浅谈凝聚态物理学的历史发展与研究

第一篇：浅谈凝聚态物理学的历史发展与研究

浅谈凝聚态物理学的历史发展与研究

摘要：所谓“凝聚态”，指的是由大量粒子组成，并且粒子间有很强相互作用的系统。自然界中存在着各种各样的凝聚态物质。固态和液态是最常见的凝聚态。低温下的超流态，超导态，玻色-爱因斯坦凝聚态，磁介质中的铁磁态，反铁磁态等，也都是凝聚态。当代物理学把固态物质和液态物质统称为凝聚态物质。本文就凝聚态物理的内容和发展进行综合性的概述。

关键词：凝聚态凝聚态物理固体物理超导物理

引言: 凝聚态物理学是当今物理学最大也是最重要的分支学科之一。研究由大量微观粒子(原子、分子、离子、电子)组成的凝聚态物质的微观结构、粒子间的相互作用、运动规律及其物质性质与应用的科学。它是以固体物理学为主干，进一步拓宽研究对象，深化研究层次形成的学科。其研究对象除了晶体、非晶体与准晶体等固体物质外，还包括稠密气体、液体以及介于液体与固体之间的各种凝聚态物质，内容十分广泛。其研究层次，从宏观、介观到微观，进一步从微观层次统一认识各种凝聚态物理现象；物质维数，从三维到低维和分数维；结构从周期到非周期和准周期，完整到不完整和近完整；外界环境从常规条件到极端条件和多种极端条件交叉作用等,形成了比固体物理学更深刻更普遍的理论体系。经过半个世纪的发展，凝聚态物理学已成为物理学中最重要、最丰富和最活跃的分支学科，在诸如半导体、磁学、超导体等许多学科领域中的重大成就已在当代高新科学技术领域中起关键性作用，为发展新材料、新器件和新工艺提供了科学基础。前沿研究热点层出不穷，新兴交叉分支学科不断出现，是凝聚态物理学科的一个重要特点；与生产实践密切联系是它的另一重要特点，许多研究课题经常同时兼有基础研究和开发应用研究的性质，研究成果可望迅速转化为生产力.一、凝聚态物理学的历史和发展

凝聚态物理学起源于19世纪固体物理学和低温物理学的发展。70年代特别是80年代之后, 由于固体物理学和研究范围在不断扩大，其涉及的概念体系也开始变迁的转移，固体物理学这一名词常被“凝聚态物理学”所取代。随着液体物理，半导体物理，超导物理，纳米材料等科学的发展，凝聚态物理学逐渐成为物理学科内一门不可或缺的分支。

1.1.凝聚态物理学的萌芽时期——固体物理学的建立

固体物理学是研究固体的性质、它的微观结构及其各种内部运动，以及这种微观结构和内部运动同固体的宏观性质的关系的学科。

19世纪，人们对晶体的认识逐渐深入。1840年法国物理学家奥古斯特·布拉维导出了三维晶体的所有14种排列方式，即布拉维点阵。1912年，德国物理学家冯·劳厄发现了X射线在晶体上的衍射，开创了固体物理学的新时代，从此，人们可以通过X射线的衍射条纹研究晶体的微观结构。

1984年发现准周期结构以及分形结构中波的传播都存在一些新现象。在低温下考虑波的相干性,电输运现象会出现一些新结果,在介观物理领域中观测到一系列反映量子相干性的效应。由此看来,固体物理学范式扩大,由周期结构到非周期结构,可以容纳许多物理学研究的新领域。能带理论是建立在单电子近似的基础上的,也就是说忽略了电子间的相互作用。但实际上这种相互作用总是存在,因而在能带的计算中需要引入相应的修正项。50—60年代发展起来的电子密度泛函理论较好地处理了这一问题,朗道的费米液体理论也表明了其元激发(准粒子)仍和费米气体相似,而相互作用则导致这些粒子“穿衣戴帽”。但是电子的相互作用也可能导致质的跃变;交换相互作用引起了铁磁性与反铁磁性,电子与声子相互作用导致了电子的配对(BCS理论)而出现超导电性。另外,电子间的相互作用也引发了金属到绝缘体的转变(莫特转变)。这些工作引起科学家对相变问题的重视。也引导了从固体物理学渐变为凝聚态物理学。

1.2凝聚态物理学的发展——诸多物理学科的融入

70年代特别是80年代之后, 由于固体物理学和研究范围在不断扩大，其涉及的概念体系也开始变迁的转移，固体物理学这一名词常被“凝聚态物理学”所取代。固体物理学的不足之处是对粒子之间相互作用不够重视也变得非常明显，凝聚态物理学的诞生正好弥补其不足之处。

