1608年 荷蘭眼鏡師漢斯·利伯希(Hans Lippershey)造出了世界上第一架望遠鏡,傳播開來。意大利伽利略(Galileo)得知后,1609年也制作了凹凸型的伽利略式望遠鏡,次年1610年1月7日用望遠鏡首次發現了木星的四顆衛星木衛一、二、三、四。1611年德國開普勒(Kepler)又制作了雙凸型的開普勒式望遠鏡,現加有倒像棱鏡可以成正像,視野大、可安裝十字叉絲,是最常用的實用望遠鏡。但伽利略望遠鏡用發散物鏡,視野小、不能有實像,沒法加裝測量坐標叉絲,實用性低于開普勒式。 1620年 荷蘭斯涅耳(Snell)最早發現了光的折射定律(Snell Law),第二介質對第一介質的相對折射率 n21=n2/n1=sinθ1/sinθ2,確定了折射光線與入射光線之間關系的定律,光路是可逆的。光的折射定律符合光路最短的費馬原理,是幾何光學的基本定律之一,從而使幾何光學的精確計算成為了可能。 光的全反射:當光從光密介質射到它與光疏介質的界面上、入射角大于或等于臨界角時,將發生全反射的光學現象,臨界角 arcsin(n2/n1)。 1660年 意大利格里馬第(Grimmadie)用光束做發驗發現桿、小孔、柵會引起光影放寬并呈現彩帶的光的衍射現象 (Light Diffraction)。1678年,荷蘭物理學家惠更斯(Huygens)闡述了光的衍射原理,菲涅耳作了發展和補充,創立了“惠更斯--菲涅耳原理”,才較好地解釋了衍射現象,完成了光的波動說全部理論。 1662年 法國費馬(Fermat)提出光傳播的路徑是光程取極值的路徑。 最初提出最短時間原理,光線傳播的路徑是需時最少的路徑(Fermat's principle),得到三種情形:1、光線在真空中的直線傳播;2、光的反射定律-光線在界面上的反射,入射角必須等于出射角;3、光的折射定律(斯涅耳定律)。 1665年 英國虎克(Robert Hooke)設計制造了首架光學顯微鏡,當時放大倍數為40至140倍,并用此首次觀察并描述了植物細胞,同年發表《顯微圖譜》一書。 1666年 牛頓(Newton)最先利用三棱鏡觀察到光的色散,把白光分解為彩色光帶。色散現象說明光在介質中的速度隨光的頻率而變。光的色散可以用三棱鏡、衍射光柵、干涉儀等來實現。光的色散證明了光具有波動性。 1668年 牛頓成功制作了一架40倍的牛頓式望遠鏡,為反射式望遠鏡的一種,迄今為止用的最廣泛的反射式望遠鏡。 反射望遠鏡在天文望遠鏡中應用廣泛。由于這種系統對玻璃材料在光學性能上沒有特殊要求,光線不需透過材料本身,而重量較輕無色差又是反射鏡的一大優點,因此大口徑的望遠鏡都采用反射式。但是反射物鏡表面精度對光程的影響是雙倍的,如果僅由一個反射表面來成像,則此表面所需的精確度(垂直入射光)比單個折射表面的精確度要高四倍??梢姺瓷浔砻婺ブ频囊笫呛芨叩?。再加上需經常重新鍍反射面及部件組裝、校正的困難,反射系統在科普望遠鏡中應用受到限制。 1675年 牛頓首先觀察到一種光的干涉圖樣。將一塊曲率半徑較大的平凸透鏡放在一塊玻璃平板上,用單色光照射透鏡與玻璃板,就可以觀察到一些明暗相間的同心圓環,稱“牛頓環”。牛頓所堅持的光微粒說解釋不了,直到19世紀初,英國托馬斯·楊才用光的波動說圓滿地解釋了牛頓環實驗。 1800年 英國赫歇爾(Herschel),1800年從太陽光譜的輻射熱效應發現紅外線(Infrared rays),又稱熱射線,不可見、熱效應、穿透云霧能力強。含熱能,頻率低于可見光,太陽的熱量主要通過紅外線傳到地球。1801年德國里特爾(Ritter)從太陽光譜的化學作用,發現另一不可見光:紫外線(Ultraviolet rays),頻率高于可見光。 1801年 英國物理學家托馬斯·楊(Thomas Young)在實驗室里成功地觀察到了光的干涉,證實了光具有波動現象。并測量出可見光的波長。 薄膜干涉:照射一束光波于薄膜,由于折射率不同,光波會被薄膜的上界面與下界面分別反射,因相互干涉而形成新的光波,這現象稱為薄膜干涉(Thin-film interference)。對于這現象的研究可以透露出關于薄膜表面的特性,這包括薄膜的厚度、折射率。 1809年 法國馬呂斯(Malus)1808年發現光的偏振現象。