上篇 近代物理 3
第1章 原子结构 3
1.1 引言 3
1.2 氢原子的玻尔模型 5
1.3 氢原子的量子力学描述 9
1.3.1 中心场中的运动 10
1.3.2 氢原子结构 11
1.3.3 氢原子光谱 15
1.3.4 里德伯态与经典原子 16
1.4 碱金属原子 17
1.5 磁矩、角动量空间量子化及自旋 20
1.5.1 轨道角动量与轨道磁矩 20
1.5.2 斯特恩-盖拉赫实验：角动量的空间量子化 21
1.5.3 自旋和自旋磁矩 22
1.5.4 角动量的合成 24
1.6 自旋轨道耦合与精细结构 25
1.7 氢原子光谱的精细结构和兰姆移位 29
1.7.1 氢光谱的精细结构 29
1.7.2 兰姆移位和电子的反常磁矩 30
1.8 超精细结构 31
1.9 氦原子 33
1.9.1 全同粒子与波函数的对称性 34
1.9.2 泡利不相容原理 36
1.9.3 氦原子的能级结构 36
1.9.4 角动量耦合与原子态 40
1.10 多电子原子结构 41
1.10.1 中心场近似 42
1.10.2 元素周期系 42
1.11 X射线 46
1.11.1 连续谱：轫致辐射 47
1.11.2 特征谱：内壳层电子的跃迁 48
1.12 原子在外电磁场中的行为 51
1.12.1 原子在磁场中的行为 51
1.12.2 原子在电场中的行为 54
习题 55
参考文献 57
第2章 分子结构 59
2.1 分子结构的一般性质 59
2.2.1 NaCl分子：离子键的形成 61
2.2 电子运动与价键的形成 61
2.2.2 H+2离子：共价键的形成 62
2.3 双原子分子的振动与转动 64
2.4 分子光谱 66
2.4.1 纯转动光谱 66
2.4.2 振动-转动光谱 67
2.4.3 电子光谱 68
2.4.4 分子的离解 70
2.4.5 荧光和磷光 70
参考文献 71
习题 71
第3章 原子核和粒子 72
3.1 原子核的基本性质 72
3.1.1 原子核的电荷 72
3.1.2 原子核的质量 73
3.1.3 原子核的大小 74
3.1.4 原子核的结合能 75
3.1.5 原子核的自旋和磁矩 77
3.1.6 核力 78
3.2.1 原子核稳定性的实验规律 80
3.2 核结构模型 80
3.2.2 液滴模型和质量的半经验公式 84
3.2.3 壳层模型和超重核 86
3.2.4 集体模型 89
3.3 原子核的放射性衰变 91
3.3.1 放射性衰变的基本规律 91
3.3.2 α衰变 94
3.3.3 β衰变 96
3.3.4 γ衰变和诱发γ辐射 101
3.4 原子核反应 102
3.4.1 反应能和阈能 103
3.4.2 反应截面 104
3.4.3 核反应的过程和机制 105
3.5 粒子的分类和结构 107
3.5.1 粒子的分类 108
3.5.2 粒子和反粒子 110
3.5.3 粒子和场 114
3.5.4 强子结构——夸克模型 115
3.6.1 四种相互作用 118
3.6 粒子的相互作用 118
3.6.2 场和媒介子 119
3.6.3 电-弱相互作用的统一 120
3.7 物理规律的对称性和宇称守恒 122
3.7.1 对称性和守恒定律 122
3.7.2 空间反演不变性和宇称守恒 123
3.7.3 弱作用宇称不守恒问题 128
3.7.4 PC联合变换和CPT定理 130
3.7.5 弱作用和生物手性 132
3.8 小结——启示和困惑 133
习题 134
参考文献 136
第4章 广义相对论和宇宙学 137
4.1 广义相对论的基本原理 137
4.1.1 惯性质量和引力质量 137
4.1.2 等效原理 138
4.1.3 广义相对论中的局域惯性系 139
4.1.4 广义相对性原理 140
4.1.5 光线偏折，时空弯曲 141
4.1.6 引力几何化，爱因斯坦场方程 143
4.2 史瓦西场中的时间和空间 144
4.2.1 史瓦西场的固有时和固有长度 144
4.2.2 用飞来惯性系中的时钟和尺子校准史瓦西场中的时钟和尺子 145
4.2.3 坐标时和坐标长度 147
4.2.4 固有时、固有长度与坐标距离γ的关系 148
4.3 广义相对论的实验检验 149
4.3.1 引力引起的光谱线频率移动 149
4.3.2 太阳引力场中光线的偏折 151
4.3.3 雷达回波的引力延迟 153
