諾貝爾物理學(xué)獎的頒發(fā)對現(xiàn)代科技的影響-LTY課件

1、諾貝爾物理學(xué)獎的頒發(fā)對現(xiàn)代科技的影響系別電氣工程系專業(yè)電氣工程及其自動化班級方13*-*姓名LTY學(xué)號2013*石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院年 月 日諾貝爾物理學(xué)獎的頒發(fā)對現(xiàn)代科技的影響班級：方13*-* 姓名：LTY 學(xué)號：2013*諾貝爾物理學(xué)獎的頒發(fā)已經(jīng)持續(xù)將近100年了。這100年正是現(xiàn)代物理學(xué)大發(fā)展的時期。諾貝爾物理學(xué)獎包括了物理學(xué)的許多重大研究成果，遍及現(xiàn)代物理學(xué)的各個主要領(lǐng)域。100年來的頒獎顯示了20世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的軌跡?？梢哉f，諾貝爾物理學(xué)獎是20世紀(jì)物理學(xué)偉大成就的縮影，折射出了現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展脈絡(luò)。諾貝爾物理學(xué)獎的頒發(fā)體現(xiàn)了物理學(xué)新成果的社會價值和歷史價值，對科學(xué)進(jìn)步有舉足輕重

2、的作用。1.1 諾貝爾物理學(xué)獎反映現(xiàn)代科技的發(fā)展，獲獎成果是現(xiàn)代科技發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物1.1.1 首屆諾貝爾物理學(xué)獎19世紀(jì)末，處于當(dāng)時科學(xué)體系中堅地位的經(jīng)典物理學(xué)達(dá)到了空前的輝煌。力學(xué)、熱力學(xué)和分子動理論、電磁學(xué)以及光學(xué)，都已經(jīng)建立了完整的理論體系，在應(yīng)用上也取得了巨大成果。這時物理學(xué)家普遍認(rèn)為，物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到頂，偉大的發(fā)現(xiàn)不會再有了，以后的任務(wù)無非是在細(xì)節(jié)上作些補充和修正，使常數(shù)測得更精確而已。然而世紀(jì)之交新的物理學(xué)發(fā)現(xiàn)，如射線、放射性的發(fā)現(xiàn)、電子的發(fā)現(xiàn)打破了這一局面，將物理學(xué)的發(fā)展引向更深入、更廣闊的天地。 1895年倫琴在研究陰極射線的過程中，在實驗中發(fā)現(xiàn)了一種穿透力極強的新的射線

3、，由于當(dāng)時尚不清楚這種射線的性質(zhì)，倫琴稱之為射線。倫琴因發(fā)現(xiàn)X射線而獲1901年的首屆諾貝爾物理學(xué)獎。X射線的發(fā)現(xiàn)是生產(chǎn)和技術(shù)發(fā)展的必然產(chǎn)物，特別是電力工業(yè)的發(fā)展，電器照明開始廣泛應(yīng)用，促使科學(xué)家研究氣體放電和真空技術(shù)，才有可能發(fā)現(xiàn)陰極射線，從而導(dǎo)致了X射線的發(fā)現(xiàn)。1.1.2 近十年的諾貝爾物理學(xué)獎2000年授予研制用于高速光電子學(xué)的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)、集成電路的發(fā)明，2001年授予根據(jù)玻色-愛因斯坦理論發(fā)現(xiàn)了一種新的物質(zhì)狀態(tài)-堿金屬原子稀薄氣體的玻色-愛因斯坦凝集，2002年授予宇宙中微子的探測、發(fā)現(xiàn)宇宙射線源，2003年授予對超導(dǎo)電性、超流性作用解釋，2004年授予發(fā)現(xiàn)粒子物理的強相互作用理論

4、中的“漸近自由”現(xiàn)象， 2005 授予對光學(xué)相干的量子理論做出的貢獻(xiàn)及對基于激光的精密光譜學(xué)發(fā)展做出的貢獻(xiàn)。2006年授予發(fā)現(xiàn)了黑體形態(tài)和宇宙微波背景輻射的擾動現(xiàn)象，2007年授予發(fā)現(xiàn)“巨磁電阻”效應(yīng)，2009年授予華裔物理學(xué)家高錕在“有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學(xué)通信方面”取得了突破性成就及博伊爾和史密斯發(fā)明了半導(dǎo)體成像器件電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器。這些獲獎的成果都是在現(xiàn)代科技的前沿領(lǐng)域如凝聚態(tài)物理、粒子物理學(xué)、光學(xué)、天體物理學(xué)、無線電電子學(xué)、低溫物理與超導(dǎo)等方面作出開拓性或突破性進(jìn)展的成果，反映的是前沿科技的輝煌成果，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物。2.2 諾貝爾物理學(xué)獎的頒發(fā)促進(jìn)