1809年發現光的馬呂斯定律:強度為I0的偏振光通過檢偏振器后,兩者偏振夾角為α,則出現光的強度將變化為I0cos2α,這就是馬呂斯定律。 1811年 英國布儒斯特(Brewster)發現偏振光的布儒斯特定律。自然光在電介質界面上反射和折射時,一般情況下反射光和折射光都是部分偏振光,只有當入射角為某特定角Ib=arctan(n2/n1) 時反射光才是線偏振光,其振動方向與入射面垂直,此特定角稱為布儒斯特角或起偏角。此規律稱為布儒斯特定律(Brewster's law)。 1814年 德國夫瑯和費(Joseph von Fraunhofer)的科學成果主要在光譜方面。1814年,他發明了分光儀,在太陽光譜中發現了574條黑線,這些線被稱作夫瑯和費線?,F在人們已經發現了三萬多條。夫瑯和費由于發現了太陽光譜中的吸收光譜線,以及首先采用了衍射光柵,也可被認為是光譜學的奠基者之一。 1821年,他發表了平行光通過單縫衍射的研究結果(稱夫瑯和費衍射,遠場衍射),做了光譜分辨率的實驗,第一個定量地研究了衍射光柵,用其測量了光的波長,以后又給出了光柵方程。在光學上,夫瑯禾費衍射,又稱遠場衍射,是波動衍射的一種,在場波通過圓孔或狹縫時發生,導致觀測到的成像大小有所改變,成因是觀測點的遠場位置,及通過圓孔向外的衍射波有漸趨平面波的性質。 1818年 西莫恩·德尼·泊松(Simeon-Denis Poisson 1781~1840)法國物理學家,發現“泊松亮斑”:當單色光照射在直徑恰當的小圓板或圓珠時,會在之后的光屏上出現環狀的互為同心圓的衍射條紋,并且在所有同心圓的圓心處會出現一個極小的亮斑,這個亮斑就被稱為泊松亮斑(Poisson bright spot)。形成的原因:是由于光的衍射,可以利用衍射公式來具體計算??捎嬎愕牧堪靼禇l紋間距的規律和亮斑的相對大小。 1831年 英國法拉第(Michael Faraday)首次發現電磁感應現象,電磁感應定律也叫法拉第電磁感應定律,指因磁通量變化產生感應電動勢的現象。并進而得到產生交流電的方法。由于他在電磁學方面做出了偉大貢獻,被稱為“電學之父”和“交流電之父”。 1839年 美國莫爾斯 (Morse)發布了他的第一項發明“莫爾斯”碼,開創了數字化通訊的時代。之后出現的電報就是運用“莫爾斯”碼來傳遞信號的,現代所用的國際標準版是1848年出現的。 1842年 奧地利物理學家及數學家多普勒提出多普勒效應(Doppler effect)。1848年,法國物理學家斐索(Fizeau)發現光也有此效應,物體輻射的波長因為波源和觀測者的相對運動而產生變化。運動的光波波長會出現紅移或藍移。光不能適用波的經典多普勒公式,兩者有三點不同。相對論下,光的縱向多普勒公式: β=v/c, f=f0√((1-β)/(1+β))。 1845年 法拉第發現磁光效應(Magneto-optic Effect)的法拉第效應(Faraday Effect):當一束平面偏振光通過置于強磁時,偏振方向會發生旋轉。光的磁光四大效應:法拉第效應、克爾效應、塞曼效應、科頓.穆頓效應, 證實了光有電磁力現象,是一種廣義的電磁波。 1849年 法國實驗物理學家斐索(Fizeau)利用旋轉齒輪機構,在實驗室中測定了光速,其數值約為3.15×10^8m/s,這是第一次在地球上測得比較正確的光速數值。1859年“斐索實驗”: 斐索做了一個流水實驗,實驗目的是為了考察介質的運動對在其中傳播的光速有何影響,從而判斷以太是否被拖曳。光束由光源發出后,經過半透鏡后分為兩束,一束光與水流方向一致,另一束光則與水流方向相反,兩束光在觀察者處產生干涉條紋。 現代測量光速有多種方法:1.齒輪法;2.旋轉鏡法;3.旋轉棱鏡法;4.克爾盒法;5.光拍頻法。 1858年 陰極射線(Cathode Ray)是在1858年利用低壓氣體放電管研究氣體放電時發現的。勒納德(Philipp Lenard)從1880年開始研究陰極射線,在1898年發表了《關于陰極射線的靜電特性》,使他取得了這一發現的優先權,為此獲1905年諾貝爾物理學獎。 1897年約瑟夫·約翰·湯姆遜(Joseph John Thomson)根據放電管中的陰極射線在電磁場和磁場作用下的軌跡確定陰極射線中的粒子帶負電,并測出其荷質比,1906年獲諾貝爾物理學獎。