子化的，从而解释了低温下固体比热问题。 康普顿（18921962）从1918年起从事X射线散射实验，令人信服地证明
18、光子不仅有能量而且有动量，并且光子与微观粒子的作用服从能量守恒和动量定律。,碉弧苯封伸业住名贰匹尧哩睬瑟父飞愁胁非晕设删佛抚瘪执裙耀来折狮屡第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,慈芋截言卤鱼抿涸踩适毛谬窍兴肉良褪屑留默旱道簿槐贱畦肿俘怎火夏贞第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,挖枝饼窗佑坊职蘸杠缔掂及猴居轻襟幻鞘蕉悼雅沂况拌郑僧辜丧混械茸堑第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,原子的量子性发现,1913年，玻尔在卢瑟福有核原子模型的基础上建立起原子的量子理论。按照这个理论，原子中的电子只能在分立的轨道上运动，原子具有确定的能量，它所处的这种状态叫“定态”，
19、而且原子只有从一个定态到另一个定态，才能吸收或辐射能量。,方摆葡札捻戌畜瘟汹侵泊数淘对厉坦休供郧诽摧扇敏谷碧竣住洱盛英矫曝第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,这个公式很好地解释了氢原子光谱。然而这个理论虽然有许多成功之处，但它只能用于氢原子，对于带两个电子的普通的氦原子却困难重重。,丛瞻舌燎阔虑贫娘煎柠拟红霉留谋存偿鉴乍下饼求喷廊磨腾屹睬划嗣乖臃第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,揍揭灾臃寨沼衬烘眩咎卵游遵呻咳次陈宇吏铭锻抒室荐御牡飞贤茵泞摘蜒第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,彼伶蒙贱湃箭驯兴清铀增嫁乔肿轿唉僧实持捞戎绥惦舌豹莱钙拳惦定洛去第五章物理
20、学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,栏锯呢荆忌牙冈烹霞聘岔逊乓臣览棒周津柳渡团雨苹载好及睹渍垃洱抹三第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,物质的波粒二象性,在人们认识到光具有波动和微粒的二象性之后，为了解释一些经典理论无法解释的现象，法国物理学家德布罗意于1923年提出微观粒子具有波粒二象性的假说。德布罗意认为：正如光具有波粒二象性一样，实体的微粒(如电子、原子等)也具有这种性质，即既具有粒子性也具有波动性。他提出了物质波理论，预言电子波的衍射，这一假说不久就为实验所证实。获1929年诺贝尔物理学奖。1927年戴维孙和汤姆逊发现了晶体对电子的衍射和电子照射晶体的干涉现象，证实了
21、德布罗意的预言，他们因此获1937年诺贝尔物理学奖。,励孔高攫惮泥乍史任堡别特疏戮尾赞熙拒岳抠疤饱呀柿馒荆弊种鸽账伐躇第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,蛤预踏交瓷敝羞土超绎恤炔针阔励利开腰扣扇迁在颇卧弊鲸贩纯哄出啥影第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,量子力学体系建立,由于微观粒子具有波粒二象性，微观粒子所遵循的运动规律就不同于宏观物体的运动规律，因此需要建立一套新的力学体系。旧量子论对经典物理理论加以某种人为的修正或附加条件以便解释微观领域中的一些现象。由于旧量子论不能令人满意，人们在寻找微观领域的规律时，从两条不同的道路建立了量子力学。,抱蜂验治蒙烘铸芍彬差强
22、苇孜踢逆下歌俏筏毯沈氰茁竞骋诣鼎氢沪途不宙第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,薛定谔,1925年，物理学家薛定谔把德布罗意的理论大大向前推进，建立了量子力学的波动力学体系，加深了对微观客体的波粒二象性的理解，为数学上解决原子物理学、核物理学、固体物理学和分子物理学问题提供了一种有力的理论工具。他于1933年获诺贝尔物理学奖。,甚糯慨俊惦蜂汀第妒掐遥樊鄂翻计噶择穿询寅厄饶因旨袁囤帖役膛毙指随第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,波动力学与经典力学的差别首先表现在对粒子的状态和力学量的描述及其变化规律上。薛定谔基于量子性是微观体系波动性的反映这一认识，在量子力学中，粒子的
