Single Molecules and Nanotechnology pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Vogel, Horst 编

出品人:

页数:318

译者:

出版时间:

价格:$ 281.37

装帧:

isbn号码:9783540739234

丛书系列:

图书标签:

• Single Molecules
• Nanotechnology
• Molecular Electronics
• Nanoscience
• Nanomaterials
• Scanning Probe Microscopy
• Surface Chemistry
• Self-Assembly
• Bottom-up Nanotechnology
• Molecular Machines

《宏观世界的物理法则：从经典力学到量子场论的探索之旅》 内容简介 本书旨在为物理学爱好者、本科高年级学生及研究生提供一部全面而深入的经典物理学到现代物理学的导论性著作。我们着眼于构建一个连贯的知识体系，清晰地阐述支撑我们理解物质世界运行规律的基石理论，并追溯这些理论如何演进，最终催生出描述微观粒子和能量场行为的现代物理框架。 本书结构严谨，内容涵盖了从牛顿力学到广义相对论的经典物理学核心，再到量子力学、统计物理学和粒子物理学的关键概念。我们不仅致力于清晰地介绍数学工具和基本原理，更强调物理图像的建立与直觉的培养，力求揭示这些看似抽象的理论背后，是对自然界深刻而统一的理解。 --- 第一部分：经典世界的坚实基础（Classic Foundations） 本部分聚焦于在宏观尺度和低速条件下，物理现象的精确描述与预测所依赖的经典理论体系。 第一章：牛顿力学的再审视与进阶 我们从运动学的基本概念出发，如位移、速度和加速度，迅速过渡到牛顿三大定律的精确表述及其在不同参照系中的应用。重点探讨了动量守恒与角动量守恒定律的普适性，并引入了碰撞分析和刚体运动的基础。本章深入研究了保守力场中的势能概念，为后续的能量分析奠定基础。特别辟出一节，讨论了牛顿引力定律的几何背景，作为连接经典与现代引力的桥梁。 第二章：振动、波与能量的传递 本章全面解析了简谐振动（SHM）——作为自然界中最基础的周期性运动形式——及其在阻尼和受迫系统中的复杂行为。随后，我们将探讨横波和纵波的传播特性，包括干涉、衍射和多普勒效应。详细分析了机械波的能量密度和波速，并扩展到声学和光学的早期模型，为后续的光学章节做好铺垫。 第三章：热力学与统计物理的黎明 热力学部分从宏观现象入手，详细阐述了热力学定律（零、一、二、三定律）。零定律确立了温度的概念，第一定律关注能量的转化与守恒，第二定律引入了熵，深刻揭示了自然过程的方向性。第三定律则限制了绝对零度的不可达到性。 随后，我们转向统计物理学的微观基础。通过理想气体模型，推导玻尔兹曼分布，将宏观的热力学量（如压力、温度）与微观粒子的随机运动联系起来。本章着重于理解宏观可观测性如何涌现于海量粒子的集体行为之中，并介绍熵的统计力学定义。 第四章：电磁学的统一场论 电磁学部分是经典物理学的巅峰成就之一。本章系统地回顾了库仑定律、高斯定律（电场）、安培定律和法拉第感应定律。随后，通过引入麦克斯韦修正项，我们将电、磁现象统一为一套简洁的四组偏微分方程——麦克斯韦方程组。这套方程组的非凡之处在于，它们预言了电磁波的存在，并精确计算了其传播速度，恰好等于光速。我们还将探讨电磁波的能流密度（坡印廷矢量）以及电磁场在介质中的行为。 第五章：拉格朗日与哈密顿力学：抽象的力量 本章旨在将经典力学提升到更抽象、更普适的数学框架。我们引入了变分原理（最小作用量原理），推导出拉格朗日方程。拉格朗日力学提供了一种坐标系无关的描述方式，极大地简化了复杂约束系统的分析。在此基础上，我们通过勒让德变换构建哈密顿力学，引入相空间、正则坐标和正则方程。哈密顿力学不仅是描述经典系统的强大工具，更是通向量子力学的关键过渡。 