這在一定意義上是歷史上第一次發現電子,12年后美國物理學家羅伯特·安德魯·密立根(Robert Andrews Millikan)用油滴實驗測出了電子的電荷,因而獲得1923年諾貝爾物理學獎。洛倫茲(Lorentz)因電子論獲1902年諾貝爾物理學獎。 1862年 英國麥克斯韋( Maxwell)開始陸續發表電磁場理論的著作,創立了麥克斯韋方程組。之后又出版了科學名著《電磁理論》,系統地闡述了電磁場理論。麥克斯韋預言電磁波的存在,計算出電磁波速度。并提出“光就是電磁波”的猜測。1879年麥克斯韋48歲因病在劍橋英年早逝,生前未能見到電磁波的產生。其實光只是廣義上的電磁波,并不是真正意義上的電磁振蕩波,光與無線電波本質不同。 1875年 光的克爾-普克爾斯效應:在強電場作用中,會表現出各向異性的光學性質,表現出了雙折射現象。分為兩種情況:一級電光效應和二級電光效應。一級電光效應指折射率的變化與外加場強成正比(如壓電晶體),由德國晶體物理學家普克爾斯(F. Pockels)于1893年首先預期,后來在石英等晶體得到證實,故稱為普克爾斯效應(Pockels effect)。二級電光效應指折射率的變化與外加場強的平方成正比(如氣體、液體和玻璃態固體),由英國物理學家克爾(John Kerr)于1875年首先在玻璃上發現,故稱克爾效應。 1879年 霍爾效應是電磁效應的一種,這一現象是美國物理學家霍爾(E.H.Hall,1855—1938)于1879年在研究金屬的導電機制時發現的。當電流垂直于外磁場通過半導體時,載流子發生偏轉,垂直于電流和磁場的方向會產生一附加電場,從而在半導體的兩端產生電勢差,這一現象就是霍爾效應,這個電勢差也被稱為霍爾電勢差。霍爾效應(Hall effect)使用左手定則判斷。 霍爾后來的進一步研究中還發現,有些材料在通有電流時,即使沒有磁場也會在兩側出現電勢差,這是由材料本身的自發磁化引起的,這種現象叫做反常霍爾效應。 1880年 法國皮埃爾·居里(Pierre Curie,居里夫人的丈夫)和兄弟雅克·居里(Jacques Curie)發現電氣石具有壓電效應。1881年,他們通過實驗驗證了逆壓電效應(Negative Piezoelectric effect)。壓電效應,某些壓電晶體在沿一定方向上受到外力的作用而變形時,其內部會產生極化現象,同時在它的兩個相對表面上出現正負相反的電荷。1922年,美國卡第提出用石英壓電效應調制電磁振蕩的頻率。 1884年 英國教授約翰·坡印亭(John Poynting)提出交變電磁場和電磁振蕩波的坡印亭定理:空間某處的電場強度為E,磁場強度為H,該處電磁場的能流密度為S=E×H,稱坡印亭矢量,方向由E和H按右手螺旋定則確定,沿電磁波的傳播方向。大小為S=EHsinθ,θ為E和H的夾角,表示單位時間通過垂直單位面積的能量,單位為瓦/米2。 1887年 赫芝(Heinrich Rudolf Hertz)用實驗方法產生并檢測到了電磁波的傳播及感應,證實了麥克斯韋對電磁波的預見。赫芝1887年發現光電效應。1894年36歲的赫茲在德國波恩英年早逝。 1887年 邁克爾遜-莫雷實驗(Michelson-Morley Experiment):邁克爾遜和莫雷在美國用邁克爾遜干涉儀測量兩垂直光的光速差值的一項著名的物理實驗。實驗結果沒發現有光程差,否認了以太(絕對靜止參考系)的存在,從而動搖了經典物理學基礎,成為近代物理學的一個開端。但莫雷實驗并不能證明“光速不變”。因發明精密光學儀器和借助這些儀器在光譜學和度量學的研究工作中所做出的貢獻,被授予了1907年度諾貝爾物理學獎。 1892年 洛倫茲(Lorentz)提出了最大貢獻的電子論,認為一切物質分子都含有電子,陰極射線就是電子,提出了洛倫茲力公式。用他的電子論解釋了塞曼效應的光譜線分裂,與塞曼一起獲1902年諾貝爾物理學獎。 1894年 俄國發明家亞歷山大.波波夫(Popov)知道赫芝的電磁波實驗后,很快重復了同樣的實驗,并公開提出了可以用電磁波進行無線電通信的設想。1894年波波夫制成了一臺無線電接收機,使用了世界上的第一根天線,他是無線電接收機的發明者。