4.3.4 行星近日点的相对论进动 156
4.3.5 史瓦西场中运动标准钟的走时速率——铯原子钟环球飞行实验 158
4.4 史瓦西黑洞 159
4.5 大爆炸宇宙学简介 162
4.5.1 当今宇宙的概貌和恒星的演化 163
4.5.2 宇宙学原理和哈勃定律 167
4.5.3 物质为主时期的宇宙 171
4.5.4 辐射为主时期的宇宙——宇宙早期的历史 175
思考题 181
习题 182
5.1 决定性和可预测性 183
参考文献 183
第5章 混沌——决定性的混乱 183
5.2 受迫振动中出现的混沌 185
5.3 混沌运动的一些基本特征 187
5.4 相图 189
5.5 几个混沌实例 193
思考题 196
参考文献 196
6.1.1 固体材料的分类 201
6.1 引言 201
第6章 固体物理和新材料 201
下篇 高新技术物理基础 201
6.1.2 固体材料的性质与固体物理学 202
6.2 晶体结构与晶体结合 202
6.2.1 晶体结构 202
6.2.2 倒易点阵与布里渊区 204
6.2.3 晶体结合 205
6.3 金属的自由电子理论 208
6.3.1 特鲁德的自由电子理论 208
6.3.2 金属自由电子的能量与波函数 211
6.3.3 态密度 214
6.3.4 电子在允许状态上的分布 216
6.3.5 电导率 219
6.3.6 电子气的热容 220
6.4 固体的能带 222
6.4.1 晶体中电子的能量 223
6.4.2 晶体中电子的波函数——布洛赫函数 225
6.4.3 能带的性质，布里渊区 226
6.4.4 能带中的状态密度 229
6.4.5 有效质量 229
6.4.6 导体、绝缘体和半导体 230
6.5 半导体微结构 232
6.5.1 半导体与PN结 232
6.5.2 半导体微结构：量子阱与超晶格 240
6.5.3 共振隧道晶体管 242
6.6 超导 246
6.6.1 超导体的主要特性 247
6.6.2 超导的微观理论 251
6.6.3 约瑟夫森效应 252
6.6.4 高温超导的研究 256
6.7.1 塞贝克效应 258
6.7 新型热电材料与温差发电 258
6.7.2 温差发电 262
6.8 光子晶体 264
6.8.1 光子晶体和光子带隙 264
6.8.2 雅布里诺维奇的早期工作 266
6.8.3 其他光子晶体 267
习题 268
参考文献 269
7.1.1 爱因斯坦的辐射理论 270
7.1 激光原理简介 270
第7章 近代光学和信息处理 270
7.1.2 光谱线的线宽 272
7.1.3 激光的基本原理 275
7.1.4 He-Ne激光器简介 283
7.2 半导体激光器 284
7.2.1 半导体激光器原理 284
7.2.2 异质结激光二极管 287
7.2.3 量子阱激光器 288
7.3 同步辐射和自由电子激光 290
7.3.1 同步辐射 291
7.3.2 自由电子激光 295
7.4 全息术 299
7.4.1 什么是全息术 299
7.4.2 全息照相的原理 301
7.4.3 全息图的类型及应用 304
7.5 傅里叶光学和光信息处理 306
7.5.1 光学透镜的傅里叶变换性质 306
7.5.2 阿贝成象原理 314
7.5.3 空间滤波和光信息处理 315
7.6.1 强光与介质的相互作用 318
7.6 非线性光学简介 318
7.6.2 二阶非线性效应 319
7.6.3 三阶非线性效应对折射率的影响 324
7.6.4 光学相位共轭 325
7.6.5 光学双稳态 329
7.7 光通信与光存储 332
7.7.1 光通信 332
7.7.2 激光存储技术 337
习题 341
参考文献 343
第8章 新能源 344
8.1 概述 344
8.1.1 能源的分类 344
8.1.2 能源形势及开发新能源的迫切性 345
8.1.3 能源的评价 346
8.1.4 获取能量的物理基础 346
8.2 核裂变能 347
8.2.1 核裂变理论 348
8.2.2 裂变截面和激活能 353
8.2.3 裂变产物 354
8.3 链式反应及反应堆，核电站 356
8.3.1 核裂变的链式反应 356
8.3.2 链式反应的控制——反应堆 358
8.3.3 热中子反应堆 359
8.3.4 快中子增殖堆 361
