什么是核物理學(xué)、量子物理學(xué)

【專家解說(shuō)】：震動(dòng)中的微粒子的物理學(xué) [編輯本段]·1．量子物理學(xué)的建立 量子物理學(xué)是在20世紀(jì)初，物理學(xué)家們?cè)谘芯课⒂^世界（原子、分子、原子核…）的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的過(guò)程中，逐步建立起來(lái)的。 量子概念是1900年普朗克首先提出的，到今天已經(jīng)一百多年了。期間，經(jīng)過(guò)玻爾、德布羅意、玻恩、海森柏、薛定諤、狄拉克、愛因斯坦等許多物理大師的創(chuàng)新努力，到20世紀(jì)30年代，初步建立了一套完整的量子力學(xué)理論。 [編輯本段]2．量子物理學(xué)的價(jià)值 20世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展表明，量子物理是人們認(rèn)識(shí)和理解微觀世界的基礎(chǔ)。量子物理和相對(duì)論的成就使得物理學(xué)從經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展到現(xiàn)代物理學(xué)，奠定了現(xiàn)代自然科學(xué)的主要基礎(chǔ)。 當(dāng)然，隨著物理學(xué)和其它自然科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，人們認(rèn)識(shí)的逐步深化，量子物理學(xué)也會(huì)進(jìn)一步地豐富和發(fā)展。至今為止、量子力學(xué)的某些基本觀念和哲學(xué)意義，科學(xué)家們?nèi)匀焕^續(xù)爭(zhēng)論不休，這是一門科學(xué)在走向成熟過(guò)程中的一個(gè)必經(jīng)的階段。 [編輯本段]3、量子世界 我們把科學(xué)家們?cè)谘芯吭?、分子、原子核、基本粒子時(shí)所觀察到的關(guān)于微觀世界的系列特殊的物理現(xiàn)象稱為量子現(xiàn)象。 量子世界除了其線度極其微小之外（10-10～10-15m量級(jí)），另一個(gè)主要特征是它們所涉及的許多宏觀世界所對(duì)應(yīng)的物理量往往不能取連續(xù)變化的值，（如：坐標(biāo)、動(dòng)量、能量、角動(dòng)量、自旋），甚至取值不確定。許多實(shí)驗(yàn)事實(shí)表明，量子世界滿足的物理規(guī)律不再是經(jīng)典的牛頓力學(xué)，而是量子物理學(xué)。量子物理學(xué)是當(dāng)今人們研究微觀世界的理論，也有人稱為研究量子現(xiàn)象的物理學(xué)。 由于宏觀物體是由微觀世界建構(gòu)而成的，因此量子物理學(xué)不僅是研究微觀世界結(jié)構(gòu)的工具，而且在深入研究宏觀物體的微結(jié)構(gòu)和特殊的物理性質(zhì)中也發(fā)揮著巨大作用。 [編輯本段]量子力學(xué)詮釋：霍金膜上的四維量子論 類似10維或11維的“弦論”＝振動(dòng)的弦、震蕩中的象弦一樣的微小物體。 霍金膜上四維世界的量子理論的近代詮釋（鄧宇等，80年代）： 振動(dòng)的量子（波動(dòng)的量子＝量子鬼波）＝平動(dòng)微粒子的振動(dòng)；振動(dòng)的微粒子；震蕩中的象量子（粒子）一樣的微小物體。 波動(dòng)量子＝量子的波動(dòng)＝微粒子的平動(dòng)+振動(dòng) ＝平動(dòng)+振動(dòng) ＝矢量和 量子鬼波的DENG'S詮釋：微粒子（量子）平動(dòng)與振動(dòng)的矢量和 粒子波、量子波＝粒子的震蕩（平動(dòng)粒子的震動(dòng)） [編輯本段]4．量子力學(xué) 量子力學(xué)是一門奇妙的理論。它的許多基本概念、規(guī)律與方法都和經(jīng)典物理的基本概念、規(guī)律和方法截然不同。 量子物理學(xué)的現(xiàn)象不同于我們?cè)谌粘Ｉ钪兴^察到的物理現(xiàn)象，其理論比較抽象，其數(shù)學(xué)工具比較艱深。因此人們往往將量子力學(xué)稱為研究量子現(xiàn)象的數(shù)學(xué)，本書（量子物理）實(shí)際上可以稱為量子力學(xué)初步或量子力學(xué)導(dǎo)論。 [編輯本段]5．量子物理學(xué)的內(nèi)容 本書將介紹有關(guān)量子力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。 第1章介紹量子概念的引入--微觀粒子的二象性，由此而引起的描述微觀粒子狀態(tài)的特殊方法--波函數(shù)，以及微觀粒子不同于經(jīng)典粒子的基本特征--不確定關(guān)系。 