1895年5月7日波波夫宣讀了論文《金屬屑同電振蕩的關系》,并且表演了他發明的無線電接收機,這一天被定為“無線電發明日”。1906年47歲的波波夫英年早逝。 美國發明家特斯拉(Tesla)1894年成功進行短波無線通信試驗,被認為是當時美國最偉大的電氣工程師之一。1898年,意大利馬可尼(Marconi)用電磁波進行約2公里距離的無線電通訊實驗,獲得成功,被稱為無線電之父,是實用無線電報通信的創始者。馬可尼與布勞恩(Braun)因對無線電的貢獻,一起得到1898年度諾貝爾物理學獎。 1895年 德國物理學家倫琴(Wilhelm Rontgen)在他從事陰極射線的研究時,發現了X射線,又稱倫琴射線,有較強的穿透特性, 可用于骨科醫療。這一偉大的發現立即傳遍了全世界,倫琴獲得1901年諾貝爾物理學獎。1896年美國首先將X射線用于醫療臨床診斷。 產生X射線的最簡單方法是用加速后的電子撞擊金屬靶。撞擊過程中,電子突然減速,其損失的動能(其中的1%)會產生電磁輻射發出光子,形成X光光譜的連續部分,稱之為制動輻射(Braking radiation)。電子束用磁場的弧形彎道同步輻射產生的X射線強度可為常規X射線強度的100倍。準直性好,發散度小,穩定性好,而且是完全的平面偏振波。 1896年 法國物理學家亨利·貝克勒爾(Henri Becquerel)因發現天然放射性,與皮埃爾·居里(Pierre Curie)和瑪麗·居里(Marie Curie)夫婦因在放射學方面的深入研究和杰出貢獻,共同獲得了1903年度諾貝爾物理學獎。 1896年 塞曼效應(Zeeman effect)是指原子在外磁場中發光譜線發生分裂且偏振的現象;歷史上首先觀測到并給予理論解釋的是譜線一分為三的現象,后來又發現了較三分裂現象更為復雜的難以解釋的情況,因此稱前者為正?;蚝唵稳?,后者為反常或復雜塞曼效應。1902年,塞曼與洛侖茲 (Lorentz)因發現光的塞曼效應并解釋,共同獲得了諾貝爾物理學獎。 1900年 馬克斯·普朗克(Planck)于1900年建立了黑體輻射定律(Blackbody radiation law)的公式,并于1901年發表。 提出了“量子化”的概念,從一個黑體中發射出的電磁輻射的輻射率與頻率彼此之間的關系。1918年榮獲諾貝爾物理學獎。 1900年 法國維拉爾德(Villard)發現γ射線,稱這是一貫穿力非常強的輻射,是繼α、β射線后發現的第三種原子核射線。是原子核能級躍遷時釋放出的射線,波長短于0.01埃。利用γ射線很強的穿透力,工業中可用來探傷。1911年,奧地利科學家海斯(Hayes)發現宇宙射線,是一種穿透性極強的射線。 1901年 俄國博士列別捷夫(Lebedev)用光壓扭秤實驗裝置成功證實微小光壓的存在并測量出大小,著有《光壓實驗研究》(1901)。遠在1748年歐拉(Euler)即已指出光壓的存在。光壓是光的粒子性有動量的表現。 1903年 坡印廷-羅伯遜效應:光壓使塵粒沿螺旋軌道緩慢落入太陽的一種效應。它起因于質點對輻射的吸收和發射。1903年坡印廷在討論物體在輻射場中的運動時最先指出這種效應的存在,1937年羅伯遜用相對論導出并改進此效應的理論,因而得名。 1903年 意大利科學家奧林托·德·普萊托(Olinto de Pretto, 1857-1921),研究放射性粒子及以太振動,得出光速粒子的潛能公式 E=mc2,這是兩年后的1905年愛因斯坦質能方程E=mc2的雛形。 1905年 愛因斯坦寫了四篇論文,每一篇都非常有劃時代的意義,狹義相對論(Special Theory of Relativity)是愛因斯坦在1905年發表的題為 《論動體的電動力學》一文中提出的區別于牛頓時空觀的新的平直時空理論?!蔼M義”表示它只適用于慣性參考系。這個理論的出發點是兩條基本假設:狹義相對性原理和光速不變原理。理論的核心方程式是洛倫茲變換(見慣性系坐標變換)。狹義相對論預言了牛頓經典物理學所沒有的一些新效應(相對論效應),如時間膨脹 、長度收縮、橫向多普勒效應、質速關系、質能關系等。狹義相對論已經成為現代物理理論的基礎之一。 質能方程E=mc2的推導是在《物體的能量和它的慣性有關么》一文中得到的。