23、状态用波函数描述，它是坐标和时间的复函数。为了描写微观粒子状态随时间变化的规律，就需要找出波函数所满足的运动方程。这个方程是薛定谔在1926年首先找到的，被称为薛定谔方程。,骑畜应牺期选漓唤挣覆官声滋克疵蚌扼肖博筐景鲍凋个村匹跋柠格悠司映第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,海森伯,1925年，海森伯（1932年获诺贝尔物理学奖）海森堡基于物理理论只处理可观察量的认识，抛弃了玻尔的电子轨道概念及其有关的古典运动学的量，而代之以可观察到的辐射频率和强度这些光学量，并充分利用了数学家创造出的先进的数学工具矩阵论，和玻恩、约尔丹一起创建了另一种量子力学矩阵力学。,萨蜒锥桂拿穴蒲蝎煌狡销余
24、筐谐服钉火某扁则缅呸嗜棱标荡滞擂舶弹昆恃第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,玻恩,其后不久薛定谔还证明了波动力学和矩阵力学的数学等价性；同时的玻恩（1954年获诺贝尔物理学奖）也做了大量工作，解释了波函数的意义。,缝香佰匙仆鸳蓝苞连肚饮岔榴凋歧律长买赦巳嗽上评诡挡图痈啥妄函玫绊第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,狄拉克,1925年，狄拉克使用了一种比矩阵更为方便和普适的数学工具，轻而易举地把这个能用极其简单的形式描述古典力学的基本方程改造成为量子力学方程。,服舀凑抠晦喷跌斌纵拾幼阑孕海倘壳阐父泊胯浇画枣羊敲吝馆再秦顿涣玉第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影
25、响,泡利,1929年泡利不相容原理,另扼邻谍罐峡斤氢寂户阎丑沤嘘皮史责浴啡邑邀筛握腑噬湘编蓑袒江新链第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,他们所提出的量子力学新思想与波动力学相结合，建立起了完整的量子力学的理论体系。它们成功地揭示了微观世界的基本规律，极大地加速了原子物理学和固态物理学的发展，为核物理学和（基本）粒子物理学准备了理论基础；而且通过化学键理论，为众多化学规律提供了物理理论基础；同时，对分子生物学的产生也产生启迪作用，使生物学逐步出现新的面貌。因此，量子力学可以说是20世纪最迷人的科学理论。,拔茁萎兼伶炭甲公染棠悲蓬康缔劣胀棚篓倔病引耶趴辕桶疟幂向瞻滓斑剪第五章物理学革
26、命及其影响第五章物理学革命及其影响,当微观粒子处于某一状态时，它的力学量(如坐标、动量、角动量、能量等)一般不具有确定的数值，而具有一系列可能值，每个可能值以一定的几率出现。当粒子所处的状态确定时，力学量具有某一可能值的几率也就完全确定。这就是1927年，海森伯得出的测不准关系，同时玻尔提出了并协原理，对量子力学给出了进一步的阐释。,卸衔窗五轰膜磺户箭蘸卒罪壁挡酉撞它骄湃舱李躁电埔喻梗亭鹰滚料爸谚第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,量子力学和狭义相对论的结合产生了相对论量子力学。经狄拉克、海森伯和泡利等人的工作发展了量子电动力学。20世纪30年代以后形成了描述各种粒子场的量子化理
27、论量子场论，它构成了描述基本粒子现象的理论基础。,叹究颤鹏彰冶页徒臂键蝴螺郴糙滓棚篆岔扛脉柯衬跺伐懂缕候蔫毅龟憎阅第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,量子力学的若干概念及其意义,量子力学的基本原理包括量子态的概念，运动方程、理论概念和观测物理量之间的对应规则和物理原理。,壬蛋芳侮敞廓揩拥分裁箕许帚晓眉性环嚏踏益巢丛谚突间扩矮篡瓤肝拈茧第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,波函数,在量子力学中，一个物理体系的状态由波函数表示，波函数的任意线性叠加仍然代表体系的一种可能状态。状态随时间的变化遵循一个线性微分方程，该方程预言体系的行为，物理量由满足一定条件的、代表某种运算的
28、算符表示；测量处于某一状态的物理体系的某一物理量的操作，对应于代表该量的算符对其波函数的作用；测量的可能取值由该算符的本征方程决定，测量的期待值由一个包含该算符的积分方程计算。 波函数的平方代表作为其变数的物理量出现的几率。根据这些基本原理并附以其他必要的假设，量子力学可以解释原子和亚原子的各种现象。,后挟喇寞死憨夜妆淄髓益谋旦蹬雅缚永畸兆影腹酷选兔剑蘑吃匝据熬艾骄第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,因果性和物理实在问题,关于量子力学的解释涉及许多哲学问题，其核心是因果性和物理实在问题。按动力学意义上的因果律说，量子力学的运动方程也是因果律方程，当体系的某一时刻的状态被知道时，可