第2章介紹微觀粒子的基本運(yùn)動(dòng)方程（非相對(duì)論形式）--薛定諤方程。對(duì)于此方程，首先把它應(yīng)用于勢(shì)阱中的粒子，得出微觀粒子在束縛態(tài)中的基本特征--能量量子化、勢(shì)壘穿透等。 第3章用量子概念介紹（未經(jīng)詳細(xì)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)）了電子在原子中運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，包括能量、角動(dòng)量的量子化，自旋的概念，泡利不相容原理，原子中電子的排布，X光和激光的原理等。 第4章介紹固體中的電子的量子特征，包括自由電子的能量分布以及導(dǎo)電機(jī)理，能帶理論及對(duì)導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體性能的解釋。 第5章介紹原子核的基礎(chǔ)知識(shí)，包括核的一般性質(zhì)、結(jié)合能、核模型、核衰變及核反應(yīng)等。關(guān)于基本粒子的知識(shí)和當(dāng)今關(guān)于宇宙及其發(fā)展的知識(shí)也都屬于量子物理的范圍，其基本內(nèi)容在本套書第一冊(cè)力學(xué)"今日物理趣聞A基本粒子"和第二冊(cè)熱學(xué)"今日物理趣聞A大爆炸和宇宙膨脹"中分別有所介紹，在本書中不再重復(fù)。 [編輯本段]量子物理學(xué)及其發(fā)展簡(jiǎn)史 盡管量子力學(xué)是為描述遠(yuǎn)離我們的日常生活經(jīng)驗(yàn)的抽象原子世界而創(chuàng)立的，但它對(duì)日常生活的影響無(wú)比巨大。沒(méi)有量子力學(xué)作為工具，就不可能有化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)以及其他每一個(gè)關(guān)鍵學(xué)科的引人入勝的進(jìn)展。沒(méi)有量子力學(xué)就沒(méi)有全球經(jīng)濟(jì)可言，因?yàn)樽鳛榱孔恿W(xué)的產(chǎn)物的電子學(xué)革命將我們帶入了計(jì)算機(jī)時(shí)代。同時(shí)，光子學(xué)的革命也將我們帶入信息時(shí)代。量子物理的杰作改變了我們的世界，科學(xué)革命為這個(gè)世界帶來(lái)了的福音，也帶來(lái)了潛在的威脅。 或許用下面的一段資料能最好地描述這個(gè)至關(guān)重要但又難以捉摸的理論的獨(dú)特地位：量子理論是科學(xué)史上能最精確地被實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的理論，是科學(xué)史上最成功的理論。量子力學(xué)深深地困擾了它的創(chuàng)立者，然而，直到它本質(zhì)上被表述成通用形式的今天，一些科學(xué)界的精英們盡管承認(rèn)它強(qiáng)大的威力，卻仍然對(duì)它的基礎(chǔ)和基本闡釋不滿意。 馬克斯·普朗克（MaxPlanck）提出量子概念100多年了，在他關(guān)于熱輻射的經(jīng)典論文中，普朗克假定振動(dòng)系統(tǒng)的總能量不能連續(xù)改變，而是以不連續(xù)的能量子形式從一個(gè)值跳到另一個(gè)值。能量子的概念太激進(jìn)了，普朗克后來(lái)將它擱置下來(lái)。隨后，愛因斯坦在1905年（這一年對(duì)他來(lái)說(shuō)是非凡的一年）認(rèn)識(shí)到光量子化的潛在意義。不過(guò)量子的觀念太離奇了，后來(lái)幾乎沒(méi)有根本性的進(jìn)展?，F(xiàn)代量子理論的創(chuàng)立則是嶄新的一代物理學(xué)家花了20多年時(shí)間建立的。 量子物理實(shí)際上包含兩個(gè)方面。一個(gè)是原子層次的物質(zhì)理論：量子力學(xué)，正是它我們才能理解和操縱物質(zhì)世界；另一個(gè)是量子場(chǎng)論，它在科學(xué)中起到一個(gè)完全不同的作用。 核物理學(xué) 核物理學(xué)又稱原子核物理學(xué)，是20世紀(jì)新建立的一個(gè)物理學(xué)分支。它研究原子核的結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律；射線束的產(chǎn)生、探測(cè)和分析技術(shù)；以及同核能、核技術(shù)應(yīng)用有關(guān)的物理問(wèn)題。