从固体物理到凝聚态物理，凝聚态物理学的内容不断被充实、拓展，进而融入了液体物理，半导体物理，超导物理，纳米材料等，凝聚态物理逐渐成为了一门十分重要的物理学科。

1.3凝聚态物理学的现状——最重要的分支学科之一

凝聚态物理学是当今物理学最大也是最重要的分支学科之一。研究由大量微观粒子(原子、分子、离子、电子)组成的凝聚态物质的微观结构、粒子间的相互作用、运动规律及其物质性质与应用的科学。它是以固体物理学为主干，进一步拓宽研究对象，深化研究层次形成的学科。其研究对象除了晶体、非晶体与准晶体等固体物质外，还包括稠密气体、液体以及介于液体与固体之间的各种凝聚态物质，内容十分广泛。

近年，对于凝聚态物理的研究方向主要有：高温超导及相关强关联体系的基本电子性质、低维自旋和电荷系统、纳米功能材料的基本电子性质研究、自旋电子学材料基本性质等。

以下为近20年来凝聚态物理的研究热点：

1.准晶态的发现（1984年）

2.高温超导体的发现YBaCuO2（钇钡铜氧化物）（1986年）

3.纳米科学（1984年）

4.材料的巨磁阻效应LaSrMnO3（1992年）

5.新的高温超导材料MgB2（2001年）

二、凝聚态物理学的研究

凝聚态物理的研究对象，从最开始的固体物理，拓展到了液体物理，从晶体拓展到了非晶体，更有超导物理，纳米材料等。凝聚态物理的研究获得了巨大的进展。目前，凝聚态物理的研究方向主要有：高温超导及相关强关联体系的基本电子性质、低维自旋和电荷系统、纳米功能材料的基本电子性质研究、自旋电子学材料基本性质等。

2.1半导体物理的研究

布洛赫的能带理论为半导体物理的形成奠定了理论基础。此后，威尔逊在用能带理论解释金属、绝缘体、半导体的区别的基础上，又提出了杂质能级的概念，对半导体导电机理有了新的认识。1939年，原苏联的达维多夫、英国的莫特、德国的肖特基各自独立提出了有关半导体整流作用的理论。

在理论探索的同时，从20-30 年代开始，有人试图制造晶体管，但未能获得成功。

晶体管的发明是固体物理学发展的产物。而通过制订严密规划并组织科学家攻关，则促进了这一成果的取得。从30年代起，贝尔实验室研究部下属真空管分部主任凯利一直考虑用某种新的器件取代真空管，因为真空管有许多缺点，不能满足电子技术日益发展的要求。凯利认为，应制订一个研究规划，深入地探索半导体，而先不考虑实用。1939年，凯利集中了一批优秀的青年科学家，给他们提供良好的条件和充分的研究自由。1945年，贝尔实验室成立了固体物理研究组。理论物理学家肖克利任组长，成员有巴丁和布拉顿等人。他们拟订了周密的研究和实验方案，进行了艰苦的探索。肖克利提出了“场效应”的预言。巴丁提出了半导体表面态和表面能级的概念。这些都对半导体理论的发展做出了贡献。随着每一个新观点的提出，他们不断修正实验方案。1947年12月23日，他们终于成功了。巴丁和布拉顿在一块锗晶片表面安放了两根非常细的钨金属针。一根固定，另一根是加有负电压的可精密移动的探针。锗片背面焊有一根粗一点的金属丝。当探针移动到距离固定针0.05毫米处时，流过探针的电流发生微小起伏，竟引起固定针与锗片背面粗金属丝之间电流的大幅度变化。他们终于制成了世界上第一只点接触晶体管。肖克利等三人获1956年诺贝尔物理奖。1949年，肖克利小组又提出了PN结的整流理论。1951年，他们又制造出NPN型和PNP型晶体管。1954年，美国得克萨斯仪器公司研制的第一只硅晶体管上市。1960年，霍恩尼公司和法尔奇德公司相继发明出平面晶体管，使半导体器件发展到一个新阶段，并为集成电路的产生和发展开辟了道路。

晶体管的出现，促进了半导体物理的发展。1958年，日本的江崎玲於奈发现半导体中的隧道效应现象，并制造了隧道二极管。近年来发现的“ 电子-空穴液滴” 现象引起人们的兴趣。1978年，科学家获得了电子-空穴液滴的照片，取得了研究的进展。物理学家希望对此研究会完全弄清纯半导体内的各种元激发间的相互作用，并开辟更广阔的应用前景。

2.2超导物理的研究

19世纪，英国著名物理学家法拉第在低温下液化了大部分当时已知的气体。1908年，荷兰物理学家海克·卡末林·昂内斯将最后一种难以液化的气体氦气液化，创造了人造低温的新纪录-269 °C(4K)，并且发现了金属在低温下的超导现象。超导具有广阔的应用前景，超导的理论和实验研究在20世纪获得了长足进展，临界转变温度最高纪录不断刷新，超导研究已经成为凝聚态物理学中最热门的领域之一。

