大學(xué)物理，當(dāng)代物理前沿專題部分

前言

　　本書第一版是我國同類圖書中的第一本，內(nèi)容涉及20世紀(jì)末很多物理學(xué)前沿領(lǐng)域的成就，因此是一本不太容易讀的書。然而在出版后的七年多的時(shí)間里，它的讀者群竟能在數(shù)量和廣度上都大大超出我們的想像，還出了繁體字版，與之配套的錄像獲得了教育部和新聞出版署聯(lián)合頒發(fā)的第二屆全國優(yōu)秀教育音像制品一等獎(jiǎng)，這既使我們高興，也使我們感到壓力，更使我們深切感受到廣大讀者對科學(xué)的追求、向往和對優(yōu)秀科學(xué)家的信任、愛戴?！　〗陙?，物理學(xué)中各個(gè)前沿分支的迅速發(fā)展和物理學(xué)與其他學(xué)科的融合，實(shí)質(zhì)性地深化了人類對自然界的許多認(rèn)識。對于以反映部分較活躍的物理學(xué)前沿領(lǐng)域的主要成就和進(jìn)展為重要目的的書，及時(shí)修訂新版也是非常必要的?！　≡诘诙嬷校蟛糠衷袑ｎ}的內(nèi)容都由原作者做了修訂，有些專題的內(nèi)容完全重新寫過，并增加了三個(gè)專題。新增的第一個(gè)專題是《物理學(xué)和生物學(xué)》，特邀中國科學(xué)院郝柏林院士執(zhí)筆；另一個(gè)是《我所經(jīng)歷的20世紀(jì)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)》，作者是中國科學(xué)院外籍院士丁肇中博士；第三篇是《激光冷卻與原子捕陷》，作者是中國科學(xué)院外籍院士朱棣文博士。今年適逢人類發(fā)現(xiàn)DNA50周年，而物理科學(xué)與生物科學(xué)的互相促進(jìn)由來已久?；仡櫧陙砜茖W(xué)界公認(rèn)的、每年的前l(fā)O項(xiàng)科學(xué)突破，物理學(xué)與生物學(xué)的成就之和已占到十之八九?？梢姡瑑纱罂茖W(xué)以及它們之間的深入合作，已成為2l世紀(jì)初基礎(chǔ)自然科學(xué)發(fā)展的顯著標(biāo)志。物理學(xué)家對亞核粒子的研究早已與探索更基本的物理學(xué)規(guī)律、探索宇宙起源等根本性課題聯(lián)系到一起。對激光冷卻和捕陷原子方面的開拓性研究為實(shí)現(xiàn)懸而未決70年的玻色一愛因斯坦凝聚，為提高用于空間定位和導(dǎo)航的原子鐘的精度、建造可準(zhǔn)確測量重力的原子干涉儀并設(shè)計(jì)出可用于處理極細(xì)尺度電子線路的原子激光器，以及為生命科學(xué)研究等提供了尖端技術(shù)。相信三位著名學(xué)者對科學(xué)和探索科學(xué)的哲理的闡述，一定能使讀者大開眼界。在第二版中，我們還根據(jù)當(dāng)年的錄像，對中國科學(xué)院外籍院士楊振寧博士的兩篇文稿做了重要的增補(bǔ)，以滿足廣大讀者通過文字教材材感受演講全貌、親眼目睹寶貴的文獻(xiàn)圖片的強(qiáng)烈愿望?！　”緯氖畮孜蛔髡咴趯懽魃嫌胁煌娘L(fēng)格，他們對內(nèi)容的取舍充分體現(xiàn)了科學(xué)家對學(xué)科進(jìn)展的深邃理解。這些作品都是幾十年的心血和智慧的凝煉，更有反復(fù)誦讀才能準(zhǔn)確理解其意境的經(jīng)典之作。這不僅使我們深深感悟到作者高深、廣博的科學(xué)造詣，也使我們身臨其境，越來越感悟到自然與科學(xué)之大美。　　自然科學(xué)是推動(dòng)人類文明進(jìn)步的重要的革命性力量。基礎(chǔ)自然科學(xué)研究與技術(shù)研發(fā)不可混淆。中國要真正達(dá)到全世界新技術(shù)革命的前沿，首先要堅(jiān)定地在基礎(chǔ)自然科學(xué)研究和相關(guān)人才培養(yǎng)方面有長足的進(jìn)步和堅(jiān)實(shí)的積淀?；A(chǔ)自然科學(xué)研究是無止境的，物理學(xué)至今仍然是最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)，物理學(xué)與相關(guān)基礎(chǔ)自然科學(xué)的融合已成為人類探索和揭示更多深邃和引人入勝的自然奧秘的極為重要的方向。我們堅(jiān)信，前輩科學(xué)家歷盡艱辛、無私奉獻(xiàn)鑄就的科學(xué)風(fēng)范和科學(xué)精神以及他們?nèi)〉玫膫ゴ蟪删?，將像燈塔一樣，為立志投身于物理學(xué)和其他基礎(chǔ)自然科學(xué)研究的，理想追求、熱情勇氣、學(xué)術(shù)智慧、勤奮正派、合作謙遜等等諸多素養(yǎng)俱備的優(yōu)秀青年指引方向。