文章很短,但徹底改變了我們對 質量和能量的看法,讓物理學更深入了,同時也是狹義相對論的一個補充,有了它,狹義相對論更完整了。相對論的一個重要結果是質量與能量的關系。愛因斯坦1905年6月發表的論文《關于光的產生和轉化的一個啟發性觀點》,解釋了光的本質。 他在1915年提出了廣義相對論(General Relativity)。 1906年 美國發明家德福雷斯特(DeForest Lee)發明真空三極管,使無線電信號放大得以傳遞更遠的距離,電波電子技術在世界迅猛發展。直到40年后的肖克利晶體三極管的問世,才使它相形失色。 1907年 科頓-穆頓效應(Cotton-Mouton Effect)又稱磁雙折射效應,是科頓和穆頓在液體中發現。光在透明介質中傳播時,若在垂直于光的傳播方向上加一外磁場,則介質表現出單軸晶體的性質,光軸沿磁場方向,主折射率之差正比于磁感應強度的平方。此效應也稱磁致雙折射。 1908年 新西蘭物理學家盧瑟福(Rutherford)首先提出放射性半衰期的概念,證實放射性涉及從一個元素到另一個元素的嬗變。他又將放射性物質按照貫穿能力分類為α射線與β射線,并且證實前者就是氦離子。因為"對元素蛻變以及放射化學的研究",榮獲1908年諾貝爾化學獎。被稱為原子核物理學之父。 1912年 德國勞厄(Laue)發現X射線在晶體中產生衍射,弗里德里希(Friedrich)、克尼平(Knipping)進行X射線衍射實驗,從而證實了X射線的波動性, 有勞厄方程。勞厄獲得1914年度諾貝爾物理學獎。 布拉格方程:對于X射線衍射,當光程差等于波長的整數倍時,晶面的散射線將加強,此時滿足的條件為 2dsinθ=nλ,其中,d為晶面間距,θ為入射線,反射線與反射晶面之間的夾角,λ為波長,n為反射級數,布拉格方程是X射線在晶體產生衍射時的必要條件而非充分條件。有些情況下晶體雖然滿足布拉格方程,但不一定出現衍射。 1913年 斯塔克效應(Stark effect),德國格雷復斯瓦爾大學的斯塔克(Stark,1874-1957)發現,原子或分子存在固有電偶極矩,在外電場作用下引起附加能量,造成能級分裂,裂距與電場強度成正比,稱為一級斯塔克效應;不存在固有電偶極矩的原子或分子受電場作用,產生感生電矩,在電場中引起能級分裂,與電場強度平方成正比,稱為二級斯塔克效應,一般二級效應比一級效應小得多。斯塔克分裂的譜線是偏振的。對斯塔克效應的圓滿解釋是早期量子力學的重大成就。1919年授予斯塔克諾貝爾物理學獎,以表彰他在極遂射線中發現了多普勒效應和電路中發現了分裂的譜線。 1913年 薩格納克(Sagnac)發現薩格納克效應或塞格尼克效應(Sagnac Effect)。是說當光束在一個環形的通道中前進時,如果環形通道本身具有一個轉動速度,那么光線沿著通道轉動的方向前進所需要的時間要比沿著這個通道轉動相反的方向前進所需要的時間要多。 薩格納克1913年發明了一種可以旋轉的環形干涉儀。將同一光源發出的一束光分解為兩束,讓它們在同一個環路內沿相反方向循行一周后會合,然后在屏幕上產生干涉,當在環路平面內有旋轉角速度時,屏幕上的干涉條紋將會發生移動,這就是薩格納克效應。 薩格納克效應已經得到廣泛的應用,由薩格納克效應研制出的光纖陀螺已成功地用于航空、航天等領域,是近20年發展較快的一種陀螺儀。 1921年 愛因斯坦因建立光量子理論(Quantum-photon theory),成功解釋了光電效應(Photoelectric effect),而獲得1921年度諾貝爾物理學獎。 赫芝(Hertz)在1887年發現光電效應,未做出解釋,1902年勒納德(Lenard)得到光電效應的基本規律,1921年愛因斯坦因用光量子理論成功地做了解釋。"波粒二象性"是微觀粒子的基本屬性之一。 1922年 丹麥物理學家玻爾(Bohr)1921年提出原子結構的量子化軌道理論,并對氫原子進行計算。獲得者1922年度諾貝爾物理學獎。 哥本哈根學派是由玻爾與海森堡于1927年在丹麥哥本哈根大學所創立的學派。其中玻恩、海森堡、泡利以及狄拉克等都是這個學派的主要成員。哥本哈根學派對量子力學的創立和發展作出了杰出貢獻,并且它對量子力學的哥本哈根詮釋被稱為量子力學的“正統解釋”。