早在1911年，荷兰的昂纳斯首次发现了在4.2K时水银电阻突然消失的超导电现象。1933年，迈斯纳(1891-1959)发现超导体内部的磁场是保持不变的，而且实际上为零。这种完全抗磁性是超导体的另一个基本特性，被称为迈斯纳效应。1935年，伦敦兄弟(F.London，1900-1954；H.Lon －don，1907-1970)提出了描述超导体的宏观电动力学方程——伦敦方程。

第二次世界大战以后，超导物理研究发展很快。1950年，弗留里希提出电子和晶格振动之间的相互作用导致电子间的相互吸引是引起超导电性的原因。同年，麦克斯弗和雷诺等人同时独立发现，超导的各种同位素的超导转变温度T.与同位素原子质量M 之间存在如下关系：Tc∝M ↑－α；对于一般元素，α～1/2.这叫同位素效应。1957年，巴丁、库柏和施里弗共同提出了超导电性的微观理论：当成对的电子有相同的总动量时，超导体处于最低能态；电子对的相同动量

是由电子之间的集体相互作用引起的，它在一定条件下导致超流动性；电子对的集体行为意味着宏观量子态的存在。这就是著名的BCS 理论。它成功地解释了超导现象，标志着超导理论的形成，对后来的超导研究产生了极大的影响。1972年，巴丁三人共同荣获诺贝尔物理奖。1962年，英国年仅22岁的研究生约瑟夫森根据BCS 理论计算出，由于量子隧道的作用，可以有一直流电流通过两个超导金属中间的薄绝缘势垒。这就是直流的约瑟夫森效应。

他还提出了交流的约瑟夫森效应。他的预言被以后的实验证实。人们利用约瑟夫森效应制成了极其灵敏的探测器。1973年，约瑟夫森获诺贝尔物理奖。自超导电性发现起，人们就尝试利用它为人类服务。但超导电性还不能在各领域广泛应用的障碍在于超导体的临界温度太低。因此，从昂纳斯的时代开始，人们一直在寻找高临界温度的材料。80年代以来，高温超导材料的研究取得长足进展。

1986年1 月，瑞士的缪勒和柏诺兹经过3 年艰苦探索，用钡镧氧化物获得了30K 的超导转变温度。1986年4 月，他们在德国的《物理学杂志》宣布了这一成果，但未引起同行重视。其原因之一是论文只提到了这一材料的零电阻效应，而没有对抗磁性作探讨。1986年10月，他们再次投稿，肯定了所制备的样品具有完全抗磁性。不过这篇论文迟至1987年才发表。1986年11月，日本的内田等人按照缪勒等人的配方制出了类似材料，并证实了它的完全抗磁性。至此，缪勒和柏诺兹的研究工作得到公认。缪勒二人共获1987年诺贝尔物理学奖。1987年初，围绕高温超导材料展开了一场激烈的国际角逐，掀起了全球超导热。1987年2 月，美籍华裔科学家朱经武用钇代替镧，获得了起始转变温度为90K的高温超导陶瓷。3 天以后，中国科学院物理所赵忠贤研究组用钇钡铜氧化物获得了起始转变温度93K 的超导体。各国实验室不甘落后，纷纷用各种化合物进行探索。一段时间内，超导材料临界温度直线上升，简直是日新月异。1990年，日本日立研究所超导中心发现了钒系高温超导材料，其临界温度达132K，并更新了铜系超导理论。中国国家超导研究中心同年研制出锑铋系材料，临界温度也达132K.超导材料的应用也获得蓬勃发展。1990年7 月，日本宣布制成大型核反应堆必不可少的超导线圈，效果提高了近千倍；此外还研制成世界上第一艘超导电磁推动船。中国科学院物理所于1990年9 月研制出高温超导薄膜，达到世界先进水平。中国研制的高温超导量子干涉探测器已试用于野外地磁测量，初步试验结果令人满意，达到了世界先进的技术性能指标。

超导研究的下一个目标是使超导临界温度达到常温。人们正在探索新的途径，尝试用氟、氮、碳部分取代氧，或在钇钡铜氧化物中加钪、锶和其他一些金属元素。金属氢的超导电性也是目前科学家极力研究的一个课题。高温超导材料的突破，将导致一大群新技术的兴起，并将对人类文明产生深远的影响。

2.3纳米材料的研究

地位所谓纳米技术，是指在0.1~100纳米的尺度里，研究电子、原子和分子内的运动规律和特性的一项崭新技术。

科学家们在研究物质构成的过程中，发现纳米尺度下隔离出来的几个、几十个可数原子或分子，显著地表现出许多新的特性。纳米效应就是指纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性，如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电，原来绝缘的二氧化硅、晶体等，在某一纳米级界限时开始导电。这是由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点，以及其特有的三大效应：表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。