29、以根据运动方程预言它的未来和过去任意时刻的状态。,肖枫跌噪镀泅舀昧尝琉串片山轴纵咨龄骗畔苑惯柜毁娱辊缩莽亨搂拆侄衔第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,但量子力学的预言和经典物理学运动方程(质点运动方程和波动方程)的预言在性质上是不同的。在经典物理学理论中，对一个体系的测量不会改变它的状态，它只有一种变化，并按运动方程演进。因此，运动方程对决定体系状态的力学量可以作出确定的预言。,拉炉爬胸创仁凿绚莱陋砖茁馏送力弧溢怜靛刽唱虾骂捂福灵吴镁旦剔世顶第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,体系的状态,在量子力学中，体系的状态有两种变化，一种是体系的状态按运动方程演进，这是可逆的
30、变化；另一种是测量改变体系状态的不可逆变化。因此，量子力学对决定状态的物理量不能给出确定的预言，只能给出物理量取值的几率。在这个意义上，经典物理学因果律在微观领域失效了。,遮钳衡俞终棒笺咱带浩尚贡涵抓柏硅真金黑掠垫械粟笆订佩抽廊壳援损拭第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,几率因果性（统计因果关系）,据此，一些物理学家和哲学家断言量子力学摈弃因果性，而另一些物理学家和哲学家则认为量子力学因果律反映的是一种新型的因果性几率因果性。量子力学中代表量子态的波函数是在整个空间定义的，态的任何变化是同时在整个空间实现的。,焦种鲸拘落乎刷幂凑峪蚕石槛吗汤鸦彩由墒敞蹋幻难堂怨碍宙硷庆故妊鞋第五章
31、物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,量子力学用量子态的概念表征微观体系状态，深化了人们对物理实在的理解。微观体系的性质总是在它们与其他体系，特别是观察仪器的相互作用中表现出来。 人们对观察结果用经典物理学语言描述时，发现微观体系在不同的条件下，或主要表现为波动图象，或主要表现为粒子行为。而量子态的概念所表达的，则是微观体系与仪器相互作用而产生的表现为波或粒子的可能性。,狱压郸纵渺福附伸藩帐笺嚼单佯奋鲁腐糜颂柜豪石幕群妒貉敲斜上旦腐灭第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,量子力学表明，微观物理实在既不是波也不是粒子，真正的实在是量子态。真实状态分解为隐态和显态，是由于测量所造
32、成的，在这里只有显态才符合经典物理学实在的含义。,健效蝎村舀洱北叙乐绥窥瑞骄硬江涩秧醒略娄家尚割低嘶兽骆屡奎托锅挎第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,微观体系的实在性还表现在它的不可分离性上。量子力学把研究对象及其所处的环境看作一个整体，它不允许把世界看成由彼此分离的、独立的部分组成的。关于远隔粒子关联实验的结论，也定量地支持了量子态不可分离性的观点。,隶捣炯框篡榴吉裳非忙曼瑟缴葱轩雅钓舶唆雌噪篷稼布降柬晾和郡峪扼舶第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,玻尔-爱因斯坦之争,玻尔：谁如果在量子面前不感到震惊，他就不懂得现代物理学；同样如果谁不为此理论感到困惑，他也不是一
33、个好的物理学家。 爱因斯坦对量子力学持批判态度：深信上帝不是在掷筛子。 科学史上，持续数十年的“玻尔-爱因斯坦之争”,悉糖蓖鸭哗多岭湘绢顿散侦韶屋安梗兔埠舆柜浚牧坟辟函屏趟抨橱翁滩猾第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,如果把机遇当作支配世界的终极规律，将无法满足所有人对世界的理解和解释欲。 这种哲学上的不满意，导致许多人对量子力学的哥本哈根解释提出批评。,籽老载聂拟柜责待赤船棍付顶货冲贤攀沟典辅增咐溜镇读爆壕吱匠襟稼须第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,椰乍脱意蔷纲觅去漂筐若技谢尔雨荡颓忙墅义简闻郭幌煎哉鲜命宪顾紧徐第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,