內(nèi)容概要

　　本書由包括諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者楊振寧、丁肇中、朱棣文在內(nèi)的十余名國內(nèi)外著名物理學(xué)家撰寫，通過14個(gè)專題向讀者展現(xiàn)當(dāng)代物理學(xué)前沿領(lǐng)域的重大課題、成就和發(fā)展。內(nèi)容高屋建瓴、條理清晰、語言流暢，富有教益。
　　本書可供教師為理工科各專業(yè)開設(shè)物理專題講座，可供學(xué)生作為課外讀物，也可供其他學(xué)習(xí)過物理學(xué)的讀者參考。

書籍目錄

當(dāng)代物理前沿專題之一 原子能及其和平利用
　1.1 原子的碎裂和原子核的發(fā)現(xiàn)
　1.2 原子核的電荷、質(zhì)量的測定和原子核的質(zhì)子、中子模型
　1.3 原子能和原子核的結(jié)合能
　1.4 原子能的可能的釋放模式　
　1.5 核裂變和原子能
　1.6 核聚變和原子能
　1.7 一種新的釋放原子能的方式——高能質(zhì)子的碎裂反應(yīng)+熱中子堆
　1.8 原子能和能源問題
　1.9 原子能和中國的能源問題
當(dāng)代物理前沿專題之二 半導(dǎo)體
　2.1 半導(dǎo)體技術(shù)和半導(dǎo)體物理的發(fā)展
　 2.1.1 半導(dǎo)體技術(shù)的重大發(fā)展及應(yīng)用
　2.1.2 半導(dǎo)體物理的發(fā)展
　 2.1.3 我國半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)的發(fā)展
　2.2 半導(dǎo)體的基本概念
　2.2.1 能帶
　 2.2.2 雜質(zhì)態(tài)
　 2.2.3 輸運(yùn)性質(zhì)
　 2.2.4 光學(xué)性質(zhì)
　 2.2.5 量子阱和超晶格
　2.3 半導(dǎo)體器件原理
　2.3.1 P-n結(jié)
　 2.3.2 半導(dǎo)體晶體管
　 2.3.3 MOS晶體管
　 2.3.4 激光器
　 2.3.5 光電探測器和太陽電池
　2.4 半導(dǎo)體工藝
　2.4.1 半導(dǎo)體工藝的特殊性
　 2.4.2 材料生長
　 2.4.3 平面工藝
　 2.4.4 集成電路設(shè)計(jì)
　2.5 半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)展望
　2.5.1 信息革命
　 2.5.2 更高的集成度
　 2.5.3 集成光學(xué)和集成光電子學(xué)
　 2.5.4 超晶格、量子線和量子點(diǎn)器件
　 2.5.5 半導(dǎo)體納米器件
　 2.5.6 分子電子學(xué)
當(dāng)代物理前沿專題之三 激光技術(shù)
　3.1 激光器簡史
　　3.1.1 相干電磁波譜的擴(kuò)展
　　3.1.2 湯斯和肖洛的光激射器理論
　　3.1.3 梅曼制成世界上第一臺激光器
　　3.1.4 我國的第一臺激光器
　　3.1.5 激光器之名的由來
　3.2 激光器的基本原理
　　3.2.1 自發(fā)輻射與受激輻射
　　3.2.2 負(fù)溫度
　　3.2.3 激光器增益
　　3.2.4 激光器的結(jié)構(gòu)
　　3.2.5 激光器的振蕩條件
　　3.2.6 模和激光振蕩模
　　3.2.7 調(diào)O和Q開關(guān)
　　3.2.8 鎖模
　　3.2.9 激光器件
　3.3 激光技術(shù)應(yīng)用
　　3.3.1 激光的特性
　　3.3.2 激光精密計(jì)量
　　3.3.3 激光信息處理
　　3.3.4 激光加工
　　3.3.5 激光能源
　　3.3.6 激光醫(yī)學(xué)
　　3.3.7 激光技術(shù)改造農(nóng)作物
　　3.3.8 激光武器
　　3.3.9 激光與基礎(chǔ)科學(xué)
　3.4 激光技術(shù)的發(fā)展
　　3.4.1 建立激光產(chǎn)業(yè)
　　3.4.2 發(fā)展短波長和長波長激光技術(shù)
　　3.4.3 發(fā)展新型激光器
當(dāng)代物理前沿專題之四 超導(dǎo)電性
　4.1 引言
　4.2 超導(dǎo)體的基本性質(zhì)　
　……
當(dāng)代物理前沿專題之五 聲學(xué)
當(dāng)代物理前沿專題之六 空間環(huán)境科學(xué)
當(dāng)代物理前沿專題之七 混沌現(xiàn)象
當(dāng)代物理前沿專題之八 非線性非平衡系統(tǒng)的自組織
當(dāng)代物理前沿專題之九 現(xiàn)代科學(xué)中的天文世界
當(dāng)代物理前沿專題之十 物理學(xué)和生物學(xué)
當(dāng)代物理前沿專題之十一 激光冷卻與了捕陷——在科學(xué)中漫步
當(dāng)代物理前沿專題之十二 我所經(jīng)歷的20世紀(jì)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)
當(dāng)代物理前沿專題之十三 對稱與近代物理
當(dāng)代物理前沿專題之十四 近代科學(xué)進(jìn)入中國的回顧與前瞻
作者簡介
索引