8.3.5 低温核供热堆 362
8.4 聚变能 363
8.4.1 巨大的能源 363
8.4.2 基本的聚变反应过程 364
8.4.3 实现受控热核反应的基本条件 365
8.4.4 磁约束原理和装置 367
8.4.5 惯性约束 369
8.4.6 核聚变研究的进展和聚变反应堆 370
8.5 原子弹和氢弹 373
8.5.1 原子弹 373
8.5.2 氢弹 375
8.6 太阳能 376
8.6.1 太阳能的来源和太阳辐射 376
8.6.2 太阳能的热利用 379
8.6.3 太阳能的光电转换 383
8.6.4 太阳能的光化学转换 386
8.7 氢能和其他能源 386
8.7.1 氢能 386
8.7.2 其他能源 388
习题 391
参考文献 392
第9章 红外辐射与遥感 393
9.1 热辐射的基本规律 393
9.1.1 热辐射的基本概念 393
9.1.2 热辐射的基本规律 396
9.1.3 实际物体的热辐射 398
9.2 红外辐射及红外辐射源 400
9.2.1 红外光谱的波段划分 400
9.2.2 红外辐射的发射机理 400
9.2.3 红外辐射源 401
9.3 红外辐射的传输 404
9.3.1 红外辐射在传输媒质中衰减的规律 405
9.3.2 红外辐射在大气中的传输 405
9.3.3 红外辐射在固态媒质中的传输 409
9.4 红外辐射的探测及应用 411
9.4.1 红外辐射的探测 412
9.4.2 红外测温 415
9.4.3 红外无损检测 417
9.4.4 环境监测 419
9.4.5 热成象仪的应用 419
9.4.6 红外技术在军事上的应用 421
9.5 红外遥感技术 421
9.5.1 遥感的物理基础 422
9.5.2 遥感仪器 426
9.5.3 遥感信息的处理与判读 431
习题 434
参考文献 435
第10章 超声与超声技术 436
10.1 概述 436
10.2 超声波的特性 437
10.2.1 波速 437
10.2.2 超声场特征量 438
10.2.3 超声波的传播特性 439
10.2.4 超声场对介质的作用 442
10.3 超声的产生和接收 443
10.4 超声产业 444
10.4.1 超声清洗 445
10.4.2 超声焊接 445
10.4.3 超声加工 446
10.4.4 超声检测 447
10.4.5 超声工业测量 447
10.5 声成象 447
10.6 超声马达 450
10.6.2 行波型超声马达 451
10.6.1 超声马达的运行原理和分类 451
10.6.3 扭纵复合驻波型超声马达 453
10.7 声表面波器件 454
10.7.1 引言 454
10.7.2 工作原理和基本特性 455
10.8 声辐射压力与声悬浮 458
10.8.1 声悬浮装置 458
10.8.2 声辐射压力 458
习题 460
10.8.3 声悬浮技术的应用 460
参考文献 461
第11章 近代物理分析技术 462
11.1 共振散射和穆斯堡尔效应 462
11.1.1 γ射线的共振吸收 462
11.1.2 穆斯堡尔效应——无反冲共振散射 464
11.1.3 穆斯堡尔效应的应用 466
11.2 扫描探针显微术 472
11.2.1 引言 472
11.2.2 扫描隧道显微镜 474
11.2.3 扫描探针显微术 480
11.2.4 近场扫描光学显微镜 484
11.2.5 单原子操纵和控制 486
11.3 核磁共振及其应用 488
11.3.1 核自旋与核磁矩 488
11.3.2 核磁矩与恒定外磁场的相互作用能 491
11.3.3 核磁共振 492
11.3.4 饱和与弛豫 493
11.3.5 核磁共振技术的应用 495
11.4 单个原子和分子的探测和识别 501
11.4.1 用共振电离谱学探测气体中的单个原子和分子 502
11.4.2 利用激光激发分子荧光的方法来检测液体中的单个分子 506
11.5 光学相干断层扫描成象新技术OCT 508
11.5.1 OCT的基本原理 508
11.5.2 超外差法测量原理 510
11.5.3 实验装置 511
11.5.4 应用 512
习题 513
参考文献 514
结束语——总结和启示 516
附录Ⅰ 基本的物理常数 523
附录Ⅱ 诺贝尔物理学奖获得者及得奖项目 524