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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OCT508

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