当代物理学在中国的发展.doc

（一）20世纪上半叶中国物理学家的重要成就
　　本世纪初，一批中国学者到西方国家学习现代物理学知识，开展物理学的研究工作。他们中间一些人学有所成后，回国兴办教育，出版刊物，组织学会和创办研究机构。由于他们的辛勤劳动、不懈努力，在国内培养了一批优秀的青年物理学人才。这些人再次被派遣出国留学深造，并在物理学研究方面做出了许多出色的工作。20世纪上半叶，中国物理学工作者在国内外进行了大量的研究工作，在物理学的各个领域都做出了一些一流水平的成果，对现代物理学的发展做出了重要贡献。
1．力学
　　力学是研究物质在力的作用下运动和变形规律的一门科学。它以研究天然的或人工的宏观对象为主，也涉及宇观或细观甚至微观各层次的对象及有关规律。按照上半世纪我国的科学划分，力学也属于物理学范畴内，在力学领域取得重大成就的学者也都是物理学家，故将其归之于物理学领域加以记述。我国学者在力学领域所取得的重大成就，主要在流体力学和应用力学方面。
　　流体力学：周培源(1902～1993)1938年在西南联合大学时即开始进行不可压缩粘性流体理论研究，在国际上首先提出了脉动方程（或称涨落方程），建立了普通湍流理论。根据这一理论对一些流动问题做了具体计算，计算结果与当时的实验符合得很好(1940)。他的研究成果曾获当时国家教育部自然科学类一等奖。张国藩(1905～1975)从30年代开始从事湍流理论研究，他认为流体力学传统的Navier-Stakes方程不能用于湍流，而必须先把湍流的物理机制搞清楚，按新的物理模型建立基本方程。为此他完成了以下工作：(1)类比分子运动论的方法，建立了湍流“温度”、“压强”和“熵”等物理量，并将它们编入流体力学方程，相当详细地讨论了湍流通过圆管和两个平行面之间的情况，并扼要地讨论了湍流的衰减、湍流结构和关联作用的特性等问题。后来他又发展了上述思想，用量子统计方法求湍流能谱分布式。(2)论证了湍流运动是一种非牛顿流体运动，其内部阻力应改用幂数式表示，并依此建立了他自己的湍流运动方程。1950年，卢鹤绂(1914～1997)提出流体的容变粘滞性理论，从而推出霍尔假定的容变弛豫方程，并在声传播和吸收现象上取得初步成效。1951年，他又在全部频率范围内将容变粘滞弹性理论应用到超声（及声源前川流）的传播和吸收现象上，得出能够描述实践经验的有概括性的公式。庄逢甘1950年也研究了湍流的统计理论。1944年，林家翘(1916～)在美国加州理工学院对二维平行流稳定性的研究取得了突破性进展。他首次运用渐近分析方法求出了完整的中性曲线，从而得出临界雷诺数。他的理论结果被后来的实验和数值计算所证实，并第一个获得美国物理学会颁发的流体力学奖金(1979)。李政道(1926～)于1950～1951年，讨论了湍流。他通过将Heisenberg湍流横型与实验结果相结合，而计算了各向同性湍流的涡流粘滞系数，证明在二维空间中不存在湍流。40年代，钱学森(1911～)与Von Karman共同提出跨声速流动相似律和高超声速流动概念，为空气动力学的发展奠定了重要理论基础。1946年，钱学森与郭永怀(1909～1968)共同提出，在跨声速流场中有实际意义的临界马赫数，不是原先被重视的下临界马赫数，而是来流的上临界马赫数。这对航空技术中突破声障碍有重要意义。以后，郭永怀又把该工作推广到包括有曲率流动和绕儒可夫斯基薄翼流动的情况，研究了绕物体跨声流动的稳定性问题。他对于高超声速可压缩粘性流体绕尖劈运动及其离散效应等，也进行了成功的研究。