它是一門既有深刻理論意義，又有重大實(shí)踐意義的學(xué)科。 核物理學(xué)的發(fā)展歷史 初期 1896年，貝可勒爾發(fā)現(xiàn)天然放射性，這是人們第一次觀察到的核變化?，F(xiàn)在通常就把這一重大發(fā)現(xiàn)看成是核物理學(xué)的開端。此后的40多年，人們主要從事放射性衰變規(guī)律和射線性質(zhì)的研究，并且利用放射性射線對(duì)原子核做了初步的探討，這是核物理發(fā)展的初期階段。 在這一時(shí)期，人們?yōu)榱颂綔y(cè)各種射線，鑒別其種類并測(cè)定其能量，初步創(chuàng)建了一系列探測(cè)方法和測(cè)量?jī)x器。大多數(shù)的探測(cè)原理和方法在以后得到了發(fā)展和應(yīng)用，有些基本設(shè)備，如計(jì)數(shù)器、電離室等，沿用至今。 探測(cè)、記錄射線并測(cè)定其性質(zhì)，一直是核物理研究和核技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)中心環(huán)節(jié)。放射性衰變研究證明了一種元素可以通過(guò)衰變而變成另一種元素，推翻了元素不可改變的觀點(diǎn)，確立了衰變規(guī)律的統(tǒng)計(jì)性。統(tǒng)計(jì)性是微觀世界物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要特點(diǎn)，同經(jīng)典力學(xué)和電磁學(xué)規(guī)律有原則上的區(qū)別。 放射性元素能發(fā)射出能量很大的射線，這為探索原子和原子核提供了一種前所未有的武器。1911年，盧瑟福等人利用α射線轟擊各種原子，觀測(cè)α射線所發(fā)生的偏折，從而確立了原子的核結(jié)構(gòu)，提出了原子結(jié)構(gòu)的行星模型，這一成就為原子結(jié)構(gòu)的研究奠定了基礎(chǔ)。此后不久，人們便初步弄清了原子的殼層結(jié)構(gòu)和電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立和發(fā)展了描述微觀世界物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的量子力學(xué)。 1919年，盧瑟福等又發(fā)現(xiàn)用α粒子轟擊氮核會(huì)放出質(zhì)子，這是首次用人工實(shí)現(xiàn)的核蛻變(核反應(yīng))。此后用射線轟擊原子核來(lái)引起核反應(yīng)的方法逐漸成為研究原子核的主要手段。 在初期的核反應(yīng)研究中，最主要的成果是1932年中子的發(fā)現(xiàn)和1934年人工放射性核素的合成。原子核是由中子和質(zhì)子組成的，中子的發(fā)現(xiàn)為核結(jié)構(gòu)的研究提供了必要的前提。中子不帶電荷，不受核電荷的排斥，容易進(jìn)入原子核而引起核反應(yīng)。因此，中子核反應(yīng)成為研究原子核的重要手段。在30年代，人們還通過(guò)對(duì)宇宙線的研究發(fā)現(xiàn)了正電子和介子，這些發(fā)現(xiàn)是粒子物理學(xué)的先河。 20世紀(jì)20年代后期，人們已在探討加速帶電粒子的原理。到30年代初，靜電、直線和回旋等類型的加速器已具雛形，人們?cè)诟邏罕都悠魃线M(jìn)行了初步的核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)。利用加速器可以獲得束流更強(qiáng)、能量更高和種類更多的射線束，從而大大擴(kuò)展了核反應(yīng)的研究工作。此后，加速器逐漸成為研究原子核和應(yīng)用技術(shù)的必要設(shè)備。 在核物理發(fā)展的最初階段人們就注意到它的可能的應(yīng)用，并且很快就發(fā)現(xiàn)了放射性射線對(duì)某些疾病的治療作用。這是它在當(dāng)時(shí)就受到社會(huì)重視的重要原因，直到今天，核醫(yī)學(xué)仍然是核技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域。 大發(fā)展時(shí)期 20世紀(jì)40年代前后，核物理進(jìn)入一個(gè)大發(fā)展的階段。1939年，哈恩和斯特拉斯曼發(fā)現(xiàn)了核裂變現(xiàn)象；1942年，費(fèi)密建立了第一個(gè)鏈?zhǔn)搅炎兎磻?yīng)堆，這是人類掌握核能源的開端。 