而利用这些特性制造具有特定功能设备的技术，就称为纳米技术。

从迄今为止的研究状况看，关于纳米技术分为三种概念。第一种，是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念，可以使组合分子的机器实用化，从而可以任意组合所有种类的分子，可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术未取得重大进展。第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的“加工”来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术，也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即便发展下去，从理论上讲终将会达到限度。这是因为，如果把电路的线幅变小，将使构成电路的绝缘膜的为得极薄，这样将破坏绝缘效果。此外，还有发热和晃动等问题。为了解决这些问题，研究人员正在研究新型的纳米技术。第三种概念是从生物的角度出发而提出的。本来，生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构纳米科技现在已经包括纳米生物学、纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米化学等学科。从包括微电子等在内的微米科技到纳米科技，人类正越来越向微观世界深入，人们认识、改造微观世界的水平提高到前所未有的高度。

虽然距离应用阶段还有较长的距离要走，但是由于纳米科技所孕育的极为广阔的应用前景，美国、日本、英国等发达国家都对纳米科技给予高度重视，纷纷制定研究计划，进行相关研究。

三、凝聚态物理学的展望

通过半个多世纪的努力,凝聚态物质的研究已经取得了一系列令人注目的成果,其中既有重要的基础理论成果,如固体的能带理论、点阵动力学理论,磁性理论,超导电性理论,相变与临界现象理论等,又有震动世界的技术性成果,如半导体晶体管与激光器的诞生,新型铁磁性材料的发展等。仅半导体的研究就有11位科学家获得诺贝尔奖,超导体研究有8位科学家获得了诺贝尔奖,预期这一领域还会有人获奖。应该说多数成果还是在结构比较简单的材料中获得的,下一步应朝向物质结构复杂化的方向推进,这已成为科学界的共识。

结束语：凝聚态物理学所研究的对象是的我们人类的生产和生活有着密切的联系，对社会生产力的提高起着巨大的推动作用，每一项技术的发展，首先要有相应的材料作基础，新材料和器件的突破往往导致新的技术和及其产业的诞生。由于新结构、新现象和新机制层出不穷,对人类的智力构成强有力的挑战、跨学科的渗透，可以预见在将来很长的时间内，凝聚态物理学都一直会具有非常强的生命力，凝聚态物理学家们肯定也会大有作为。

参考文献：

【1】 李正中，《固体理论》，高等教育出版社，2002年

【2】 冯端，金国钧，《凝聚态物理学》，高等教育出版社，2003年

【3】 曹茂盛，《纳米材料导论》，哈尔滨工业大学出版社，2001年

【4】 张裕恒，《超导物理》（第三版），中国科学技术大学出版社，2009年

【5】 田强，涂清云，《凝聚态物理学进展》（第二版），科学出版社，2013年

【6】 基泰尔（美）著，项金钟，吴兴惠译，《固体物理导论》，化学工业出版社

第二篇：物理学发展简史

物理学发展简史

摘要：物理学的发展大致经历了三个时期：古代物理学时期、近代物理学时期（又称经典物理学时期）和现代物理学时期。物理学实质性的大发展，绝大部分是在欧洲完成，因此物理学的发展史，也可以看作是欧洲物理学的发展史。

关键词：物理学；发展简史；经典力学；电磁学；相对论；量子力学；人类未来发展 0 引言

物理学的发展经历了漫长的历史时期，本文将其划分为三个阶段：古代、近代和现代，并逐一进行简要介绍其主要成就及特点，使物理学的发展历程显得清晰而明了。古代物理学时期

古代物理学时期大约是从公元前8世纪至公元15世纪，是物理学的萌芽时期。

物理学的发展是人类发展的必然结果，也是任何文明从低级走向高级的必经之路。人类自从具有意识与思维以来，便从未停止过对于外部世界的思考，即这个世界为什么这样存在，它的本质是什么，这大概是古代物理学启蒙的根本原因。因此，最初的物理学是融合在哲学之中的，人们所思考的，更多的是关于哲学方面的问题，而并非具体物质的定量研究。这一时期的物理学有如下特征：在研究方法上主要是表面的观察、直觉的猜测和形式逻辑的演绎；在知识水平上基本上是现象的描述、经验的肤浅的总结和思辨性的猜测；在内容上主要有物质本原的探索、天体的运动、静力学和光学等有关知识，其中静力学发展较为完善；在发展速度上比较缓慢。在长达近八个世纪的时间里，物理学没有什么大的进展。