　　在应用力学方面，20年代中期，魏嗣銮(1895～1992)在德国研究应用力学课题，以变分法探讨了均匀负荷四边固定的矩形板的挠度和弯矩。30年代，丁西林(1893～1974)创造了一种可逆摆，用以精确地测定g值，从而避免了过去以摆测定g值的许多实验误差。30年代中期，江仁寿以一种带有惯性棒的双线悬挂装置测定了液态碱金属的粘滞性，他所改进的方法后来被广泛用于其他液态金属粘滞性实验之中。1940年，钱伟长(1912～)首先以三维弹性理论为基础，用张量分析微分几何为工具，建立了薄壳和薄板的统一内禀理论，其结果证明可以用板壳的中面拉伸应变和曲率变化六个分量表示全部求解方程；并指出在Kirchhoff-Love的通常假定下，可以根据板壳厚度、曲率张量、拉伸应变和曲率变化等四种物理量相对量级，把薄壳问题分为各种类型，它们的一级近似求解方程都各不相同。国际上有关薄壳SS12中的张量方程组，以及从该方程组导出的圆柱浅壳和圆球浅壳方程被称为“钱伟长方程”。
2．相对论、引力论及宇宙论
　　20年代后期，周培源就从事广义相对论和宇宙论的研究。为了解决用于表示爱因斯坦引力场的10个二阶非线性偏微分方程组中存在着一组由4个独立的非线性偏微分方程所组成的Bianchi恒等式，致使仅仅用引力方程得不出10个引力函数（即引力张量的10个分量）的确定解这个难题，他主张附加物理条件，并曾引进一个条件，从而获得轴对称引力场的一些解。1936～1937年，周培源在美国普林斯顿高等学术研究院参加爱因斯坦主持的讨论班时，又计算了不同条件下静止场不同类型的严格解，并证明在各向同性条件下，爱因斯坦引力场方程本身即可给出Friedmann宇宙的度规张量，使得该问题的解决大大简化。30年代，束星北(1907～1983)探索引力场与电磁场的统一理论，这在当时是一个超时代的课题。虽然他的研究未取得有实质意义的进展，但他的有关研究对后人还是有启发性的。40年代初，胡宁(1916～)在普林斯顿高等学术研究院从事关于引力辐射阻尼的研究。他采用广义相对论里通常的坐标条件，改进简化了爱因斯坦等人的方法，首先计算出双星系统的反阻尼结果。他的这一工作被普遍认为是该方面理论研究的创造性贡献。胡宁认为由于广义相对论里的力不是协变的，所以反阻尼的结果是可以理解的。他后来的工作指出坐标条件不是必需的，主张使用附合实际的物理条件，可以得到合理的结果。70年代末，正是在双星辐射阻尼的观察上得到引力波存在的第一个证据。
3．声学
　　在古代，中国是对声学做出突出贡献的国家之一，到了近代，中国声学研究比较落后。50年代中期以前只有少数科学家对少数的分支学科进行过一些研究工作。
　　在空气声学方面，20年代后期，叶企孙(1898～1977)测定了清华大学礼堂的音质，提出了改进该建筑物音质的具体办法，并发表了《清大学礼堂之听音困难及其改正》的论文，开创中国建筑声学研究之先河。马大猷(1915～)应用求解波动方程并使其满足厅堂边界条件的物理声学方法，建立了房间声学简正波的理论基础。早在1939年，他就突破了声波要远小于房间尺寸和物体大小的限制，首先求得低频范围下矩形空室中的简正波频率分布公式，建议将它推广到任意形态的房屋之中。接着他又与Hunt、Beranek合作，利用受壁面声阻抗影响的阻尼声波简正振动方式而分析了均匀壁面矩形室中的声衰变，提出了分析混响的新方法。40年代，他利用波动声学方法探讨了矩形室中非均匀的声边界、颤动回声以及房屋音质的起伏等问题。第二次世界大战期间，汪德昭(1905～)在法国国防部第四研究组承担了反潜声呐的研究，先后在主动声呐加大功率和以气压哨声消除雾滴的研究方面做出优异成果。魏荣爵(1916～)是中国声学事业创始人之一，1950年，他在美国加利福尼亚大学运用分子的弛豫吸收理论，成功地解决了低频声波在水雾中的反常吸收现象，指出声波导致气液两相转换是声能消散的原因。他还进行过声波消雾的研究。