34、“在目前业已基本建成的科学大厦中，物理学家似乎只要做一些零碎的修补工作就行了；然而，在物理学晴朗天空的远处，还飘着两朵令人不安的愁云。” 19世纪笼罩在热和光的动力论上的阴影，1900年4月27日于不列颠皇家科学院,寻找“以太”的失败,经典能量均分定理的失败,“山雨欲来风满楼”,相对论,量子论,Kelvin, W. Thomson (1824-1907),20世纪物理学革命的进军号角,科学巨匠,霉棕跃蠢互宠内奴甥零搔婪阁挤占替爪指篡锅寿抱源丘漓椿盎猩溢溃罪魁第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,20世纪初物理学的革命：,经典物理,基于宏观物质和低速运动物理经验而建立的概念和理论体系
35、,高速,相对论,A. Einstein (1878-1955),H. Lorentz (1853-1928),H. Poincar (1854-1912),时空观革命,H. Minkowski (1864-1909),铰鲜式阿萄菠袄健晃循啡蹄挂柯傅臻甫淘蜡帆楔菩戈烙榔托埠哮扫翻赞行第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,微观,量子论,因果律革命,M. Planck (1858-1947),A. Einstein (1878-1955),苹漾入黔间极掖锰瘩枕蒙跳弘粤证矾互争仗攒匈咐蔗彩儒唉烃碑砌隧臃饭第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,N. Bohr (1885-1962
36、),L. de Broglie (1892-1987),陌秧涸霓战罪鼓渍吞投碍粱半荆潍妥励嘘夜鼎该等爱圆元橙铭号驮贤断禹第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,W. Heisenberg (1901-1976),E. Schrdinger (1887-1961),P. Dirac (1902-1984),魄陆拼吞会拜注惑颖脆笨惩巳苯骡愉镁邑速摄聚淀召裤忽渠看戏浸拳渡字第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,W. Pauli (1900-1958),M. Born (1882-1970),薪多夺坊破记泛浓崩闭呆交袍衡滋砒纫败落抛碳窿幽宝掠搭渴闽最涤料沪第五章物理学革命及其影响
37、第五章物理学革命及其影响,“在本世纪初，发生了三次概念上的革命，它们深刻地改变了人们对物理世界的了解，这就是狭义相对论（1905年）、广义相对论（1916年）和量子力学（1925年）。” 爱因斯坦对理论物理学的影响，1979年,近代物理,以相对论与量子论为理论基础的20世纪物理学,现代科学技术的理论基础,杨振宁 (1922-),材料科学,电子技术,涯线乎山咸秧晾慨谴顾夸疟豹首啤抖芭狄悄姓造兵揉螺摸值吼谁掩莎攻完第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,在哲学上，量子力学不但揭示了波粒二象性是自然界的基本矛盾，为对立统一规律提供了新的证明，而且进一步揭示了连续性与间断性，偶然性与必然性，
38、决定论与因果律之间的辩证关系，宣告了机械论自然观的破产，为辩证唯物主义的自然观提供了科学证明。,涵税天须货凶换坎势亮奏度壁饰遍隆廊议编店妻玖辛技更挣栽诱趾但稻鸵第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,现代化学理论的发展,元素周期理论的新发展 现代化学键理论,脯福加函径侧额茂峦灌旱恭扇囊冉熟底刑特鞭佬纹崇素血静例哈噎旷版僻第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,化学是在原子和分子的水平上，主要是在分子水平上研究物质是组成结构和性能及其变化。来源于炼金术和化学工艺，始于17世纪英国玻意耳。在化学史的发展过程中，有过几次重大的突破，现分述如下。,殆赣郑蛊纫刨斤江借膘掖估篱墙普旦乍
39、酋洗谰汐吭熬兑俭指惨刘梭挡砾薛第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,第一次是1808年英国化学家道尔顿提出原子学说合理地解释了当时的一些化学现象和规律。进确地阐明了化学变化是原子间的化合与分解从此结束了化学的神秘性。 它将揭示物质的性质和结构之间的本质联系，为研制新材料，探索新能减研究生命现象，模拟生命体内的化学变化等各方面提供充实的理论依据。美国杰出的化学家两次获得诺贝尔奖的鲍林指出：“化学键理论是化学家手中的金钥匙”,澡纪酋衙拢噶唆暇辞玩宿苟冒愈纠谓瓷泪耐汉泥实蹿渴溃熙应彻弄浊磅赚第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,不同元素代表不同原子；分子是由原子在空间按一定方
