近代物理实验选修.ppt
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1、近代物理实验 (选修) 主 讲:郑 乔 联系电话:7935553,一、近代物理,在19世纪末,经典力学、热力学、统计物理学和电动力学取得一系列成就,物理学家建立了一座座宏伟的科学大厦。此时,不少人认为,后辈物理学家似乎只有做一些零碎的修补工作就行了。但是,“在物理学晴朗的天空出现了两朵令人不安的“乌云”(开尔文1900.4)”。一朵是迈克尔逊-莫雷实验(相对论);一朵是与 黑体辐射有关(量子力学)。正是这两朵乌云,掀起了物理学上深刻的革命近代物理的蓬勃发展。,近代物理的内容: 1、量子力学和狭义相对论 (微型计算机、激光和光通信、核能、纳米科学、同步辐射) 2、原子和分子(化学、生物学、材料科
2、学、 超导) 3、原子核和粒子(核能开发、核技术应用) 4、广义相对论和天体(正确的时空观) 5、混沌(非线性科学),一、原子和分子理论的几个代表性事件 1、原子的行星模型 原子中带正电部分集中在原子中心很小的体积中,但它占有整个原子99.9%以上的质量,电子围绕原子核做不停的转动。 它的意义及困难 最重要的意义是提出了原子的“核式结构,根据这一模型,利用散射来研究物质结构的方法成为材料分析的有力手段。例:用粒子对月球表面的卢瑟福散射,分析了月球表面的成分,与取样结果基本符合。,无法解释原子的稳定性。由于电子在做加速运动时不断地失去自己的能量,从而向着核作螺旋形的运动,最终掉到核内,使正负电荷
3、中和,原子完全崩溃(原子坍塌)。 2、黑体辐射的普朗克的量子假说 若一物体对什么光都吸收而无反射,我们就称这种物体为“绝对黑体”简称黑体。 一束光一旦从狭缝射入空腔后,就难再通过狭缝反射出去,这个空腔的开口就可以被看成是黑体。,如图所示 经典: 普朗克:,电磁辐射的能量交换只能是量子化的,即 由于普朗克的量子说与经典物理的概念严重背离,正式提出五年之后,没有人理会,直到1905年才由爱因斯坦作了发展,提出光的量子说,用E=h成功地解释了光电效应。 3、著名的传统实验 光电效应,密立根油滴实验 夫兰克-赫兹实验、,4、目前的著名实验 原子的概念并非是一种假设,目前人们不但能观测到实实在在的原子,
4、还能在某些特定条件下人为地操纵和控制它们。下图就是用扫描隧道显微镜的探针在铜的表面上逐个将48个铁原子摆成的直径为142.6A0的圆环。,没有原子结构模型的研究,就不会有今天的近代物理(量子力学)的高楼大厦。 随着对物质结构更深层次的研究的不断深化,近十年来,人们又在做“油滴实验”企图寻找分数电荷。(近代物理的很多实验都是有着很强的生命力),二、原子核和粒子 原子核是物质结构的一个层次。它介于原子与粒子之间,是由质子与中子(统称核子)组成的非相对论量子多体体系。 原子核在物质结构“链”上所处的地位如图:,5、原子物理与其它学科的关系:,基于原子核物理的核磁共振技术在已在物理学、化学、材料科学、
5、生命科学和医学领域得到广泛的应用。(今年生物和医学的诺贝尔奖) 核磁共振:原子核的磁矩在恒定磁场和高频磁场同时作用且满足一定条件时所发生的共振吸收现象。 一个磁矩和一个恒定磁场的相互作用能为:,由于相互作用能的大小远小于原来核能级的相邻能级间的能量差,原来的一个核能级附加上相互作用能,只能分裂为2I+1个子能级。只有从交变电磁场吸收能量h,处于低子能级的原子核就可以跃迁至高子能级。 即:恒定电磁场保证能级分裂,交变电磁场使其产生可观察的吸收峰。当把恒定的电磁场变为在空间有梯度的电磁场时,不同空间处的物体或同一样品的不同位置处的点,相互作用能不同。如同物体成象时的位相不同一样,其共振频率不同,所
6、表现出的吸收谱不同核磁共振成像技术。,三、广义相对论与天体 1、广义相对论 基于两个基本原理:等效原理和广义相对论原理。其中等效原理是整个广义相对论的基础和出发点,而等效原理的出发点是实验事实。 等效原理:物质惯性质量等于引力质量 广义相对论原理:物理定律在一切参考系中都具有相同的形式,或者说物理规律的表述都相同,即它们在任意坐标变换下都具有协变性。所谓协变性,就是在坐标变换下公式或方程的形式不变。这样对物理规律而言一切参考系都平等,彻底消除了惯性系的特殊地位。,2、天体的研究方法 一是测量天体离我们的距离,二是获取天体的物理信息。 物理信息的获得光谱测量 能够探明天体上发光体的化学组成,探明
7、它所含有的原子、分子、离子以及其它粒子的丰度;了解它所在的局部物质状态、温度、密度、磁场、电场;在近三四十年里,人们能探测到的已不仅仅是可见光,已经扩展到包括射电、红外、紫外以及X射线等在内的整个电磁波谱的各波段。为了减少地球大气层、电离层的影响,人们尽可能把天文望远镜用卫星送上太空。除哈勃太空望远镜外,正在规划中的世界空间观测站计划把紫外天文卫星发射到地球150万公里的太空。,3、光谱的获得 传统方法: 光谱是用光谱仪测量的,其种类繁多。但基本结构原理相近,大致由三部分组成:光源、分光器(棱镜,或光栅);记录仪(把分出的不同成分的光强记录下来)下图是棱镜摄谱仪的原理图,利用光敏器件制成的传感
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