　　在超声学方面，40年代初汪德昭在法国用声栅光衍射方法研究了超声波在二硫化碳液体中的声吸收。这一早期的实验结果被称为是该领域最可靠的数据之一。1941～1943年，许宗岳(1911～1974)在美国布朗大学从事水超声吸收的精确测量与理论研究。他用自己提出的力积分天平法，消除各种干扰，提高了灵敏度，在10～50MHz频率范围内，测得室温下自来水的2av-2×1017平均值为 45.4cm-1sec（2α为声强衰减系数，v为声频率）。此数值与经典stokes公式计算值有明显的差异。他在解释这一结果时，提出将 stokes公式修改为2a/v2=4π2(λ+2μ)ρ0c3，即除了考虑水的剪切粘滞系数μ以外，还应考虑“压缩”粘滞系数λ。许宗岳的这一研究成果被称为声吸收测量的代表性工作和主要参考资料。40年代末，北京大学杜连耀在美国从事微波超声的产生及应用研究，发表论文10余篇，在1952～1955年间研制成钛酸钡压电陶瓷的加压和极化工艺，可取代昂贵的石英。他回国后继续从事超声学的研究工作。
4．热学、热力学和统计物理学
　　20世纪上半叶，中国物理学家在热学、热力学和统计物理学方面曾有过比较出色的研究成果。1936～1937年间，王竹溪(1911～1983)将H.A.Bethe于1935年提出的超点阵统计理论推广成为普遍理论，既适用于组元浓度相等，也适用于组元浓度不相等的情形，而且处理的是相当普遍的一类长程相互作用，找到了计算超点阵位形分配函数的近似方法，从而在形式上给出了超点阵问题的普遍解。在随后的多年中，超点阵仍是王竹溪继续研究的课题。1942年他指导杨振宁做硕士论文的题目就是超点阵。杨振宁后来回忆说：“王先生把我引进了物理学这一领域（统计力学），此后，它便一直是我感兴趣的一门科学。”（《读书•教学四十年》，香港三联书店）王竹溪还对多元系的平衡与稳定性的热力学理论做了深入的研究，发展了一极普遍的数学理论，它在整个热力学理论体系中具有基本的重要性。他的长篇论文和在其专著《热力学》（1955年版）中对平衡稳定性的讨论，至今仍然是这方面必须参考的重要文献。张宗燧(1915～1969)于1936～1938年在英国剑桥大学学习期间，便开始从事统计物理学方面的研究，在合作现象，特别是固溶体的统计物理理论研究做出了重要贡献。1937年，张宗燧将Bethe提出的超点阵统计理论推广到包括了近邻原子对之间的相互作用。1940年他回国任重庆中央大学物理系教授，与他的学生一起研究合作现象，建立了求固溶体位形自由能的方法，该方法不仅较为简单、可靠，而且应用面较广。他还讨论了合作现象中的准化学公式的改进问题，对量子系统的各态历经问题也进行了研究。30年代，葛正权(1896～1988)在美国柏克莱加州大学所进行的以分子束测定Bi2分解热和验证Maxwell速度分布律的实验，是当时闻名的工作。该实验不仅在测定分解热方面取得了比前人精确得多的结果，更重要的是在验证Maxwell速度分布律方面取得了重大成就。他发现：实测的分布曲线与理论曲线相比，在高速端二者极为符合，而在低速端二者存在较大的差异。他分析了这种误差的原因和技术上的困难，从而导至发现了Bi8分子，同时也使以后数十年间不断地有人以各种方法重复验证Maxwell分布律。而葛正权的这个实验则被作为经典载入物理学著作之中。40年代在统计物理方面做研究的还有王明贞和王承书。