5、了相關(guān)領(lǐng)域科技的發(fā)展2.2.1 X射線的發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了科技的發(fā)展X射線的發(fā)現(xiàn)及研究，對物理學(xué)，化學(xué)，生物學(xué)和醫(yī)學(xué)等都產(chǎn)生了深刻的影響，并且在這些相關(guān)領(lǐng)域造就了數(shù)十名諾貝爾獎金獲得者。尤其是在物理學(xué)科領(lǐng)域，物理學(xué)家們對于X射線的研究推動了物理學(xué)自身的發(fā)展。在對X射線的研究中，物理學(xué)發(fā)展的連續(xù)性體現(xiàn)得尤為清楚，這不僅可以從知識本身的發(fā)展中可以看到，也可以從物理學(xué)家們的研究過程中充分地得到體現(xiàn)。特別是很多物理學(xué)家是在繼承了前人的某些思想或是沿襲了前輩的某些研究或?qū)嶒灧椒ǖ龋瑥亩谶@樣的基礎(chǔ)上繼續(xù)深入研究，在理論或?qū)嶒炆嫌行碌耐黄?，最終做出新的，獨創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)。概括來講，X射線的發(fā)現(xiàn)及其性質(zhì)研究，一方面推動

6、了對原子結(jié)構(gòu)認(rèn)識的發(fā)展，甚至是對原子核認(rèn)識也是具有啟發(fā)性的；另一方面又推動了量子力學(xué)的發(fā)展。X射線為我們認(rèn)識物質(zhì)世界提供了一個非常有力的工具。X射線光譜學(xué)的發(fā)展，為我們認(rèn)識原子結(jié)構(gòu)的規(guī)律性、為原子結(jié)構(gòu)理論提供了直接的實驗證據(jù)；X射線與物質(zhì)的相互作用，主要是散射作用，向我們展示了原子、分子在物體中的微觀排列圖象。這使物理學(xué)的研究領(lǐng)域從宏觀進(jìn)入到微觀、從經(jīng)典過渡到現(xiàn)代，具有劃時代的作用。因此，在二十世紀(jì)早期有幾位物理學(xué)家都因?qū)射線的研究而取得的成果獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。(1) X射線的研究對原子結(jié)構(gòu)理論的影響在勞厄發(fā)現(xiàn)X射線晶體衍射7年后，也就是1919年，索末菲解釋了從受激原子發(fā)射的X射線分析

7、中能得到的內(nèi)容。在他的原子結(jié)構(gòu)和原子譜線一書的序言中，他寫道:“自光譜分析發(fā)現(xiàn)以來，只要我們掌握了頻譜語言，就沒有哪位專家還會懷疑原子的有關(guān)問題不能解決。60年的實驗所堆積的光譜學(xué)實驗資料，原來覺得是多么復(fù)雜，似乎簡直無法整理；然而7年來X射線光譜學(xué)實驗的貢獻(xiàn)，使我們可以說:原子問題從根本上已經(jīng)解決了，原子內(nèi)部的性質(zhì)也明確了?！睆乃髂┓频倪@段話中我們可以窺見X射線的研究，尤其是X射線光譜學(xué)的研究與發(fā)展對于原子結(jié)構(gòu)理論產(chǎn)生了多么重要的影響。索末菲的評價絕不夸張。N玻爾在1913年將量子論引入原子內(nèi)部，提出了原子結(jié)構(gòu)的量子假說。而這種理論是否正確，還需要依賴實驗的檢驗與證明。X射線譜為這一理論提供

8、了有力的證據(jù)。這要歸功于巴克拉、莫塞萊和西格班等人，因為他們在X射線光譜學(xué)的創(chuàng)立和發(fā)展上做出了巨大的貢獻(xiàn)。X射線光譜學(xué)不僅為原子殼層結(jié)構(gòu)理論提供了實驗依據(jù)，還為人們定量的研究原子的能級開辟了途徑。西格班曾經(jīng)說過：“通過對X射線光譜學(xué)發(fā)展的簡單回顧，可以看出以前認(rèn)識到X射線是由圍繞著原子核的電子云發(fā)射的。這為研究原子核外的結(jié)構(gòu)開辟了一條主要途徑。不僅僅原子的殼層結(jié)構(gòu)被普遍肯定了，而且還能獲得一個詳細(xì)的定量的能級圖。與光學(xué)光譜提供的外層能級信息相聯(lián)系，它提供了現(xiàn)在的核外原子的詳細(xì)圖象?！崩纾蒟射線光譜學(xué)的知識，我們可以推斷，最靠近原子核的是K能級，它的外面是L能級，然后是M能級和N能級等。(2

