近代物理學(xué)進(jìn)展

前言

　　近代物理學(xué)的一些重大突破為基礎(chǔ)科學(xué)、技術(shù)科學(xué)及工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了革命性的變化，并促成一系列新學(xué)科、新產(chǎn)業(yè)的形成與發(fā)展。在有關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)科學(xué)領(lǐng)域中的科技工作者如果能將物理學(xué)中新的成果和方法與本領(lǐng)域的研究結(jié)合起來(lái)，將會(huì)在工作中發(fā)揮更大的創(chuàng)造性。本書主要介紹近代物理學(xué)多方面的概念、方法、研究前沿和成果，內(nèi)容多為近年來(lái)備受重視的研究方向，其中多數(shù)與諾貝爾物理獎(jiǎng)有關(guān)。21個(gè)專題涉及凝聚態(tài)物理、原子分子物理與近代光學(xué)、核物理、粒子物理、天體物理與宇宙學(xué)等領(lǐng)域。其中包括信息科學(xué)與微電子學(xué)的基礎(chǔ)——半導(dǎo)體物理與人工微結(jié)構(gòu)，光電子學(xué)與光子學(xué)的基礎(chǔ)——激光物理與非線性光學(xué)，與新材料密切相關(guān)的超導(dǎo)、團(tuán)簇、非晶態(tài)物理和液晶，檢測(cè)表面1～2個(gè)原子層的掃描探針顯微術(shù)，未來(lái)能源受控聚變的基礎(chǔ)等離子物理等。此外，還包括一些基礎(chǔ)研究性質(zhì)的專題。本書開(kāi)始對(duì)量子力學(xué)和量子統(tǒng)計(jì)作了簡(jiǎn)單介紹，這部分內(nèi)容可作為理解各專題的理論基礎(chǔ)?！　”緯鲗ｎ}不過(guò)多涉及技術(shù)性細(xì)節(jié)，而重點(diǎn)揭示所研究問(wèn)題的物理實(shí)質(zhì)。為了解釋研究進(jìn)展中概念的形成、思路的發(fā)展，必須使用近代物理的語(yǔ)言，它因具有一定理論深度而區(qū)別于一些科普書籍。本書也不同于一般教材，它在理論上不作系統(tǒng)推導(dǎo)，不包括對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理的詳細(xì)描述，而是在有限篇幅內(nèi)對(duì)各專題勾畫出一個(gè)較清晰的概貌。為了使讀者了解在研究中選擇正確道路和創(chuàng)新方法的重要性，在必要時(shí)介紹了研究過(guò)程的歷史片斷以及研究工作中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。希望通過(guò)專題的論述體現(xiàn)出重大發(fā)現(xiàn)中激動(dòng)人心的創(chuàng)造性，以及重大突破對(duì)此后物理學(xué)及其他學(xué)科的巨大影響，從而認(rèn)識(shí)到新概念、新規(guī)律的深刻智慧及力量?！　楸阌陂喿x，本書各專題是相對(duì)獨(dú)立的，因而在敘述主線上的內(nèi)容與其他章的內(nèi)容會(huì)略有重疊?！　”緯勺鳛楦叩仍盒＠砉た蒲芯可蚋吣昙?jí)本科生教材，也可供從事基礎(chǔ)物理教學(xué)的教師作教學(xué)參考。對(duì)那些所從事的研究與物理學(xué)聯(lián)系較多的各學(xué)科科技工作者也有參考價(jià)值。　　近代物理學(xué)在迅速發(fā)展，本書也需要跟蹤變化，不斷補(bǔ)充與完善。懇切希望各方面專家與讀者提出批評(píng)和改進(jìn)意見(jiàn)。

內(nèi)容概要

　　《近代物理學(xué)進(jìn)展(第2版)》分29個(gè)專題介紹近代物理學(xué)各方面的概念、方法、研究前沿和成果。內(nèi)容包括近年來(lái)的重要研究方向，多數(shù)與諾貝爾獎(jiǎng)有關(guān)，涉及凝聚態(tài)物理、原子分子物理與近代光學(xué)、核物理、粒子物理、天體物理與宇宙學(xué)等領(lǐng)域。論述側(cè)重物理實(shí)質(zhì)，并介紹近代物理的一些思想方法、研究方法和研究過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)?！　　督锢韺W(xué)進(jìn)展(第2版)》可作為高等院校理工科研究生或高年級(jí)本科生教材，也可供從事基礎(chǔ)物理教學(xué)的教師作教學(xué)參考，對(duì)從事與物理學(xué)聯(lián)系較多的各學(xué)科科技工作者也有參考價(jià)值。