玻爾本人不僅對早期量子論的發展起過重大作用,而且他的認識論和方法論對量子力學的創建起了推動和指導作用,他提出的著名的“互補原理”是哥本哈根學派的重要支柱。玻爾領導的哥本哈根理論物理研究所成了量子理論研究中心,由此該學派成為當時世界上力量最雄厚的物理學派。 1923年 美國物理學家康普頓(Compton)在研究X射線通過實物物質發生散射的實驗時,發現康普頓效應(Compton Effect)??灯疹D借助于愛因斯坦的光子理論,從光子與電子碰撞的角度對此實驗現象進行了圓滿地解釋,證明光量子具有動量。1927年康普頓獲得了諾貝爾物理學獎。 1924年 法國理論物理學家德布羅意(Broglie)提出物質波假說(Matter-wave hypothesis),認為和光一樣,一切物質都具有波粒二象性(Wave-Particle Duality)。德布羅意于1929年因為這個假設獲得了諾貝爾物理學獎。 1925年 美籍奧地利物理學家泡利(Pauli)25歲時發現“泡利不相容原理”(Pauli's exclusion principle):在原子的同一軌道中不能容納運動狀態完全相同的電子。1945年,授予泡利諾貝爾物理學獎,以表彰他發現的泡利不相容原理。 1926年 德國物理學家布施(Busch)發現,用一個旋轉對稱、不均勻的磁場可以作為一個“透鏡”,將電子束聚集起來。這個原理類似于玻璃透鏡將光束聚集起來。這個發現為電子顯微鏡的問世奠定了理論基礎,許多學者開始了試驗。1933年盧斯卡(Ruska)成功制成了電子顯微鏡。開始形成電子光學這一學科。 1926年 奧地利物理學家薛定諤(Schrodinger)創立量子力學波動的的基本方程,這是一種強調物質波動性的新量子論。為此,他與狄拉克(Dirac)共同獲得1933年度諾貝爾物理學獎。但薛定諤尚不知方程的解函數,直到后來波恩確定是概率波。 1926年 德國猶太裔理論物理學家波恩(Born)做出一生中最大的貢獻就是量子力學的概率波詮釋,認為波粒二象性中的波是粒子的概率波。當時多數物理學家接受他的觀點,但因愛因斯坦、普朗克和薛定諤等對此卻抱有懷疑態度,未能獲得1933年諾貝爾物理學獎。直到二十多年后,玻恩的量子力學的概率詮釋觀點被認定是正確的,光就是光子的概率波,而不是電磁振蕩波。1954年才被授予遲來的諾貝爾物理學獎,此時玻恩已經72歲。 1927年 德國海森堡(Heisenberg)提出不確定性原理(Uncertainty principle),不可能同時知道一個粒子的位置和它的速度,粒子位置的不確定性,必然大于或等于普朗克常數(Planck constant)除于4π(ΔxΔp≥h/4π),這表明微觀世界的粒子行為與宏觀物質很不一樣。海森堡是量子力學的創始人之一,在微觀粒子運動力學領域中做出了卓越貢獻。獲得1932年度的諾貝爾物理學獎。 1927年 美國戴維森(Davisson)與格沫(Germer)?用低速電子進行電子散射實驗,證實了電子衍射。同年,英國湯姆遜(Thomson)用高速電子獲電子衍射花樣,為德布羅意的物質波理論提供了實驗證據。戴維孫和湯姆孫共同獲得1937年度諾貝爾物理學獎。 1927年 英國物理學家阿普頓(Edward Victor Appleton),發現了能反射短波的阿普頓電離層,獲得了1947年度諾貝爾物理學獎。1927年他發現約在230公里處還存在一個對短波反射能力更強的高空電離層,后被命名為“阿普頓層”,為環球無線電通訊提供了重要的理論依據,從此無線電事業進入了一個新紀元。阿普頓還開辟了對電離層以及該層受太陽位置和日斑活動的影響。 1928年 印度物理學家拉曼(Raman)發現光的拉曼效應(Raman scattering),也稱拉曼散射,指光波在被散射后頻率發生變化的現象。授予1930年度諾貝爾物理學獎,以表彰他研究了光的散射定律。 1928年 保羅·狄拉克(Paul Dirac)英國理論物理學家,量子力學的奠基者之一,并對量子電動力學早期的發展作出重要貢獻。因為“發現了在原子理論里很有用的新形式”(即量子力學的基本方程——薛定諤方程和狄拉克方程),狄拉克和埃爾溫·薛定諤共同獲得了1933年諾貝爾物理學獎。 狄拉克1928年提出的方程。