9、) X射線的研究對量子力學(xué)的影響我們看到關(guān)于X射線是波動本質(zhì)還是粒子本質(zhì)的問題一直被爭論了很多年，直到1912年勞厄發(fā)現(xiàn)了X射線的衍射，波動理論被普遍地接受。但是僅用這一理論對于X射線的描述仍然是不完善的，而關(guān)于X射線本質(zhì)上的這層神秘的面紗最終由康普頓效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)而真正被揭開?？灯疹D效應(yīng)的量子解釋同時考慮了能量守恒和動量守恒。動量守恒是針對客觀存在的粒子的，這無疑說明了X射線也具有粒子屬性，即是波粒二象性的。這種思想早在1905年愛因斯坦提出光量子概念時已體現(xiàn)，但又經(jīng)歷了很長對間人們才接受X射線本質(zhì)是波動性和粒子性結(jié)合的事實，可見這兩種屬性在過去看來是“水火不相容”的。而正是這樣兩種水火不相容的

10、屬性的融合開始了量子力學(xué)蓬勃發(fā)展的歷程。X射線，普遍講是光的波粒二象性成為路易斯德布羅意物質(zhì)波假說的重要啟示?？梢姡灯疹D效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)對于量子力學(xué)的發(fā)展起了積極的推動作用。(3) 小結(jié)X射線一旦發(fā)現(xiàn)，立即取得了廣泛的應(yīng)用，醫(yī)學(xué)上成為透視人體、檢查傷病的有利工具，后來又發(fā)展到用于金屬探傷，對工業(yè)技術(shù)也有一定的促進(jìn)作用。更重要的是這一發(fā)現(xiàn)又掀起了人們研究物理學(xué)的熱潮。隨即放射性的發(fā)現(xiàn)獲1903年諾貝爾物理學(xué)獎。電子的發(fā)現(xiàn)等打破了使當(dāng)時大家深信不疑的原子不可分、元素不可變的傳統(tǒng)觀念，使人類的認(rèn)識深入到了原子內(nèi)部。從此，促進(jìn)了原子分子物理學(xué)的發(fā)展，引發(fā)了占據(jù)現(xiàn)代科學(xué)革命主導(dǎo)地位的物理學(xué)革命。也正因為對于

11、原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)有了深入的科學(xué)認(rèn)識，才有可能利用原子核分裂所釋放的巨大能量為人類活動服務(wù)，發(fā)展成為今天的核能工業(yè)。2.2.2 光學(xué)新發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步光學(xué)是一門古老的學(xué)科，經(jīng)牛頓、托馬斯楊、惠更斯、菲涅耳、麥克斯韋等人的努力，到19世紀(jì)末，已建立起比較完善的光學(xué)理論體系，對光的本質(zhì)也基本探明。但是，隨著20世紀(jì)初量子力學(xué)的建立，特別是20世紀(jì)60年代激光的發(fā)明，使光學(xué)獲得了新生，產(chǎn)生了許多新的分支學(xué)科。諾貝爾獎曾對它10次頒獎，其中7次授于光學(xué)方法與技術(shù)的應(yīng)用方面；邁克爾遜發(fā)明了精密的干涉儀和分光儀并用于建立非物質(zhì)的長度標(biāo)準(zhǔn)(1907年)；彩色攝影術(shù)的發(fā)明(1908年)；用于燈塔和浮標(biāo)的自動

12、控制氣體照明器的發(fā)明(1912年)；拉曼效應(yīng)的發(fā)明(1930年)；相襯現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)和相襯顯微鏡的發(fā)明(1953年)；切連可夫效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和理論解釋(1958年)；雙共振法和光泵法等光學(xué)方法的發(fā)明(1966年)。當(dāng)然，20世紀(jì)最令人矚目的光學(xué)成就是全息術(shù)的發(fā)明(1971年)和激光的發(fā)明。早在1917年，愛因斯坦在研究黑體時提出了受激輻射理論。1952年-1958年，湯斯、巴索夫和普羅霍洛夫分別提出微波激射器放大原理和激光器的放大原理(1964年)，1960年5月，美國休斯公司的梅曼博士首先研制成功第一臺激光器，迎來了激光技術(shù)的新紀(jì)元。隨后，布洛姆伯根創(chuàng)建了非線性光譜學(xué)，肖洛開創(chuàng)了激光光譜學(xué)(1981