第六章：狭义相对论与时空的变革 本章探讨爱因斯坦基于光速不变原理和相对性原理所建立的狭义相对论。详细分析了洛伦兹变换如何取代伽利略变换，以及由此导致的同步时间膨胀、长度收缩等反直觉效应。本章核心在于理解四维时空（闵可夫斯基空间）的概念，以及能量和动量的相对论性定义 ($E^2 = (pc)^2 + (m_0c^2)^2$)，强调了质量与能量的等价性。 --- 第二部分：迈向微观世界（The Quantum Realm） 本部分转向描述原子和亚原子尺度的现象，引入量子力学这一革命性的理论框架，挑战了我们对实在性的传统认知。 第七章：量子化的曙光与早期模型 本章追溯了经典物理在解释黑体辐射、光电效应和原子光谱时的失败。详细介绍了普朗克的量子假设、爱因斯坦对光子的解释，以及玻尔模型在解释氢原子能级上的成功与局限性。德布罗意提出的物质波概念，标志着波粒二象性被确立为现代物理学的基石。 第八章：薛定谔方程与波函数 本章的核心是引入描述量子系统时间演化的核心方程——薛定谔方程（定态与含时）。我们深入探讨了波函数 $Psi$ 的物理意义，基于玻恩的概率诠释，理解其平方模代表找到粒子的概率密度。通过求解一维势阱、无限深势垒和有限势垒等典型问题，展现了量子隧穿效应等独特的微观现象。引入了算符、本征值和本征态的概念。 第九章：角动量、自旋与全同粒子 本章扩展了量子力学的代数结构。详细分析了轨道角动量算符的对易关系，及其在三维空间中的量子化特性，引入了球谐函数作为角动量本征态的数学表示。重点引入了电子的内禀性质——自旋角动量，并讨论了泡利不相容原理及其在多电子原子结构（如元素周期表）中的决定性作用。对费米子和玻色子的区别进行了探讨。 第十章：微扰理论与近似方法 由于精确求解复杂量子系统的薛定谔方程往往是不可能的，本章专注于近似计算方法。详细推导和应用了非简并与简并定态微扰理论，用以处理微弱外场下的能级修正。同时，介绍了含时微扰理论，特别是费米黄金定则，用于计算辐射跃迁的速率，这是连接量子力学与电磁学的重要工具。 --- 第三部分：宇宙的宏大图景（Relativity and Fields） 本部分将理论物理推向更高的维度和更广阔的尺度，探讨时空弯曲的引力理论和描述基本相互作用的量子场论基础。 第十一章：广义相对论：引力的几何化 本章是对牛顿引力的彻底超越。从等效原理出发，阐释了引力如何被描述为时空的弯曲。系统地介绍了张量分析的基础，包括度规张量和黎曼曲率张量。详细推导并解释了爱因斯坦场方程，揭示了物质（能量）如何告诉时空如何弯曲，时空如何告诉物质如何运动的深刻关系。本章会讨论水星近日点进动、引力红移和光线偏折等关键实验验证。 第十二章：量子场论的先声 在量子力学成功描述粒子（如电子）之后，本章探讨如何将相对论与量子力学结合，引入场作为描述基本实在的实体。首先回顾了经典场论（如电磁场）的拉格朗日密度描述。随后，介绍如何通过“二次量子化”的方法，将量子力学的算符概念推广到场量上，从而自然地产生粒子的产生和湮灭过程，为量子电动力学（QED）打下概念基础。 第十三章：统计力学的进阶：玻色-爱因斯坦与费米-狄拉克统计 本章深化了统计物理学的工具箱，分别讨论了高量子化极限下，大量全同玻色子和费米子所遵循的统计分布规律。详细分析了玻色-爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein Condensation, BEC）现象及其在低温下的奇特表现，以及费米子在零温下的简并压力（如白矮星的稳定机制）。这部分内容展示了统计物理学在凝聚态物理和天体物理中的广泛应用。 结语：物理学的持续前沿 全书在对标准模型（粒子物理学）的简要概述中结束，展望了粒子物理学、凝聚态物理以及宇宙学中尚未解决的重大问题，鼓励读者在掌握这些坚实基础后，继续探索物理学的前沿领域。本书旨在提供一个坚实的知识骨架，使读者能够自信地面对现代物理学的复杂性与挑战。

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