古代物理学发展缓慢的另一个原因，是欧洲黑暗的教皇统治，教会控制着人们的行为，禁锢人们的思想，不允许极端思想的出现，从而威胁其统治权。因此，在欧洲最黑暗的教皇统治时期，物理学几乎处于停滞不前的状态。

直到文艺复兴时期，这种状态才得以改变。文艺复兴时期人文主义思想广泛传播，与当时的科学革命一起冲破了经院哲学的束缚。使唯物主义和辩证法思想重新活跃起来。科学复兴导致科学逐渐从哲学中分裂出来，这一时期，力学、数学、天文学、化学得到了迅速发展。2近代物理学时期

近代物理学时期又称经典物理学时期，这一时期是从16世纪至19世纪，是经典物理学的诞生、发展和完善时期。

近代物理学是从天文学的突破开始的。早在公元前4世纪，古希腊哲学家亚里士多德就已提出了“地心说”，即认为地球位于宇宙的中心。公元140年，古希腊天文学家托勒密发表了他的13卷巨著《天文学大成》，在总结前人工作的基础上系统地确立了地心说。根据这一学说，地为球形，且居于宇宙中心，静止不动，其他天体都绕着地球转动。这一学说从表观上解释了日月星辰每天东升西落、周而复始的现象，又符合上帝创造人类、地球必然在宇宙中居有至高无上地位的宗教教义，因而流传时间长达1300余年。公元15世纪，哥白尼经过多年关于天文学的研究，创立了科学的日心说，写出“自然科学的独立宣言”——《天体运行论》，对地心说发出了强有力的挑战。16世纪初，开普勒通过从第谷处获得的大量精确的天文学数据进行分析，先后提出了行星运动三定律。开普勒的理论为牛顿经典力学的建立提供了重要基础。从开普勒起，天文学真正成为一门精确科学，成为近代科学的开路先锋。

近代物理学之父伽利略，用自制的望远镜观测天文现象，使日心说的观念深入人心。他提出落体定律和惯性运动概念，并用理想实验和斜面实验驳斥了亚里士多德的“重物下落快”的错误观点，发现自由落体定律。他提出惯性原理，驳斥了亚里士多德外力是维持物体运动的说法，为惯性定律的建立奠定了基础。伽利略的发现以及他所用的科学推理方法是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学真正的开端。

16世纪，牛顿总结前人的研究成果，系统的提出了力学三大运动定律，完成了经典力学的大一统。16世纪后期创立万有引力定律，树立起了物理学发展史上一座伟大的里程碑。之后两个世纪，是电学的大发展时期，法拉第用实验的方法，完成了电与磁的相互转化，并创造性地提出了场的概念。19世纪，麦克斯韦在法拉第研究的基础上，凭借其高超的数学功底，创立了了电磁场方程组，在数学形式上完成了电与磁的完美统一，完成了电磁学的大一统。与此同时，热力学与光学也得到迅速发展，经典物理学逐渐趋于完善。3 现代物理学时期

现代物理学时期，即从19世纪末至今，是现代物理学的诞生和取得革命性发展时期。

19世纪末，当力学、热力学、统计物理学和电动力学等取得一系列成就后，许多物理学家都认为物理学的大厦已经建成，后辈们只要做一些零碎的修补工作就行了。然而，两朵乌云的出现，打破了物理学平静而晴朗的天空。第一朵乌云是迈克尔孙-莫雷实验：在实验中没测到预期的“以太风”，即不存在一个绝对参考系，也就是说光速与光源运动无关，光速各向同性。第二朵乌云是黑体辐射实验：用经典理论无法解释实验结果。这两朵在平静天空出现的乌云最终导致了物理学的天翻地覆的变革。

20世纪初，爱因斯坦大胆地抛弃了传统观念，创造性地提出了狭义相对论，永久性地解决了光速不变的难题。狭义相对论将物质、时间和空间紧密的联系在一起，揭示了三者之间的内在联系，提出了运动物质长度收缩，时间膨胀的观点，彻底颠覆了牛顿的绝对时空观，完成了人类历史上一次伟大的时空革命。十年之后，爱因斯坦提出等效原理和广义协变原理的假设，并在此基础上创立了广义相对论，揭示了万有引力的本质，即物质的存在导致时空弯曲。相对论的创立，为现代宇宙学的研究提供了强有力的武器。