13、年)。20世紀(jì)60年代激光誕生后，光學(xué)發(fā)生了深刻的變化，形成了激光物理、非線性光學(xué)、高分辨率光譜學(xué)、強光光學(xué)、量子光學(xué)等分支學(xué)科，并正在形成如光子學(xué)、超快光學(xué)和原子光學(xué)等新分支學(xué)科，以及與化學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)等形成一系列交叉學(xué)科，并形成了一系列高新技術(shù)。在21世紀(jì)里，光學(xué)將得到更大的發(fā)展，人們還期望在21世紀(jì)研制成功光子計算機、實現(xiàn)光纖孤子通訊技術(shù)。在光學(xué)發(fā)展史上，湯斯小組發(fā)明了微波激射器而獲1964年的諾貝爾物理學(xué)獎，巴索夫和普羅霍洛夫提出激光器的放大原理，在此理論的基礎(chǔ)上美國休斯研究實驗室的梅曼博士成功研制出第一臺紅寶石激光器，此后自由電子激光器、準(zhǔn)分子激光器、離子激光器等如雨后春筍般地涌

14、現(xiàn)出來，以適應(yīng)科學(xué)技術(shù)各方面發(fā)展的需要。1966年高錕提出光導(dǎo)纖維在通信上應(yīng)用的基本原理，描述了長程及高信息量光通信所需絕緣性纖維的結(jié)構(gòu)和材料特性，提出只要解決好玻璃純度和成分等問題，就能夠利用玻璃制作光學(xué)纖維，從而高效傳輸信息。這一設(shè)想提出之后逐步變成現(xiàn)實，利用石英玻璃制成的光纖應(yīng)用越來越廣泛，全世界掀起了一場光纖通信的革命。2009年諾貝爾物理學(xué)獎授予高錕。2010年授予二維空間材料石墨烯授予方面的開創(chuàng)性實驗，2011年授予因超新星的研究而對宇宙學(xué)的貢獻(xiàn)，2012年授予一種突破性的實驗方法，這種方法使得測量和操縱單個量子系統(tǒng)成為可能。光學(xué)新發(fā)現(xiàn)使古老的光學(xué)煥發(fā)了勃勃的生機，形成了激光物理、

15、非線性光學(xué)、高分辨率光譜學(xué)、量子光學(xué)等分支學(xué)科，形成了一系列高新技術(shù)如全息照相、光纖通信，促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。2.2.3 凝聚態(tài)物理中的發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了科技的發(fā)展隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是低溫技術(shù)的進(jìn)展，凝聚態(tài)研究碩果累累，成為當(dāng)今最吸引人們注意和最充滿活力的科學(xué)前沿。從頒獎成就看，20世紀(jì)凝聚態(tài)的發(fā)展可分為3條主線:低溫和超導(dǎo)物理的發(fā)展；晶體結(jié)構(gòu)分析技術(shù)的發(fā)展；凝聚態(tài)物理理論的研究。1908年，翁納斯首次液化氦氣并于1911年發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)電性現(xiàn)象(1913年)，揭開了超導(dǎo)研究的序幕；1928年，卡皮查發(fā)明了一種廉價制備液氦的設(shè)備并于1938年又發(fā)現(xiàn)了液氫的超流性(1978年)。為了解釋超導(dǎo)電性的起

16、因，人們提出許多唯象理論，其中最成功的是京茨堡-朗道方程。朗道還提出液氫的超流性理論(1962年)。后來，戴維李等人又發(fā)現(xiàn)氫-3也具有超流性(1996年)。為了解釋超導(dǎo)現(xiàn)象的微觀本質(zhì)，巴丁、庫珀、施里弗3人于1957年建立了超導(dǎo)的微觀理論即BCS理論(1972年)。人們一方面在理論上進(jìn)行研究，另一方面在應(yīng)用領(lǐng)域展開探索。1962年，超導(dǎo)體的隧道效應(yīng)和約瑟夫遜效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)(1973年)。1986年，繆勒和柏諾茲發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)變溫度為35K的鋇鑭銅氧化物超導(dǎo)材料(1987年)，掀起了高溫超導(dǎo)研究的熱潮。不久，美國的朱經(jīng)武合成Tc為98 K的超導(dǎo)材料，我國的趙忠賢等人合成Tc為100 K的超導(dǎo)材料。這些成果