王明贞(1906～)于1942年在美国Michigan大学首次独立地从Fokker-Plank方程和Kramers方程中推导出自由粒子和简单谐振子的布朗运动。1945年，她与G.E.Uhlenbeck教授合作的有关布朗运动理论的论文——《布朗运动的理论》，在近四十年的时间内一直作为了解布朗运动的权威性文献。王承书(1912～)40年代在美国从事统计物理学和稀薄气体动力学的研究。她根据Boltzmann方程研究稀薄气体并发现了线性化的Boltzmann方程积分算符的本征函数及本征值，提出了被称做WCU方程(王-Uhlenbeck方程)的多原子分子气体的修正Boltz-mann方程。此外，黄子卿1935年精确测定了水的三相点；陈仁烈1935～1936年研究了金属线和水银的纵向热电子发射；朱应洗1939年详细研究了在一些特定条件下通过气体的热传导现象；吴仲华1947年对四冲程内燃机的输入过程的热力学分析做了研究；杨立铭1948年研究了液体和气体的扩散理论，在流体的统计理论中，把Born-Green液体理论推广到混合液体，并用统计方法导出了分子的扩散系数。
　　杨振宁(1922～)在昆明西南联合大学学习时，就在王竹溪的指导下研究统计物理。他在1944～1947年间，至少有四篇关于统计力学方面的论文，论述了相互作用能随晶格常数的变化而变化、临界温度和超格比热的关系、在超格统计理论中准化学法的一般理论问题。Ising模型是闻名的统计力学中的铁磁学模型，是E.Ising为模拟铁磁体在居里点的相变而提出来的。杨振宁于1925年解决了其中最困难的问题，分析了在正方形点阵下二维Ising模型的自发磁化强度的解析表达式，证明在居里点发生的现象确系一种相变。接着他又指导张承修将其方法推广到长方形点阵Ising模型之中。1952年，杨振宁与李政道(1926～)合作提出了统计物理学中关于相变的两个定理，以及有关巨配分函数之根的著名的“李-杨单圆定理”。他们的研究，严格定义了气相、液相、固相中任一相的热力学函数，证明热力学函数能区别不同的相，不同相的这些函数一般地彼此不能解析延拓。他们将这个新诞生的广义相变理论应用到点阵气体中，对后来关于惰性气体的实验研究帮助极大。杨振宁与李政道合作还研究了硬球玻色(Bose)气体的分子运动论。他们通过对级数有选择求和，证明可以消除硬球玻色系统的发散性。这些工作在理论物理学的众多领域被广泛采用。他们还分析了硬球玻色系统的低温特点，证明相互作用的玻色系统可显示超流性，从而深入而全新地提供了理解液 He Ⅱ的异常现象的理论。
5．电磁学、无线电电子学和微波波谱学
　　在电学领域，北京大学物理系首届毕业生孙国封(1880～1936)1923年在美国康乃尔大学物理实验室，使用他自己所设计的直接测量小相角的一种灵敏度高而精确的方法，测量电解质电池的电容和电阻，说明了它们随电动势、电池几何结构、溶液浓度、温度、以及半透明铂膜电极厚度的变化情况。在他的研究中，区分了电极电阻与电解质电阻；并从测量的等效电阻和电容的值，推导了计算电池的实际电阻和电容的方法。30年代，萨本栋(1902～1949)创造性地将并矢方法和数学中复矢量应用于解决三相电路问题。1936年，他在美国Trans，AIEE上发表的《应用于三相电路的并矢代数》一文，被美国电气工程师学会当年冬季会议列为讨论课题，并被该会评为1937年度“理论和研究最佳文章荣誉奖”。1939年，萨本栋汇集了他的研究成果写成《并矢电路》一书，是属于“数学、物理、电机三角地带”的新专著和新理论。