近代物理基礎（簡體書）

本書主要是以量子力學和統計物理學為主，適當增加了粒子物理學和相對論。本書是作者在講授了生物物理研究生課程當代物理學的基礎上，整理而成。本書以生物物理專業研究生經常接觸的現代儀器為線索，編寫而成。本書共分十一章，包括了量子力學，原子模型與光譜，掃描探針顯微鏡，穆斯堡爾效應，量子計算和量子信息，霍爾效應，激光和激光冷卻，X射線衍射，超導，相對論和宇宙學，粒子物理和標準模型。本書不僅注重近代物理的知識的學習，也注重物理方法的介紹。本書適用於生物物理研究生以及高年級的物理專業的本科生使用。

史旭光：1976年5月生，北京林業大學理學院副教授，生物物理碩士生導師。2005年畢業於蘭州大學理論物理專業，獲得理學博士學位。畢業後到北京林業大學理學院工作。2007年-2009年中科院理論物理研究所博士後。近年來主要從事大學物理，物理實驗，生物物理研究生的教學工作。科研方面主要從事物理與生物系統的拓撲性質的研究。

近代物理學的教材多數偏難，本書相對容易，適合非物理專業高年級本科生或者研究生學習了解。

前言

自2015年起，作者在北京林業大學講授生物物理專業碩士研究生課程“當代物理”。生物物理專業是交叉學科，該專業碩士研究生多數具有較扎實的生物學知識，物理學的知識相對比較欠缺。“當代物理”這門課程定位於向生物物理的碩士研究生介紹近代的物理學知識和方法，為以後的科研工作打下堅實的基礎。

近代物理學所包含內容極其廣泛。包括了微觀的夸克等基本粒子，到原子、分子的結構，再到星系、宇宙的演化等。考慮到“生物物理”的學時數及學生的基礎和專業的特點，我們主要選擇了量子力學的基本內容以及量子力學在其他領域的一些應用，另外還選擇了相對論和宇宙學、粒子物理標準模型和量子場論的一些基本知識和方法作為課程的內容。在課程中我們也介紹了近現代出現的一些儀器，例如隧道掃描顯微鏡、X射線衍射儀、光譜儀等。

關於近代和當代物理學發展的書籍很多，比較有名的是清華大學張禮先生出版的《近代物理學進展》。書中涉及了近代和當代物理學的諸多方面，不僅具有廣度，同時也具有相當的深度。作者在講授“當代物理”課程時也經常參考張禮先生的《近代物理學進展》一書。但該書的廣度和難度使得將其作為生物物理專業研究生的教材比較困難。一方面是老師講授困難，另一方面學生學習起來也有難度。

本書的內容選取參考了生物物理專業研究生所用的實驗儀器所涉及的近代物理知識。內容的選取貼合生物物理專業研究生的科研需要，難度不大，適合該專業的研究生日常學習和科研參考。

鑒於北京林業大學“當代物理”的課程一直沒有合適的教材，因此萌生了為這個課程編寫一本適合生物物理專業研究生的教材。2020年疫情期間在家授課，不用通勤奔波，完成了本書。教材中的很多內容參考了前輩和同行們的諸多成果。由於作者水平有限，書中難免有錯誤和不當之處，希望前輩和同行們多多指正，批評。

本教材的出版得到北京林業大學2020年研究生課程建設項目的資助(項目編號： JCCB2028)。

史旭光於北京2020年11月

目錄

第1章量子力學

1.1近代物理學發展史

1.2黑體輻射

1.3量子理論

1.4波粒二象性及不確定關係

1.5量子力學量和力學態

1.6薛定諤方程和一維勢阱

習題

第2章原子模型與光譜

2.1原子模型

2.2光譜

習題

第3章掃描探針顯微鏡

3.1隧道效應

3.2掃描隧道顯微鏡

3.3原子力顯微鏡

習題

第4章穆斯堡爾效應

習題

第5章量子計算和量子信息

5.1糾纏態

5.2量子隱形傳態

習題

第6章霍爾效應

6.1經典霍爾效應

6.2量子霍爾效應

習題

第7章激光和激光冷卻

7.1玻耳茲曼統計分布

7.2激光

7.3激光冷卻與捕獲中性原子

習題

第8章X射線衍射

8.1X射線物理基礎

8.2晶面指數標定

8.3晶體衍射理論

8.4X射線衍射實驗方法

習題

第9章超導

習題

第10章相對論與宇宙學

10.1相對論

10.2宇宙理論

習題

第11章粒子物理與標準模型

11.1粒子物理

11.2歐拉拉格朗日方程

11.3對稱性的描述

習題

參考文獻