物理学的第二朵乌云——黑体辐射难题，则是在普朗克，爱因斯坦，玻尔等一大批物理学家的努力下，最终导致了量子力学的产生与兴起。普朗克引入了“能量子”的假设，标志着量子物理学的诞生，具有划时代的意义。爱因斯坦，对于新生“量子婴儿”，表现出热情支持的态度。并于1905年提出了“光量子”假设，把量子看成是辐射粒子，赋予量子的实在性，并成功地解释了光电效应实验，捍卫和发展了量子论。随后玻尔在普朗克和爱因斯坦 “量子化”概念和卢瑟福了“原子核核式结构”模型的影响下提出了氢原子的玻尔模型。德布罗意把光的“波粒二象性”推广到了所有物质粒子，从而朝创造描写微观粒子运动的新的力学——量子力学迈进了革命性的一步。他认为辐射与粒子应是对称的、平等的，辐射有波粒二象性，粒子同样应有波粒二象性，即对微粒也赋予它们波动性。薛定谔则用波动方程完美解释了物质与波的内在联系，量子力学逐渐趋于完善。

量子力学与相对论力学的产生成为现代物理学发展的主要标志，其研究对象由低速到高速，由宏观到微观，深入到广垠的宇宙深处和物质结构的内部，对宏观世界的结构、运动规律和微观物质的运动规律的认识，产生了重大的变革。其发展导致了整个物理学的巨大变革，奠定了现代物理学的基础。随后的几十年即从1927年至今，是现代物理学的飞速发展阶段，这一期间产生了量子场论、原子核物理学、粒子物理学、半导体物理学、现代宇宙学、现代物理技术等分支学科，物理学日渐趋于成熟。4 结论

物理学的发展史，也是人类从愚昧走向成熟，从低级走向高级的历史。物理学的每一次大发展，都使人类的思想境界上升到了一个新的高度。相对于整个宇宙范围来说，当今人类的文明尚处于一个较低的层次，并处于正在向第一文明等级发展的历程中。在这个发展的历程中，科学无疑是第一推动力，而在科学的众多分支中，物理学无疑是这一推动力的最先进的代表。

第三篇：物理学发展概论

物理化学学科发展

一、物理化学概述

化学学科的发展经历了若干个世纪。而物理化学则是以物理实验技术为基础，研究化学体系的性质和行为，发现并建立化学体系中特殊规律的学科。物理化学是化学学科的理论基础，它从物质的物理现象与化学现象的联系入手，去探求化学变化的基本规律。

一般公认的物理化学的研究内容大致可以概括为三个方面：

（1）化学体系的宏观平衡性质 以热力学的三个基本定律为理论基础，研究宏观化学体系在气态、液态、固态、溶解态以及高分散状态的平衡物理化学性质及其规律性。

（2）化学体系的微观结构和性质 以量子理论为理论基础，研究原子和分子的结构，物体的体相中原子和分子的空间结构、表面相的结构，以及结构与物性的规律性。

（3）化学体系的动态性质 研究由于化学或物理因素的扰动而引起体系中发生的化学变化过程的速率和变化机理。

化学被认为一门实验与理论并重的科学，基于物理理论的计算已成为化学不可缺少的组成部分，标志着化学发展进入了新的阶段。

二、物理化学的发展史

物理化学的发展史一般认为，物理化学作为一门学科的正式形成，是从1877年德国化学家奥斯特瓦尔德和荷兰化学家范托夫创刊的《物理化学杂志》开始的。实际上，物理化学已有很大进展了。从这一时期到20世纪初，物理化学以化学热力学的蓬勃发展为其特征。

热力学第一定律和热力学第二定律被广泛应用于各种化学体系，特别是溶液体系的研究。吉布斯对多相平衡体系的研究和范托夫对化学平衡的研究，阿伦尼乌斯提出电离学说，能斯脱发现热定理都是对化学热力学的重要贡献。

当1906年路易斯提出处理非理想体系的逸度和活度概念，以及它们的测定方法之后，化学热力学的全部基础已经具备。劳厄和布喇格对 X射线晶体结构分析的创造性研究，为经典的晶体学向近代结晶化学的发展奠定了基础。阿伦尼乌斯关于化学反应活化能的概念，以及博登施坦和能斯脱关于链反应的概念，对后来化学动力学的发展也都作出了重要贡献。

20世纪20～40年代是结构化学领先发展的时期，这时的物理化学研究已深入到微观的原子和分子世界，改变了对分子内部结构的复杂性茫然无知的状况。1926年，量子力学研究的兴起，不但在物理学中掀起了高潮，对物理化学研究也给以很大的冲击。尤其是在1927年，海特勒和伦敦对氢分子问题的量子力学处理，为1916年路易斯提出的共享电子对的共价键概念提供了理论基础。1931年鲍林和斯莱特把这种处理方法推广到其他双原子分子和多原子分子，形成了化学键的价键方