章節(jié)摘錄

　　人們釋放原子能的另一有效途徑是利用輕核的聚變反應(yīng).實(shí)現(xiàn)原子核聚變反應(yīng)的一個(gè)條件，是反應(yīng)中的原子核必須具備一定的初始能量.通常需要約幾千電子伏（keV）或更高一些的能量.注意到輕原子核在聚變過程中要釋放出能量，這樣的能量就能用來維持持續(xù)的輕核聚變所需要的初始能量.為什么太陽能不斷發(fā)光發(fā)熱？其能量的來源就是太陽中的輕核間的聚變反應(yīng).太陽的核心溫度高達(dá)幾千萬攝氏度；所以能不斷釋放出這種聚變形式的原子能.地球的核心不具備幾千萬攝氏度的高溫，所以地球是冷卻中的星球.實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的輕核的聚變反應(yīng)的一個(gè)必要條件是要求有足夠高的溫度，如幾千萬攝氏度的高溫.由于高溫必定伴隨著高壓，其壓力常可達(dá)幾億個(gè)大氣壓，所以在自然界中，這種持續(xù)的輕核間的熱核反應(yīng)，只能在體積遠(yuǎn)比地球大的天體上實(shí)現(xiàn)，如太陽一類的恒星.而在地球上，人類已能在“瞬間”（例如，時(shí)間為設(shè)法使某一輕核的混合物達(dá)到高溫高壓，以實(shí)現(xiàn)熱核爆炸，這就是氫彈的工作原理.怎樣才能在“瞬間”使某一輕核的混合物達(dá)到高溫高壓？就目前的技術(shù)條件來說，人們僅知道用原子彈去觸發(fā)某一氫彈，所以原子彈是氫彈的必要的“扳機(jī)”.在當(dāng)前的技術(shù)條件下，在地球上能表現(xiàn)的大規(guī)模釋放核聚變能量的方法，還只有用原子彈觸發(fā)的氫彈的熱核爆炸.但是這并不意味著人們將不能利用這種“取之不盡，用之不竭”的核能（因?yàn)樽钣邢Ｍ玫妮p核燃料是氘，而這在天然氫的含量中約占0.1 56％，所以可望氘在海水中大量存在），因?yàn)榭稍O(shè)法使這種爆炸后釋放出的能量儲存在某一“洞穴”中，然后持續(xù)地加以利用.　　當(dāng)然，在各種利用聚變能源的方式中，最吸引人們的是設(shè)法持續(xù)地緩慢地實(shí)現(xiàn)輕核的聚變反應(yīng)，這就是受控?zé)岷朔磻?yīng)的設(shè)想。

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