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页数:136

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出版时间:2007-1

价格:15.00元

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isbn号码:9787506735872

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• 生物化学
• 实验
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• 生物学
• 高等教育
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• 分析

探寻物质世界的奥秘：现代物理学导论 书籍简介 本书旨在为读者提供一个全面而深入的现代物理学概览，涵盖从微观的基本粒子到宏观的宇宙结构等一系列核心概念和前沿理论。我们力求构建一座坚实的知识桥梁，连接经典物理学的基石与二十世纪以来物理学发生的革命性飞跃。本书的叙述风格力求清晰、严谨，同时注重激发读者的探索精神和批判性思维。 第一部分：量子革命的黎明 第一章 经典物理学的黄昏与黑体辐射的挑战 本章回顾了十九世纪末经典物理学的辉煌成就，并着重剖析了其在解释特定实验现象时遭遇的根本性困难。我们将详细探讨黑体辐射问题，从瑞利-金斯定律的失败到普朗克为解决此问题而提出的能量量子化假设——普朗克常数 $h$ 的引入。这一突破不仅是解决一个实验难题，更是宣告了一个新物理时代的来临。我们将深入分析斯特藩-玻尔兹曼定律的推导及其与实验数据的吻合之处，为后续的量子理论发展奠定历史和理论基础。 第二章 光的粒子性：光电效应与康普顿散射 光是经典电磁学中的核心概念，被视为纯粹的波。然而，光电效应的实验结果，特别是其对光频率而非强度的依赖性，直接挑战了经典波动理论。爱因斯坦基于光量子（光子）的假设成功地解释了光电效应的每一个细节，精确地阐述了光子能量与频率之间的关系 $E=h u$。紧接着，我们将讨论康普顿散射实验。该实验通过观察X射线被电子散射后波长的变化，提供了光子具有确定的动量这一无可辩驳的证据，进一步巩固了光的波粒二象性概念。本章将详细梳理光量子概念的建立过程及其对物理学思维的深远影响。 第三章 物质的波粒二象性与原子结构 如果光具有粒子性，那么物质是否也具有波动性？德布罗意提出了物质波的革命性假说，将波长与粒子的动量联系起来 ($lambda = h/p$)。我们将探讨如何利用这一概念来理解宏观物体的波动特性（尽管在日常尺度上难以观测），并重点分析其在微观世界中的应用。随后的内容将聚焦于玻尔原子模型。通过引入能级概念和量子化的角动量条件，玻尔模型首次成功解释了氢原子光谱的精细结构，为理解原子稳定性提供了初步的框架。 第二章 薛定谔方程与量子力学的严谨表述 本章是全书的理论核心之一。我们将从德布罗意关系出发，推导出薛定谔方程，包括定态和含时形式。我们将详细阐述该方程作为量子力学基本动力学定律的地位。随后，我们将深入探讨薛定谔方程在简单系统中的应用，如一维无限深势阱（展示了能量的完全量子化）、有限深势阱以及量子谐振子。这些模型不仅是教科书式的练习，更是理解束缚态物理和零点能概念的基石。此外，我们将引入波函数的概率诠释（玻恩诠释），理解 $left|Psi ight|^2$ 的物理意义，并讨论归一化、正交性等基本概念。 第三章 矩阵力学、对易关系与不确定性原理 为了提供一个更完备的量子力学图景，我们将介绍海森堡的矩阵力学。虽然其形式上与薛定谔的波动力学大相径庭，但我们需证明两者在物理结果上的等价性。本章的重点是对易关系 $[A, B] = AB - BA$ 及其物理含义。由此自然引出海森堡不确定性原理，强调对共轭变量（如位置和动量，能量和时间）进行精确测量的内在限制。本章还将讨论角动量（轨道角动量和自旋）的量子化，以及斯特恩-格拉赫实验对电子自旋概念的确认。 第二部分：深入原子核与粒子物理 第四章 多电子原子、泡利不相容原理与周期表 在量子力学的框架下，本章致力于解析复杂原子的结构。我们将详细阐述泡利不相容原理及其在填充电子壳层中的关键作用。通过引入自旋量子数 $m_s$ 和磁量子数 $m_l$，我们将系统地构建电子排布规则（洪特规则、 Aufbau原理），从而从第一性原理推导出元素周期表的结构。此外，我们将探讨原子光谱中的精细结构和超精细结构，这需要引入总角动量 $J$ 和自旋轨道耦合效应。 第五章 放射性衰变与核结构模型 本章将视角转向原子核。我们将概述放射性现象（$alpha, eta, gamma$ 衰变）的实验观察和基本规律，包括衰变定律和半衰期概念。在核结构方面，我们将介绍液滴模型，用以解释核力的短程性质和结合能的趋势，并探讨核裂变的基本机制。随后，我们将讨论壳层模型，它借鉴了电子壳层理论，成功解释了“魔数”的现象，揭示了核物质的壳层结构。最后，我们将触及核反应的基本概念，如核能的释放与利用。 第六章 相对论的融合：狭义相对论与洛伦兹变换 本部分将考察物理学对高速运动的描述。我们将从麦克斯韦方程组的协变性问题出发，引出狭义相对论的两个基本假设。随后，我们将详细推导洛伦兹变换，并分析其对时间（时间膨胀）、长度（长度收缩）和相对速度的颠覆性影响。质能等价原理 $E=mc^2$ 将作为本章的结论性成果之一，强调质量与能量的内在统一性。 第七章 粒子物理学的标准模型 本章带领读者进入微观世界的“最小砖块”。我们将介绍构成物质的基本粒子：夸克和轻子。接着，我们将讨论传递相互作用的规范玻色子（光子、W/Z 玻色子、胶子）。我们系统地阐述标准模型，描述电磁力、弱核力和强核力这三种基本相互作用的规范场论基础。最后，我们将简要讨论希格斯机制及其对基本粒子获得质量的解释，并展望超越标准模型的可能方向，如大统一理论（GUT）的初步构想。 第三部分：时空的几何化与宇宙的宏大尺度 第八章 广义相对论：引力的新几何观 本书的第三部分将探讨爱因斯坦的广义相对论。我们将从等效原理出发，逐步建立起将引力解释为时空弯曲的几何理论。我们将详细分析黎曼几何的基本概念（度规张量、测地线），并阐述爱因斯坦场方程的物理意义，即物质（能量-动量张量）告诉时空如何弯曲，弯曲的时空告诉物质如何运动。本章将讨论广义相对论的经典验证，如水星近日点的进动、光的引力偏转等。 第九章 宇宙学：从大爆炸到结构形成 本章将广义相对论应用于整个宇宙。我们将介绍弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克 (FLRW) 度规，并讨论描述宇宙演化的弗里德曼方程。我们将深入探讨大爆炸模型的证据：宇宙膨胀（哈勃定律）、宇宙微波背景辐射 (CMB) 的发现及其意义，以及轻元素的丰度。本章的后半部分将聚焦于现代宇宙学的两大谜团：暗物质的证据及其候选者，以及暗能量在加速膨胀中所扮演的角色。 第十章 前沿与展望：未竟的探索 在结语部分，我们将回顾现代物理学的主要成就，并展望未来几十年内可能取得的突破。我们将讨论量子引力的必要性，并简要介绍弦理论和圈量子引力等试图统一广义相对论与量子力学的尝试。此外，我们还将探讨黑洞物理学（如霍金辐射）的最新进展，以及高能物理实验（如大型强子对撞机）正在探索的前沿问题。本书的最终目的，是鼓励读者带着对宇宙更深层次的好奇心，继续探索这门迷人的学科。

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