17、轟動整個科學(xué)界，它標(biāo)志著超導(dǎo)體研究已進(jìn)入液氮溫度的新時代，為超導(dǎo)技術(shù)的實際應(yīng)用展現(xiàn)了廣闊的前景。自從勞厄發(fā)現(xiàn)X射線晶體衍射現(xiàn)象后(1914年)，布拉格父子就用X射線研究晶體結(jié)構(gòu)(1915年)，揭開晶體結(jié)構(gòu)分析的序幕。1933年，魯斯卡發(fā)明了電子顯微鏡(1986年)，1946年，沙爾發(fā)展了中子散射技術(shù)(1994年)；1981年，賓尼格和羅雷爾發(fā)明了掃描隧道顯微鏡(1986年)，這些成就大大豐富了凝聚態(tài)物理的研究手段。1947年-1948年，晶體三極管效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)(1956年)給電子技術(shù)帶來了一場深刻的革命，出現(xiàn)了晶體管收錄機、電視機、微型計算機等，對全世界的經(jīng)濟和社會帶來了根本的變革。1973年，

18、江崎玲于奈發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體的隧道效應(yīng)(1973年)；1980年，克利青發(fā)現(xiàn)了量子霍爾效應(yīng)(1998年)，這些成就有力地促進(jìn)了精密測量技術(shù)的發(fā)展。另外，紀(jì)堯姆發(fā)現(xiàn)了鎳合金鋼異常性(1920年)，布羅奇曼發(fā)明了高壓裝置并在高壓領(lǐng)域作出許多發(fā)現(xiàn)(1946年)。在20世紀(jì)，凝聚態(tài)物理的理論也得到很大的發(fā)展。20世紀(jì)30年代，內(nèi)爾發(fā)現(xiàn)了反鐵磁性和亞鐵磁性，并建立相應(yīng)的唯象理論(1970年)。1942年，阿爾文發(fā)現(xiàn)了磁流體波(即阿爾文波)(1970年)。20世紀(jì)50年代至20世紀(jì)70年代，范弗萊克創(chuàng)建了量子化的磁性理論，安德森建立了“安德森定域化”和“定域矩”理論，莫特建立了非晶態(tài)物質(zhì)電子過程理論(1977年)

19、，他們3人的貢獻(xiàn)對凝聚態(tài)物理的每一理論分支都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。1971年，威爾遜提出了重整化群理論(1982年)，圓滿地解決了相變的臨界現(xiàn)象這個難題。20世紀(jì)60年代至20世紀(jì)80年代，德燃納建立了液晶的相變理論，并把它推廣到高分子聚合物和生物膜中(1991年)。20世紀(jì)，凝聚態(tài)物理取得了巨大的成功，但是還有一些基本問題有待解決:尋找更高溫度的超導(dǎo)材料乃至室溫區(qū)超導(dǎo)材料，建立高溫超導(dǎo)的微觀機制；探索巨磁阻和超巨磁阻的原因；20世紀(jì)90年代誕生的納米技術(shù)將在21世紀(jì)得到快速發(fā)展，并對科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生重要的影響。凝聚態(tài)物理取得了巨大的成功，1970年諾貝爾物理學(xué)獎一半授予阿爾文以表彰他對磁流體動力學(xué)的

20、基礎(chǔ)工作和發(fā)現(xiàn)，及其在等離子體不同部分卓有成效的應(yīng)用；另一半授予奈爾，以表彰他對反鐵磁性和鐵氧體磁性所作的基礎(chǔ)研究和發(fā)現(xiàn)，這些研究和發(fā)現(xiàn)在固體物理學(xué)中有很重要的應(yīng)用，1977年諾貝爾物理學(xué)獎授予安德森、莫特和范弗萊克以表彰他們對磁性和無序系統(tǒng)的電子結(jié)構(gòu)所作的基礎(chǔ)理論研究，1982年諾貝爾物理學(xué)獎授予威爾遜以表彰他對與相變有關(guān)的臨界現(xiàn)象所作的理論貢獻(xiàn)，1991年諾貝爾物理學(xué)獎授予法國的德納然表彰他把研究簡單系統(tǒng)中有序現(xiàn)象的方法推廣到更復(fù)雜的物理態(tài)，特別是液晶和聚合物所做的貢獻(xiàn)，這些貢獻(xiàn)推動了高溫超導(dǎo)材料的研究和納米技術(shù)的發(fā)展。1995年，三位科學(xué)家冷卻一種名叫玻色子的粒子，得到了玻色愛因斯坦凝聚物，于2001年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎，從而引發(fā)國際競爭，各國爭相研究費米對的凝聚問題2003年1月，隨著杜克大學(xué)的托馬斯(JohnThomas)報告強相互作用下費米氣體的普遍性質(zhì)，同年5月美國實驗天體物理聯(lián)合研究所(JILA)亞裔科學(xué)家金(Debbie