法。1932年，马利肯和洪德在处理氢分子的问题时根据不同的物理模型，采用不同的试探波函数，从而发展了分子轨道方法。

第二次世界大战后到60年代期间，物理化学以实验研究手段和测量技术，特别是各种谱学技术的飞跃发展和由此而产生的丰硕成果为其特点。

电子学、高真空和计算机技术的突飞猛进，不但使物理化学的传统实验方法和测量技术的准确度、精密度和时间分辨率有很大提高，而且还出现了许多新的谱学技术。物理化学的研究对象超出了基态稳定分子而开始进入各种激发态的研究领域。先进的仪器设备和检测手段也大大缩短了测定结构的时间，使结晶化学在测定复杂的生物大分子晶体结构方面有了重大突破。电子能谱的出现更使结构化学研究能够从物体的体相转到表面相，对于固体表面和催化剂而言，这是一个得力的新的研究方法。

60年代，激光器的发明和不断改进的激光技术。大容量高速电子计算机的出现，以及微弱信号检测手段的发明孕育着物理化学中新的生长点的诞生。

70年代以来，分子反应动力学、激光化学和表面结构化学代表着物理化学的前沿阵地。研究对象从一般键合分子扩展到准键合分子、范德瓦耳斯分子、原子簇、分子簇和非化学计量化合物。

在理论研究方面，快速大型电子计算机加速了量子化学在定量计算方面的发展。对于许多化学体系来说，薛定谔方程已不再是可望而不可解的了。福井谦一提出的前线轨道理论以及伍德沃德和霍夫曼提出的分子轨道对称守恒原理的建立是量子化学的重要发展。

三、中国物理化学的发展

中国物理化学的发展历史，以1949年中华人民共和国成立为界，大致可以分为两个阶段。在30～40年代，尽管当时物质条件薄弱，但老一辈物理化学家不仅在化学热力学、电化学、胶体和表面化学、分子光谱学、X射线结晶学、量子化学等方面做出了相当的成绩，而且培养了许多物理化学方面的人才。

1949年以后，经过几十年的努力，在各个高等学校设置物理化学教研室进行人才培养的同时，还在中国科学院各有关研究所和各重点高等学校建立了物理化学研究室，在结构化学、量子化学、催化、电化学、分子反应动力学等方面取得了可喜的成绩。

从历史上看，化学家史随化学研究的深入而不断吸纳物理学成果来解决化学问题的。而且每次吸纳物理学成果都都是化学进入一个新的发展阶段。在实验和理论两方面都是如此。

四、物理化学的发展前景

物理化学是在物理和化学两大学科基础上发展起来的。它以丰富的化学现象和体系为对象,大量采纳物理学的理论成就与实验技术,探索、归纳和研究化学的基本规律

和理论,构成化学科学的理论基础。物理化学的水平在相当大程度省反映了化学发展的深度。

随着人们科学知识的不断积累,科学认识的日益深化和现代科学技术,如新谱学方法、分子束和激光技术、巨型计算机和先进计算方法等的应用,使物理化学的理论与实验研究均进入一个崭新的发展阶段。现代物理化学发展的明显趋势和特点是,从宏观到微观,从体相到表面,从静态到动态等。目前物理化学已在一定程度上能指导实践,并在实践中不断得到丰富和发展。

分子工程学史当今的热门工程学，想要达到想宏观工程学那样的水平，显然需要以下几方面定量的化学知识和在原子分子水平上操纵微观对象的能力。

1掌握物质的性能与其分子组成和结构的关系

2掌管化学反应进行的规律

3在合成和组装中拥有在原子分子水平操纵微观对象的能力

为了实现分子工程学的设想，化学除了发挥自己现有的优势以外，还需要吸纳物理学的成果。物理学向化学渗透，在无机化学方面更突出，而物理无机化学更应该是吸纳物理学新成果的前锋。

第四篇：物理学大师与物理学发展课后感想

物理学大师与物理学发展课后感想

大二的第一学年的选修课，我选了《物理学大师与物理学发展》，其实我对物理挺感兴趣的，特别是那些物理啊大师啊什么的，特别是对那些对物理上的真理执着追求的物理学家，我更是心生敬佩，听了老师对物理史的详细解说和对物理大师的栩栩如生的描绘，我对物理的发展史有了更深的理解和认识，对那些在物理史上发出璀璨光芒的物理大师有了更加深刻的了解，对它们的为人和研究态度有了更加清晰的轮廓。总之，我通过聆听物理学大师与物理学发展老师的认真的讲解，我获益匪浅。

老师对众多的物理大师的描绘中，我对爱因斯坦印象最深刻，经过老师的讲解后，我在网上看了爱因斯坦的资料，对其的有了更加深入的了解，也对他的为人也更加钦佩，对他对实验和科学的态度更加佩服。爱因斯坦一生中最重要的贡献是相对论。1905年他发表了题为《论动体的电动力学》的论文，提出了狭义相对性原理和光速不变原理，建立了狭义相对论。随后，经过多年的努力，1915年他又建立了广义相对论，进一步揭示了四维空时同物质的统一关系，指出空时不可能离开物质独立存在。根据广义相对论的引力论，他推断光在引力场中不沿着直线而会沿着曲线传播，这一理论在1919年得到证实。1938年，他在广义相对论的运动问题上取得重大发展，更深一步揭示了空时、物质、运动和引力之间的统一性。60年代以来，广义相对论和引力论的研究，由于试验技术和天文学的巨大发展受到重视。