在30年代，人們最多只能把質(zhì)子加速到一百萬(wàn)電子伏特的數(shù)量級(jí)，而到70年代，人們已能把質(zhì)子加速到四千億電子伏特，并且可以根據(jù)工作需要產(chǎn)生各種能散度特別小、準(zhǔn)直度特別高或者流強(qiáng)特別大的束流。 20世紀(jì)40年代以來(lái)，粒子探測(cè)技術(shù)也有了很大的發(fā)展。半導(dǎo)體探測(cè)器的應(yīng)用大大提高了測(cè)定射線能量的分辨率。核電子學(xué)和計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展從根本上改善了獲取和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力，同時(shí)也大大擴(kuò)展了理論計(jì)算的范圍。所有這一切，開拓了可觀測(cè)的核現(xiàn)象的范圍，提高了觀測(cè)的精度和理論分析的能力，從而大大促進(jìn)了核物理研究和核技術(shù)的應(yīng)用。 通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和理論研究，人們對(duì)原子核的基本結(jié)構(gòu)和變化規(guī)律有了較深入的認(rèn)識(shí)?；九辶撕俗?質(zhì)子和中子的統(tǒng)稱)之間的相互作用的各種性質(zhì)，對(duì)穩(wěn)定核素或壽命較長(zhǎng)的放射性核素的基態(tài)和低激發(fā)態(tài)的性質(zhì)已積累了較系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。并通過(guò)理論分析，建立了各種適用的模型。 通過(guò)核反應(yīng)，已經(jīng)人工合成了17種原子序數(shù)大于92的超鈾元素和上千種新的放射性核素。這種研究進(jìn)一步表明，元素僅僅是在一定條件下相對(duì)穩(wěn)定的物質(zhì)結(jié)構(gòu)單位，并不是永恒不變的。 天體物理的研究表明，核過(guò)程是天體演化中起關(guān)鍵作用的過(guò)程，核能就是天體能量的主要來(lái)源。人們還初步了解到在天體演化過(guò)程中各種原子核的形成和演變的過(guò)程。在自然界中，各種元素都有一個(gè)發(fā)展變化的過(guò)程，都處于永恒的變化之中。 通過(guò)高能和超高能射線束和原子核的相互作用，人們發(fā)現(xiàn)了上百種短壽命的粒子，即重子、介子、輕子和各種共振態(tài)粒子。龐大的粒子家族的發(fā)現(xiàn)，把人們對(duì)物質(zhì)世界的研究推進(jìn)到一個(gè)新的階段，建立了一門新的學(xué)科——粒子物理學(xué)，有時(shí)也稱為高能物理學(xué)。各種高能射線束也是研究原子核的新武器，它們能提供某些用其他方法不能獲得的關(guān)于核結(jié)構(gòu)的知識(shí)。 過(guò)去，通過(guò)對(duì)宏觀物體的研究，人們知道物質(zhì)之間有電磁相互作用和萬(wàn)有引力(引力相互作用)兩種長(zhǎng)程的相互作用；通過(guò)對(duì)原子核的深入研究，才發(fā)現(xiàn)物質(zhì)之間還有兩種短程的相互作用，即強(qiáng)相互作用和弱相互作用。在弱作用下宇稱不守恒現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，是對(duì)傳統(tǒng)的物理學(xué)時(shí)空觀的一次重大突破。研究這四種相互作用的規(guī)律和它們之間可能的聯(lián)系，探索可能存在的靳的相互作用，已成為粒子物理學(xué)的一個(gè)重要課題。毫無(wú)疑問(wèn)，核物理研究還將在這一方面作出新的重要的貢獻(xiàn)。 核物理的發(fā)展，不斷地為核能裝置的設(shè)計(jì)提供日益精確的數(shù)據(jù)，從而提高了核能利用的效率和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，并為更大規(guī)模的核能利用準(zhǔn)備了條件。人工制備的各種同位素的應(yīng)用已遍及理工農(nóng)醫(yī)各部門。新的核技術(shù)，如核磁共振、穆斯堡爾譜學(xué)、晶體的溝道效應(yīng)和阻塞效應(yīng)，以及擾動(dòng)角關(guān)聯(lián)技術(shù)等都迅速得到應(yīng)用。核技術(shù)的廣泛應(yīng)用已成為現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的標(biāo)志之一。 