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第1卷1

第1章 1900年的物理学1

1.1科学家社团3

1.2物理学家的培养6

1.3从事研究的物理学家13

1.4对研究工作的资助15

1.5黑体辐射18

1.6实验设备19

1.7物理世界的图景23

1.8现代物理学的萌芽29

参考文献30

第2章 引进原子和原子核36

2.1前言36

2.2转变的10年：1895～190543

2.3放射性：1896～190546

2.4原子的结构：1897～190652

2.5量子物理学的诞生54

2.6 Niels Bohr——量子动力学之父59

2.6.1 Niels Bohr的个人背景和早年经历59

2.6.2迄至1913年的光谱学61

2.6.3 Niels Bohr在1913年3月前；先驱者们64

2.6.4 Niels Bohr的氢原子67

2.6.5 Niels Bohr思想的冲击71

2.7先是喜报——旧量子论的更多成就73

2.7.1 Stark效应73

2.7.2 Franck-Hertz实验73

2.7.3 Sommerfeld引进两个新的量子数，氢光谱的精细结构74

2.7.4 Ehrenfest的浸渐原理75

2.7.5 Einstein将概率引入量子物理学76

2.7.6选择定则和偏振规则77

2.7.7元素周期表78

2.7.8 Pauli不相容原理80

2.7.9铪的发现82

2.7.10第四个量子数；自旋82

2.8后是噩耗——旧量子论的危机83

2.8.1氦83

2.8.2反常Zeeman效应84

2.8.3收获85

2.9 β射线谱学：1906～191485

2.10核模型，肇始89

2.10.1质子-电子（P-E）模型89

2.10.2结合能91

2.10.3 1919：首次元素嬗变93

2.10.4一种新的力——核力的首次暗示93

2.11 1926～1932：核悖论的年代94

2.11.1 α衰变得到解释95

2.11.2 原子核的大小95

2.11.3核磁矩96

2.11.4核自旋96

2.11.5核统计96

2.11.6 β谱：1914～193097

2.12中子98

2.12.1 Chadwick98

2.12.2感生放射性：Joliot-Curie夫妇99

2.12.3中子是什么？100

2.12.4第一个核力理论：Heisenberg101

2.12.5第一个核反应理论：Bohr102

2.13 β谱：开端的终结104

2.13.1 Bohr104

2.13.2 Pauli105

2.13.3 Fermi106

2.14裂变107

2.14.1裂变的发现107

2.14.2 Bohr论铀235108

2.14.3附言：战前关于从裂变得到原子能的想法109

参考文献110

第3章 量子和量子力学122

3.1引言122

3.2量子——实验基础（1900～1928）124

3.2.1辐射和量子（1900～1913）124

3.2.2原子结构和光谱线（1913～1921）132

3.2.3量子力学效应（1922～1928）137

3.3量子力学的起源和完成（1913～1929）145

3.3.1“旧量子理论”的原理和失败（1913～1924）147

3.3.2哥廷根的量子力学和Schrodinger的波动力学（1925～1926）154

3.3.3物理诠释和数学基础（1926～1933）164

3.4微观物理世界（1925～1935）175

3.4.1量子力学的应用（1925～1932）176

3.4.2量子力学中的因果性、互补性和实在性（1926～1935）182

3.4.3超越量子力学（1932年～现在）189

参考文献192

第4章 相对论的历史211

4.1引言211

4.2狭义相对论214

4.2.1理论的起源：力学214

4.2.2狭义相对论的起源：光学和电动力学217

4.2.3狭义相对论的表述222

4.2.4相对论后来的发展229

4.2.5其他的表述方式和形式体系229

4.2.6相对论性速度空间（运动学空间）232

4.2.7粒子动力学233

4.2.8刚性运动和连续介质力学233

4.2.9电动力学234

4.2.10相对论热力学235

4.2.11相对论统计力学235

4.2.12量子理论和基本粒子236

4.2.13引力理论236

4.2.14实验检验和应用237

4.3广义相对论238

4.3.1等效原理239

4.3.2度规张量场241

4.3.3场方程243

4.3.4别种方案245

4.3.5 关于广义相对论后来的工作246

4.3.6别种表述和基础247

4.3.7引力能量的问题249

4.3.8广义相对论的物理解释249

4.3.9精确解和近似方法250