書籍目錄

1 量子力學(xué)基礎(chǔ)概述1.1 物質(zhì)的二象性，德布羅意假說(shuō)及不確定關(guān)系1.2 量子力學(xué)態(tài)和力學(xué)量，本征函數(shù)與本征值問(wèn)題1.3 態(tài)隨時(shí)問(wèn)的演化，定態(tài)1.4 一維問(wèn)題舉例：勢(shì)阱，勢(shì)壘，a衰變，量子相干1.5 角動(dòng)量本征態(tài)，氫原子1.6 躍遷理論1.7 周期勢(shì)，能帶1.8 宏觀水平的量子力學(xué)，約瑟夫森效應(yīng)1.9 量子力學(xué)理論架構(gòu)的發(fā)展參考文獻(xiàn)2 量子統(tǒng)計(jì)分布簡(jiǎn)介2.1 統(tǒng)計(jì)假設(shè)及玻耳茲曼因子2.2 量子統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)2.3 低溫下的固體比熱2.4 玻色－愛(ài)因斯坦凝聚及液氦Ⅱ相2.5 自由電子氣2.6 簡(jiǎn)并電子氣的熱容量參考文獻(xiàn)3 掃描探針顯微鏡3.1 引言3.2 掃描隧道顯微鏡3.3 掃描探針顯微鏡3.4 單原子測(cè)量和控制3.5 小結(jié)參考文獻(xiàn)4 正電子湮沒(méi)和穆斯堡爾譜學(xué)4.1 正電子與正電子湮沒(méi)譜學(xué)4.2 正電子湮沒(méi)技術(shù)的基本原理與實(shí)驗(yàn)方法4.3 正電子湮沒(méi)技術(shù)對(duì)固體缺陷的研究4.4 正電子束與微孔固體的研究4.5 慢正電子束4.6 穆斯堡爾效應(yīng)4.7 穆斯堡爾譜研究及應(yīng)用參考文獻(xiàn)5 半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)5.1 晶體管的發(fā)現(xiàn)5.2 半導(dǎo)體能帶理論5.3 半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)：量子阱與超晶格5.4 量子隧穿5.5 半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)光子存儲(chǔ)5.6 超晶格量子點(diǎn)高優(yōu)值熱電材料參考文獻(xiàn)6 團(tuán)簇和納米管6.1 引言6.2 團(tuán)簇物理6.3 富勒烯(C60)6.4 碳納米管研究的進(jìn)展參考文獻(xiàn)7 超導(dǎo)7.1 引言7.2 零電阻特征7.3 磁性質(zhì)：完全抗磁性和臨界磁場(chǎng)7.4 其他物理性質(zhì)7.5 倫敦方程7.6 BCS理論及其預(yù)見(jiàn)7.7 金茲堡－朗道理論和磁通量子化7.8 約瑟夫森效應(yīng)7.9 高Ｔc氧化物超導(dǎo)體參考文獻(xiàn)8 液晶物理學(xué)和生物膜泡彈性理論8.1 引言8.2 液晶相類別8.3 指向矢和形變8.4 單軸液晶連續(xù)體理論8.5 層狀A(yù)相和C相，鐵電液晶8.6 聚合物液晶8.7 溶致液晶8.8 生物膜泡彈性理論8.9 形狀方程式的一些已知特解8.10 非軸對(duì)稱膜泡8.11 傾斜手性類脂雙層參考文獻(xiàn)9 半導(dǎo)體低維物理與應(yīng)用9.1 半導(dǎo)體低維物理的開(kāi)端一一超晶格概念的提出與實(shí)現(xiàn)9.2 超晶格、量子阱的主要物理特性及應(yīng)用9.3 零維系統(tǒng)——半導(dǎo)體量子點(diǎn)的物理特性及應(yīng)用9.4 低維系統(tǒng)中的新成員——納米環(huán)9.5 低維物理發(fā)展趨勢(shì)與應(yīng)用前景展望參考文獻(xiàn)10 真實(shí)材料的量子理論：計(jì)算凝聚態(tài)物理10.1 引言10.2 密度泛函理論10.3 第一原理計(jì)算方法10.4 應(yīng)用參考文獻(xiàn)11 量子霍爾效應(yīng)11.1 經(jīng)典霍爾效應(yīng)11.2 電子在均勻磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，朗道能級(jí)11.3 整數(shù)量子霍爾效應(yīng)11.4 分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)11.5 整數(shù)與分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)的統(tǒng)一理解11.6 量子霍爾效應(yīng)的整體相圖11.7 磁通量子化參考文獻(xiàn)12 量子計(jì)算與量子信息12.1 計(jì)算與物理12.2 量子力學(xué)的基本假定12.3 量子信息學(xué)12.4 量子計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)12.5 典型量子算法12.6 量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)方案12.7 量子通信簡(jiǎn)介12.8 展望參考文獻(xiàn)13 激光與非線性光學(xué)13.1 激光器的發(fā)明與發(fā)展13.2 激光的應(yīng)用13.3 激光光譜學(xué)13.4 非線性光學(xué)13.5 超快激光的獲得及應(yīng)用參考文獻(xiàn)14 原子鐘(量子頻標(biāo))14.1 微波頻標(biāo)——現(xiàn)今原子鐘的主要形式14.2 微波頻標(biāo)的新發(fā)展14.3 光學(xué)頻標(biāo)的進(jìn)展14.4 提高原子鐘精度的意義參考文獻(xiàn)15 激光冷卻與捕陷中性原子15.1 激光冷卻和捕陷原子研究的意義15.2 激光冷卻和捕陷中性原子研究的歷史發(fā)展15.3 激光冷卻原子的物理機(jī)制15.4 激光冷卻原子的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)15.5 原子阱15.6 激光冷卻和捕陷中性原子技術(shù)的應(yīng)用15.7 總結(jié)參考文獻(xiàn)16 玻色－愛(ài)因斯坦凝聚16.1 序參量，相位相干性16.2 格羅斯－皮塔耶夫斯基方程，凝聚體的基態(tài)和集體激發(fā)態(tài)16.3 費(fèi)什巴赫共振及其應(yīng)用16.4 玻色－愛(ài)因斯坦凝聚實(shí)驗(yàn)研究和天體物理16.5 雙阱中的凝聚體，約瑟夫森效應(yīng)16.6 光學(xué)點(diǎn)陣中的冷玻色原子16.7 亞穩(wěn)態(tài)原子的BEC參考文獻(xiàn)……17 光子晶體導(dǎo)論18 混沌與奇異吸引子19 量子力學(xué)系統(tǒng)的對(duì)稱性20 基本粒子的發(fā)現(xiàn)與徑跡探測(cè)器21 電子深度非彈性散射及強(qiáng)子結(jié)構(gòu)22 星體演化及脈沖雙星引力研究23 黑洞物理學(xué)24 微波背景輻射、大爆炸和暴漲宇宙學(xué)25 弱相互作用宇稱不守恒26 電弱相互作用的統(tǒng)一27 夸克膠子等離子體28 自由電子激光29 等離子體物理與受控核聚變