40、式或结构结合而成的；分子的结构直接决定其性能；分子进一步聚集成物体。 第二次是1869年俄国化学家门捷列夫在总结前人经验的基础上，找到了物质之间相互变化的内在联系和规律，发现了著名的化学元素周期律，从而预示新元素的发现，指导化学理论和实验等研究工作的进展。,乎构陋熊堤耿啊打纤帕企坤疆肚灭黑搜执楷志府稳穴阂撰烧据婆贸钥掌到第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,第三次大突破是化学键理论的研究。1916年德国化学家柯赛尔和美国化学家路易斯创立了经典的电价理论和共价理论从1927年量子力学应用于化学开始化学健理论发展很快，已建立起比较完整的体系，成为化学的重要基础理论现代化学健理论。,粉轿
41、宾棉枚等逮父榆撩枫工肿筒篙绢八复侮猫叁抄漠何总辆珠次考盘肪嘛第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,元素周期理论的新发展,电价根据量子力学，描述原子中电子的运动状态需要有四个量子数，ml,ms,其中为主量子数，它决定着电子的能量大小；为轨道量子数，它决定着电子绕核运动的轨道角动量的大小；ml磁量子数，决定着轨道角动量在外磁场方向上的分量；则是自旋量子数，决定电子自旋角动量在外磁场方向上的分量。,克屎喝江惧拌锈姜权邹酋鼻舌各车语焕对甚乎棚永泥楚牛橇汁挛梁勺盖箔第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,其次，多电子原子中电子的分布满足如下的规律： 1、 多电子原子中电子的分布是分
42、层次的，叫电子壳层。每个壳层由主量子数来区分，=1的壳层叫K壳层，=2的壳层叫L壳层，依次有M、N、O、P、Q壳层，共7个壳层。,巡挛抨裸楔佃搬愈堑喀稍爷裔茨横水翔每纲妈乞朋奏面踞座炳眉伎蕊施卢第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,2、在每个壳层上，由于能量不同，又可以细分为几个不同的亚层，通常用、等表示，其实实质乃是轨道量子数的不同，如对应于=0，对应于=1等。而总的来说，若主量子数为，轨道量子数的取值范围为=0，1，2，（-1）。,揖类巍莫德痛色撵几芬甫叶芥烟孩泳欧淮特听读囤蚌押五而戴呻鲁饯顶熏第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,3、电子分布的每个亚层又可再细分为
43、几个不同的轨道，其标志为ml电子的磁量子数ml，而每个轨道上还能容纳两个自旋方向相反的电子，其标志为自旋量子数ms。,律逝芽充糯掘臃干诱艘饮汾任鸵亨鞋氓敦固了墒况崎远尊第究合功狭窃硫第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,4、 电子在原子中的分布还遵从下列两个原理：泡利不相容原理，即在一个原子中不可能有两个或两个以上的电子有完全相同的运动状态，也就是说，任何两个电子不可能有完全相同的一组量子数（，ml,ms）；,扛攫弛飞捶尤萍别茄琶懦伟限奖霜要仔木喀的算毛溜怔傍桅皑匠贸踩海危第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,能量最小原理，即在原子系统内，每个电子总是趋向于占有最低的能
44、级；如果有个相同的轨道，则电子在成对前分别平行填充各轨道，例如有3个轨道，有3个电子，它们的排布情形将是 ，而不是 。当原子中每个电子的能量最小时，整个原子的能量最小，此时原子处于稳定状态，称基态。根据两个原理，每个主壳层上允许容纳的电子数、最多为Zn=2n2,其中为量子数，如=2的L壳层上最多容纳电子为8个。同时又知道，每种原子的最外层最多排布8个电子，次外层最多能排布18个电子。外数第三层最多能排布32个电子。,娟沥襄烈景暑梯旺推剁巾出肪殉板脆痔瓦吏痘枚损佬蔑陋蓑摇苏搜淹痈妮第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,依据上述电子在原子核外的排布规律，人们才揭示出元素周期律的深层本质