利用這個方程研究氫原子能級分布時,考慮有自旋角動量的電子作高速運動時的相對論性效應,給出了氫原子能級的精細結構,與實驗符合得很好。從這個方程還可自動導出電子的自旋量子數應為1/2,以及電子自旋磁矩與自旋角動量之比的朗德g因子為軌道角動量情形時朗德g因子的2倍。電子的這些性質都是過去從分析實驗結果中總結出來的,并沒有理論的來源和解釋。狄拉克方程卻自動地導出這些重要基本性質,是理論上的重大進展。 1931年 美國物理學家勞倫斯(Lawrence)設計制成第一臺“回旋加速器”。為此他獲得了1939年度諾貝爾物理學獎。因此,同步輻射技術被發現:高速帶電粒子在磁場作用下,沿弧形彎道運動,切線方向會產生電磁輻射發出各種頻段的光子,稱同步輻射(Synchrotron radiation)。同步輻射是產生各個頻段電磁波的實用技術,受到各行各業的重視。但同步輻射嚴重阻礙了同步加速器中帶電粒子的加速。 1931年 美國物理學家亨利·登伯(Harry Dember)發現光登伯效應(Photo-Dember effect): 半導體受飛秒激光激發后,發出帶電的電磁輻射,這是由于極快電子-空穴對在很強載流子梯度而造成的。同時,由于電子和空穴的遷移率不同,破壞了表面的對稱性,半導體表面附近形成垂直表面的電偶極矩(正極在下,負極在上)。 1933年 德國物理學家盧斯卡(Ruska)制成了能放大一萬倍的電子顯微鏡,并拍攝了金屬箔和纖維的放大像。使電子顯微鏡的放大倍數超過了光學顯微鏡,只能黑白影像。1937年,柏林科工大學的克勞塞和穆勒成功的制出了分辨率為納米級(10^-9m)的電子顯微鏡。 電子顯微鏡是利用電子的電磁透鏡成像原理,是電子光學理論的基礎。1986年,因電子顯微鏡的發明,盧斯卡獲諾貝爾物理學獎。 1938年 美國物理學家拉比(Rabi)發現磁共振原理,因此獲得1944年度諾貝爾物理學獎。拉比是核磁共振儀的發明者。磁共振是在固體微觀量子理論和無線電微波電子學技術發展的基礎上被發現的。 1939年 英國物理學家布特(Boot)和蘭道爾(Randall)制成了完全實用化的多腔磁控管(Magnetron),開創了微波技術和雷達技術的時代。高速電子在磁場作用下,沿弧形彎道運動,切線方向會產生電磁輻射發出各種頻段的光子,稱同步輻射(Synchrotron radiation)。這是磁控管產生微波的機理。 1943年 美國高院裁定塞爾維亞裔美籍發明家特斯拉(Tesla)為無線電的發明者。他的多項相關專利以及電磁學的理論研究工作是現代的無線通信和無線電的基石。 1947年 英國美籍物理學家肖克利(Shockley)發明了具有信號放大作用的晶體三極管,與巴丁(Bardeen)和布拉頓(Brattain)分享1956年度的諾貝爾物理學獎。 1954年 德國玻恩(Max Born)是量子力學奠基人之一,1926年提出德波羅意物質波是概率波,提出波動方程的波函數。由于在量子力學和波函數的統計解釋及研究方面的貢獻,與瓦爾特·博特(Walther Bothe)共同獲得1954年度諾貝爾物理學獎。 1958年 蘇聯教授切侖科夫(Cherenkov)發現切侖科夫效應(Cherenkov effect):媒質中的光速比真空中的光速小,粒子在媒質中的傳播速度可能超過媒質中的光速,在這種情況下會發生輻射(切倫科夫輻射)。切倫科夫教授由于發現和解釋了切倫科夫效應,1958年與蘇聯物理學家塔姆(Tamm)、伊利亞·弗蘭克(I.M.Frank)分享諾貝爾物理學獎。 1960年 美國梅曼(Maiman)制成紅寶石激光器,實現了肖洛(Schawlow)、湯斯(Townes)在1958年的預言。 1961年 美國費蘭肯(Franken)發現了光的倍頻效應,紅寶石激光器發出的波長694.3nm的紅光照射到晶體上,透過后,除了紅光外,還發現了倍頻的347.1nm的光,頻率加倍。除透射光外,反射光中也發現倍頻光。非線性是分子的非諧性造成的。 1962年 英國物理學家約瑟夫遜(Josephson)發現,在線形量子力學中,由于電子等微觀粒子具有波粒二象性,當兩塊金屬被一層厚度為幾十至幾百A的絕緣介質隔開時,電子等都可穿越勢壘而運動。加電壓后,可形成隧道電流,這種現象稱為隧道效應。 