4.3.10运动方程251

4.3.11 Schwarzschild解和经典检验251

4.3.12黑洞、引力塌缩和奇点254

4.3.13引力辐射257

4.3.14近期的天文学和天体物理学应用和检验260

4.3.15量子引力261

4.3.16相对论的哲学地位和公众反应263

4.4统一场论264

参考文献266

第5章 核力、介子和同位旋对称性307

5.1 1930年前后的物理学307

5.1.1物质的构成307

5.1.2 1930年的原子物理学和分子物理学（能量为eV的物理学）308

5.1.3 X射线与Compton效应（能量为keV的物理学）310

5.1.4 α衰变、β衰变及原子核的分类（能量为MeV的物理学）314

5.1.5宇宙射线与Heisenberg 1932年的分析315

5.2奇迹年——1932年的新物理学317

5.2.1新粒子的发现317

5.2.2 Heisenberg的原子核中子-质子模型318

5.2.3 Fermi的β衰变理论320

5.3两个基本的核力理论321

5.3.1 Fermi场理论321

5.3.2汤川介子理论324

5.4 20世纪30年代的宇宙线：QED，簇射和重电子327

5.4.1软成分和硬成分327

5.4.2日本和英国的新介子理论332

5.5重电子，介子及粒子物理学的诞生337

5.5.1宇宙线重电子337

5.5.2重电子衰变与β衰变340

5.5.3介子与核力342

5.5.4穿透辐射344

5.6第二次世界大战期间和战后的发现344

5.6.1对重电子的更多怀疑：衰变与俘获344

5.6.2 π子的发现346

5.6.3更多的粒子发现347

5.7结论348

参考文献348

第6章 固体结构分析360

6.1 1912年以前的晶体学和X射线360

6.2晶体X射线衍射的发现362

6.3实验技术368

6.4结构测定的方法373

6.5精确结构分析383

6.6中子衍射387

6.7电子衍射393

6.8表面晶体学395

6.9不完美晶体和非晶体400

6.9.1线度增宽400

6.9.2层状结构的错排401

6.9.3有序—无序转变401

6.9.4冰的结构402

6.9.5晶体位错403

6.9.6非晶态结构405

6.9.7准晶408

6.10晶体结构分析的影响410

6.10.1内聚能和弹性410

6.10.2光学和介电性质410

6.10.3铁电性411

6.10.4超导性414

6.10.5无机化学415

6.10.6有机化学417

6.11生物分子结构419

6.12国际晶体学联合会及相关机构430

参考文献432

第7章 热力学与平衡统计力学442

7.1引言——19世纪背景442

7.2量子理论的影响444

7.2.1黑体辐射444

7.2.2固体的振动比热445

7.2.3经典和量子统计445

7.2.4气体比热447

7.2.5 Bose-Einstein凝聚449

7.2.6 Fermi-Dirac统计的应用449

7.3理论形式的发展450

7.3.1 Gibbs系综450

7.3.2 Einstein的涨落处理451

7.3.3第二定律的数学背景：Caratheodory方法452

7.3.4统计力学中的平均值方法（Darwin-Fowler方法）452

7.4热力学第三定律453

7.4.1历史回顾453

7.4.2 T→0时的相平衡454

7.4.3熵的量热估计和统计估计456

7.4.4甚低温的获得456

7.4.5负温度457

7.5相变和临界现象458

7.5.1引言458

7.5.2液-气临界点458

7.5.3铁磁的Curie点460

7.5.4流体的微观临界行为：临界乳光460

7.5.5 二元合金的临界行为462

7.5.6二级相变的Landau理论：普适性463

7.5.7气体凝聚的统计力学：Mayer-Yvon理论465

7.5.8 Ising模型：O nsager的革命466

7.5.9 调和：标度和普适性的经验推导472

7.5.10至尊的重正化群（RG）475

7.5.11自避行走及聚合物构象478

7.5.12具有其他有趣特征的模型479

7.5.13渗流过程479

7.5.14自相似性与分形481

7.6其他论题482

参考文献484

第8章 非平衡统计力学：变幻莫测的时间演化493

8.1变迁与巩固的阶段493

8.1.1不可思议的最初十年493

8.1.2 19世纪的遗产494

8.1.3正在形成中的学科定义497

8.2三个时期的历史498

8.2.1第一期：从Boltzmann方程到主方程500

8.2.2第二期：从主方程到混沌肇端（1940～1975）508

8.2.3第三期：1975年～20世纪90年代521

参考文献528