爱因斯坦能够成为物理学史上的一课耀眼的明珠，是因为什么呢?因为他有一颗积极进去的心、严谨细心的态度和持之以恒的精神。如果他缺少了其中的哪一个，就不可能会成功。当你拥有一颗积极进取的心时，哪怕跌倒了，都能够站起来，勇敢的迈出下一步，并能够充满信心的期待着美好的明天。如果没有，将会觉得生活失去了乐趣，每天沉浸在悲伤痛苦之中。我们应该做好属于我们的每一件事情。不管我们做的事情有多渺小，我们都应该脚踏实地，认认真真的去完成。只要我们一心一意的做，不拖拉，不马虎，相信自己一定会受到别人的认同。当然，做事情也不能做到一半就不做了，我们应该持之以恒，不能觉得太累或其他理由就不做了，这样下去就会养成坏毛病，永远改不掉了。可见，爱因斯坦的三个品格有多么重要。

爱因斯坦能成功，还有一个重要的因素，那就是他爱动脑筋。小时候，他爸爸给了他一个罗盘，他感到很新奇，就对着这个罗盘思考了半天。我们有时候也会对着某样事物思考半天，也无法回答身边的许多事情，但当我们不懂的时候却抱着无所谓的态度，就算知道了答案也过一会儿就会忘记。也许就是天才和烦人差的那一步。

这是他成功的原因，使我更佩服他的原因是：爱因斯坦不仅是一个伟大的科学家，还是一个有高度世界责任感的正直的人。在他小时候，有一次德皇军队通过慕尼黑的市街，好奇的人们都涌向窗前喝彩助兴，但爱因斯坦却恐惧得躲了起来，他瞧不起又害怕这些“打仗的妖怪”，并要求他的母亲把他带到永远也不会变成这种妖怪的国土去。中学时爱因斯坦放弃了德国国籍，可他并不申请加入意大利国籍，他要做一个不要任何依附的世界公民。爱因斯坦一心希望科学能够造福人类，但他却目睹了科学技术在两次世界大战中所造成的巨大破坏。因此，他认为战争与和平的问题是当代的首要问题。大战过后，爱因斯坦试图在现实的基础上建立他的世界和平的梦想，并且在“敌国”里作了一连串“和平”演说。为了使自己与这个世界保持“和谐”，爱因斯坦加入了美国国籍。他认为，在美国这个国度里，各阶级的人们都能在勉强过得去的友谊中生存下去。

然而爱因斯坦仅仅是老师讲解的众多物理名家总的一位，众多的物理名家，让我们获益匪浅，更让我们对物理更加感兴趣。

通过物理学大师与物理学发展课程老师的讲解，我认识了众多物理名家，也让我明白了很多，教会了我们很多：我们要有一颗积极进取的心，不管我们做什么事情，只要我们能坚持自己喜欢的，拥有严谨细心的态度，认真负责的决心，扎实进取的行动，持之以恒的精神，金子就一定能够发光的

第五篇：物理学大师与物理学发展课程感想

物理学大师与物理学发展课程感想

我是一名转到理科系的文科生，本学期要修大学物理，高中三年都没学物理，大一也没有学大学物理（1），直接学大学物理（2），压力巨大，想通过“物理学大师与物理学发展”这门课加深一下对物理学的了解和认识，通过一学期的学习，老师精彩的讲授，对我有很大帮助。

物理，作为一门科学，物理学告诉人们什么是物理学、为什么要研究物理学？研究物理学的价值。而作为一门课程，物理课程告诉学生物理学研究的对象是什么、怎样通过定律定理来揭示物质世界的奥秘、物理思想和方法如何转化为自身的素质和能力？ “天人一物，内外一理”，今天的物理要引导学生学会感受物之妙理妙在何处、怎样感悟物之妙理、以及思考物之妙理有什么用。

老师介绍了几位物理学的大师，他们的故事、他们的执着感动着我、激励着我。老师从物理学的起步、成长到发展、壮大以及时至今日物理学的现状，将物理学的发展娓娓道来，弥补了我这方面知识的空缺。

作为人类的理智活动和对自然认识的知识形式，物理学包括概念、逻辑和经验三大要素，相应地逻辑方法论和实验方法论和概念方法论就构成了科学方法论基础的三大支柱。在今后的学习中要把物理学史和物理学方法渗透在学习过程中，更好地感悟“万物之理”的智慧。谢谢老师！