章節(jié)摘錄

　　20世紀(jì)20年代初，原子物理學(xué)的進(jìn)展遇到了很大困難。盡管玻爾（N.：Bohr）的氫原子光譜理論取得了輝煌成就，但同樣的處理辦法對(duì)于兩個(gè)電子的原子系統(tǒng)——氦原子卻無(wú)能為力，在理論上不能解釋觀測(cè)到的氦原子光譜。對(duì)原子與光的相互作用問(wèn)題，如光的散射、吸收與色散也有類似的困難。在反復(fù)的探索中，有的物理學(xué)家開(kāi)始放棄將原子當(dāng)作幾個(gè)電子圍繞原子核按固定軌道運(yùn)行的概念，而把原子當(dāng)作一些諧振子的集合，這些振子的頻率相當(dāng)于原子光譜譜線的頻率。用這樣的體系去處理色散問(wèn)題取得了成功。能否嘗試一些新的概念與方法？能否創(chuàng)造新的原子力學(xué)體系以期能夠從理論上給出實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到的原子能級(jí)呢？　　此外，光的二象性已經(jīng)不容置疑。1916年密立根（R.A.Millikan）從實(shí)驗(yàn)上確認(rèn)了愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)公式中的^正是普朗克常數(shù)。1922年康普頓效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步證實(shí)了光的粒子性。將波和粒子這兩種很不相同的性質(zhì)結(jié)合在一種客體上會(huì)引起概念上的困難?！　?924.年德布羅意（L.de Broglie）提出粒子具有波動(dòng)性的假說(shuō)。他的想法是企圖建立適用于原子體系的新的力學(xué)。立論是：幾何光學(xué)是波動(dòng)光學(xué)的近似。幾何光學(xué)的規(guī)律可以歸結(jié)為費(fèi)馬的最小光程原理。經(jīng)典力學(xué)的基本規(guī)律可以歸結(jié)為最小作用原理。兩者在數(shù)學(xué)形式上完全類似。經(jīng)典力學(xué)是否也是一種“波動(dòng)力學(xué)”的近似，而這種波動(dòng)力學(xué)可否成為描述原子體系的工具？德布羅意認(rèn)為粒子的波動(dòng)性可以從光的粒子性與波動(dòng)性的關(guān)系得到啟發(fā)。

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