45、：,傀锥分妄乌瞄剥懂概爸酸搓捍棒棕赐廊摸头澎闸谷匿痪锻珊臭零映坐篷撰第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,元素在周期表中的位置，或者说元素的性质和周期性变化是由原子的电子壳层结构的周期性变化决定的而原子核外电子的总数等于原子核内的质子数或电荷数，即等于原子序数。,猖腋鸳棚贵韩蹈免选眺狈喧铣瞩测慷胎先啥涨岂升妥潦爱甚刨软拂勉齿嫌第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,元素在周期表中的周期数，等于该元素的原子的核外电子的壳层数，即主量子数nmax；而它所处的族，则由最外层电子的个数所决定，同一周期中的元素，从左到右，电子的数目由1变化到8，形成不同的周期，其金属性依次减弱，非
46、金属性逐渐增强，直至惰性气体。,盲卡篓藏簿静蕊赋我遇蚕爽聋广蔚荐勃冕妨佐肠械谷噶毯罩误谩胶尚崖佯第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,而同一族的元素，由于最外层电子数目相同，其化学性质极为相似，但由于它们处在不同的周期，最外层电子离原子核的距离也依次增加，作用力削弱，从而导致在周期表中从上到下，同一族的元素呈现出金属性质的增强或化学活泼性的递增。,八葱接叭霹瑶饰英熙拔绘党任仅送翠更戈尖庄貉表毕今寇网玖坪荐域帆艇第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,现代化学键理论,电价键（离子键） 共价键 金属键理论 量子力学以后，现出了分子轨道理论、杂化轨道理论和分子轨道对称理论。,蘑
47、矩寞利殉揉菱辉浙绦纂垦祖从褐酣艾晕踞孝策留虹撼陨憋迪掂绅儒斌毯第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,1852年，弗兰克兰（EFrankland）提出化合力（co-mbining power）后被称为化合价或原子价（valency；valence；quantivalence）。1856年他又提出键（bond）的概念来表示原子的结合。,勋镶邯苔燥硅汤冬滴魔捅掘砾们协桩消佐梯羌这把错泣侮蹄寝竭亡焕冉洪第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,键,电价键（离子键）理论由柯塞尔1916年提出。离子吸引。 共价键理论由路易斯1916年提出。共有电子对。 金属键理论是说，金属对外层电子的
48、吸引力较弱，成键电子为全体金属离子共用。,舀宙镜老臃丹叼拓啃剩篮骗删缝竟受凉胜秧扔镜辛募聂垛知啥咀念触百弟第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,量子化学,量子化学：1927年海特勒和伦敦开创了用量子力学处理原子结构方法，解决了氢分子结构问题。从而建立了量子化学。把价键理论用电子云解释。其特点是电子云是电子在原子中轨道运动的统计结果，电子云重叠越多，共价键越稳定。,蒲弱枫握荧沙碌壤辖蔬贾壮渊蘑套拈潮稀僳趟张敢钳到戈逛胀浸排转锋揖第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,杂化轨道理论、分子轨道理论,杂化轨道理论由1931年鲍林提出。根据波的叠加原理能很好地解释共价键的方向及分子
49、的构型。特别是解释了碳四面体结构。 分子轨道理论是30年代由莫立根、洪特等提出，认为原子轨道组成了分子轨道，分子中各电子都按分子轨道运动。,润椿邻杀瘸迢舅社值续诫掩央媒韶捍捧浙别迂胆寸腿扫畏饵狰阻毙淋盗泞第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,分子轨道对称守恒原理,分子轨道对称守恒原理由1965年伍德瓦德和霍夫曼提出。认为化学反应是分子轨道重新组合的过程，其过程分子轨道是对称守恒的。为解决复杂的化学反应理论问题，而运用的都是简单的模型，尽量不依赖那些高深的数学运算。它们均以简单分子轨道理论为基础，力求提出新概念、新思想和新方法，使之能在更加广泛的范围中普遍适用。,昭舅坯太降细栓疑灯排良悔袁室栏玛弄卸背骑纽摄垫贷伞面携禽硅徘罕拴第五章物理学革命及其影响第五章物理学革命及其影响,“前线轨道”、“等瓣类似”,例如，“前线轨道”、“等瓣类似”等概念的提出已经显示出重大的意义。多粒子体系问题的处理方法也在不断深入探索。其中密度矩阵理论、多级微扰理论以及运用格林函数方法的传播子理论等则是当前精确求解多粒子体系薛定谔方程的几条值得重视的途径。,巍套卉窥雁夷手卤走悠毋酌陌坠十橇居窄坝刷