完善和提高 20世紀(jì)70年代，由于粒子物理逐漸成為一門獨(dú)立的學(xué)科，核物理已不再是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最前沿。核能利用方面也不像過(guò)去那樣迫切，核物理進(jìn)入了一個(gè)縱深發(fā)展和廣泛應(yīng)用的新的更成熟的階段。 在現(xiàn)階段，粒子加速技術(shù)已有了新的進(jìn)展。由于重離子加速技術(shù)的發(fā)展，人們已能有效地加速?gòu)臍涞解櫵性氐碾x子，其能量可達(dá)到十億電子伏每核子。這就大大擴(kuò)充了人們變革原子核的手段，使重離子核物理的研究得到全面發(fā)展。 隨著高能物理的發(fā)展，人們已能建造強(qiáng)束流的中高能加速器。這類加速器不僅能提供直接加速的離子流，還可以提供次級(jí)粒子束。這些高能粒子流從另一方面擴(kuò)充了人們研究原子核的手段，使高能核物理成為富有生氣的研究方面。 從核物理基礎(chǔ)研究看，主要目標(biāo)在兩個(gè)方面：一是通過(guò)核現(xiàn)象研究粒子的性質(zhì)和相互作用，特別是核子間的相互作用；再者是核多體系的運(yùn)動(dòng)形態(tài)的研究。很明顯，核運(yùn)動(dòng)形態(tài)的研究將在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)占據(jù)著核物理基礎(chǔ)研究的主要部分。 核物理學(xué)的應(yīng)用 核物理研究之所以受到人們的重視得到社會(huì)的大力支持，是和它具有廣泛而重要的應(yīng)用價(jià)值密切相關(guān)的。目前，幾乎沒(méi)有一個(gè)核物理實(shí)驗(yàn)室不在從事核技術(shù)的應(yīng)用研究。有些設(shè)備甚至主要從事核技術(shù)應(yīng)用工作。 核技術(shù)應(yīng)用主要為核能源的開發(fā)服務(wù)，如提供更精確的核數(shù)據(jù)和探索更有效地利用核能的途徑等；另外，同位素的應(yīng)用是核技術(shù)應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域。同位素示蹤已應(yīng)用于各個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域；同位素藥劑應(yīng)用于某些疾病的診斷或治療；同位素儀表在各工業(yè)部門用作生產(chǎn)自動(dòng)線監(jiān)測(cè)或質(zhì)量控制裝置。 加速器及同位素輻射源已應(yīng)用于工業(yè)的輻照加工、食品的保藏和醫(yī)藥的消毒、輻照育種、輻照探傷以及放射醫(yī)療等方面。為了研究輻射與物質(zhì)的相互作用以及輻照技術(shù)，已經(jīng)建立了輻射物理、輻射化學(xué)等邊緣學(xué)科以及輻照工藝等技術(shù)部門。 由于中子束在物質(zhì)結(jié)構(gòu)、固體物理。高分子物理等方面的廣泛應(yīng)用，人們建立了專用的高中子通量的反應(yīng)堆來(lái)提供強(qiáng)中子束。中子束也應(yīng)用于輻照、分析、測(cè)井及探礦等方面。中子的生物效應(yīng)是一個(gè)重要的研究方向，快中子治癌已取得一定的療效。 離子束的應(yīng)用是越來(lái)越受到注意的一個(gè)核技術(shù)部門。大量的小加速器是為了提供離子束而設(shè)計(jì)的，離子注入技術(shù)是研究半導(dǎo)體物理和制備半導(dǎo)體器件的重要手段。離子束已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于材料科學(xué)和固體物理的研究工作。離子束也是用來(lái)進(jìn)行無(wú)損、快速、痕量分析的重要手段，特別是質(zhì)子微米束，可用來(lái)對(duì)表面進(jìn)行掃描分析。其精度是其他方法難以比擬的。 在原子核物理學(xué)誕生、壯大和鞏固的全過(guò)程中，通過(guò)核技術(shù)的應(yīng)用，核物理和其他學(xué)科及生產(chǎn)、醫(yī)療、軍事等部分建立了廣泛的聯(lián)系，取得了有力的支持；核物理基礎(chǔ)研究又為核技術(shù)的應(yīng)用不斷開辟新的途徑。核基礎(chǔ)研究和核技術(shù)應(yīng)用的需要，推進(jìn)了粒子加速技術(shù)和核物理實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展；而這兩門技術(shù)的新發(fā)展，又有力地促進(jìn)了核物理的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。