若把上述裝置中的兩塊金屬換成超導體后,當其介質層厚度減少到30A左右時,由超導電子對的長程相干效應也會產生隧道效應,稱為約瑟夫遜效應(Josephson effect)。 1965年 美籍華人高錕提出了光纖通訊理論,繼續研究及改良光纖技術,1981年第一代光纖系統面世,他亦因此獲得光纖之父稱號,2009年獲得諾貝爾物理學獎,開辟了人類用高速互聯網絡的時代。 1969年 半導體電路電荷藕合器件圖像傳感器CCD問世,是由美國貝爾實驗室的維拉·波義耳(Willard S. Boyle)和喬治·史密斯(George.Smith)所發明。引發了數碼攝影技術革命。兩人于2009年獲諾貝爾物理學獎。 1971年 英籍匈裔丹尼斯·加博爾(Dennis Gabor),發明了全息攝影,一種用激光器發出的相干光拍攝立體照片的方法。因發明全息術,1971年授予諾貝爾物理學獎。 1974年 英國劍橋大學卡文迪許實驗室的馬丁.賴爾(Ryle)1960年利用干涉的原理,發明了綜合孔徑射電望遠鏡,大大提高了射電望遠鏡的分辨率。其基本原理是:用相隔兩地的兩架射電望遠鏡接收同一天體的無線電波,兩束波進行干涉,其等效分辨率最高可以等同于一架口徑相當于兩地之間距離的單口徑射電望遠鏡。賴爾因為此項發明獲得1974年諾貝爾物理學獎。 1980年 中國光學專家龔祖同發表《光子結構論》。龔祖同(1904年11月10日—1986年6月26日),上海人,光學家,中國科學院院士,中國科學院西安光學精密機械研究所研究員。龔祖同早期從事實驗核物理學的研究,后來從事應用光學、纖維光學、光電子學、光子學等研究。 1985年 霍爾效應(Hall effect)發現約100年后,德國物理學家克利青(Klaus von Klitzing)等在研究極低溫度和強磁場中的半導體時發現了量子霍爾效應,這是當代凝聚態物理學令人驚異的進展之一,克利青為此獲得了1985年的諾貝爾物理學獎。之后美籍華裔物理學家崔琦(Daniel Chee Tsui)和美國物理學家勞克林(Robert Laughlin)、施特默(Horst L. St rmer)在更強磁場下研究量子霍爾效應時發現了分數量子霍爾效應,這個發現使人們對量子現象的認識更進一步,同時也使人類對量子有了新的認識。他們為此獲得了1998年的諾貝爾物理學獎。 1986年 美國科學家 Ashkin 發現光鑷技術(Optical tweezerstechnology), 同時就建立了光鑷儀器的雛形。光鑷又稱為單光束梯度光阱。光鑷的基本原理在于光與物質微粒之間的動量傳遞的力學效應 。光鑷技術是光的力學效應的典型實例,它直觀充分的展現了光具有動量這一基本屬性。光鑷技術的發明不僅豐富和推進了光學領域的發展,也為光學與其他多學科的交叉融合架起了一座橋梁,彰顯出了它獨特而不可替代的作用。 1988年 巨磁阻效應(Giant Magnetoresistance)被發現,指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作用時存在巨大變化的現象。是一種量子力學效應,它產生于層狀的磁性薄膜結構。1997年,全球首個基于巨磁阻效應的讀出磁頭問世,之后電腦硬磁盤的容量不斷創記錄地增長。法國阿爾貝·費爾和德國彼得·格林貝格爾因分別獨立發現巨磁阻效應, 而共同獲得2007年諾貝爾物理學獎。 1989年 電磁感應透明效應,美國的Stanford大學的Harris小組首次提出電磁感應透明效應EIT:一般是用兩束光同時照射到原子介質(如大量原子組成的氣體),使得其中一束光能夠在與原子躍遷共振時通過原子介質而不產生吸收和反射的現象(Electromagnetically induced transparency)。 2010年 海姆和諾肖洛夫在石墨烯研究方面做出了卓越的成就,利用石墨烯可以在常溫下觀察到量子霍爾效應。華人科學家張首晟生前曾預言了量子自旋霍爾效應,并在之后被實驗證實。張首晟對量子反常霍爾效應也有鋪墊性的研究。2013年中國薛其坤的團隊在世界上首次發現了量子反?;魻栃?。楊振寧稱贊這是諾獎級別的發現。 2019.7.憶鴻原創 |
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