该书出版不久，便被选入国际电工丛书，并获中国电机工程师学会第一次荣誉奖章。40年代，萨本栋从事交流电机研究，以标幺值系统分析交流电机问题，很具特色。他根据在厦门大学和美国讲课的素材编写的《交流电机基础》一书，被英、美各国高等院校作为教本，开创了中国科学家编写的自然科学教科书被外国普遍采用的先例。30年代，马士修(1903～1984)在法国曾研究过扭力对电阻影响和Barkhausen效应。1928～1930年间，严济慈(1900～1996)先后在巴黎大学Fabry物理实验室和法国科学院大电磁铁实验室对水晶压电效应做了深入的研究。他发现在垂直于电轴的晶面上施加电压，晶片形变量与它的厚度无关，但与电压强度有关。电压不大时，晶片厚度的形变符合Curie定律，即形变比例于静电场强度。在垂直于光轴的晶面上施加电压，晶片厚度的形变极为微小，与绝缘体无异。他还观察到水晶由于电压而变形是瞬时的，无滞后现象。他还在沿水晶光轴做成的实心与空心两种水晶圆柱体上施加扭力而产生起电现象，以及其扭转压电振荡方面的研究。在这方面研究中，他发现水晶柱受扭力时产生电荷，这在理论上是有意义的。在无线电电子学和微波方面，也有一批中国学者做出了卓有成效的研究。1920年，北京大学温毓庆(1895～？)在美国哈佛大学对于受各种波长的阻尼和非阻尼激发的天线辐射电阻做了理论分析。20年代中期，倪尚达(1898～1988)在美国匹兹堡Westinghouse电气公司研究并制备了为整流器所用的第一氧化铜，具有优良的整流特性。1929年他著的《无线电学》是我国最早最有影响的无线电专著，被誉为“学习无线电之善本”，在东南亚地区颇有影响。20年代末到40年代初，陈茂康对滤波器、脉冲发生器、微分脉冲发生器、微分指数导纳以及在Im量程内吸收式波长计等的理论、设计和校准等做了多方面的研究。孟昭英(1906～1995)30年代初在美国加州理工学院从事超短电磁波的研究，成功地在世界上第一次用电子管产生1厘米的超短波。同时，他还设计了波导阻抗的精密测量方法，并在美国获得专利。30年代末，他又进行关于三极管直线板极调幅的研究，得到了比一般方法更好的直线性无畸变调制，并具有另一些优点。1941年他在昆明清华大学无线电研究所发表了《三极管射频放大器的直线阳极调幅》论文，受到美国无线电公司(RCA)研究室等单位的重视。后来他在这方面又做了许多研究，并对氧的毫米波吸收谱进行了研究，这是微波波谱学最早的工作之一。朱物华(1902～)在30年代对各波段的滤波器进行了研究。他推导了终端有电阻耗散的Ⅱ型低通滤波器、以及T型和Ⅱ型高通滤波器的瞬变电流解的公式。从这些公式计算的结果，与阴极射线示波器映出的直流和交流情况下波形图相符。这项成果填补了耗散式电子滤波器瞬流研究上的空白。任之恭(1906～)20年代末到30年代初，在美国对电子振荡器的理论与实验都有过研究。40年代以后，他又从事微波波谱学的研究，尤其是对许多气体分子的微波波谱的Zeeman效应做了实验观测。他在国内外科学杂志上发表了多篇这方面的学术论文。1980年科学出版社（北京）还出版了他的专著《微波量子物理学》。卞彭(1901～1990)1935年在美国麻省理工学院首先采用钨丝圆柱型发射极制作电子放大管，后经多次改进，已得到广泛应用。40年代他在国内以自制的仪器设备，先后与杨约翰、应崇福合作从事氧化物阴极研究。当时普遍认为脉冲发射与直流发射二者机制不同，因为脉冲有衰减。而卞彭经过多次实验检测，终于在1948年最早确定了氧化物阴极的脉冲发射和直流发射的一致性。后来他总结了多年的研究成果，提出了热阴极的微块模型理论。并第一次提出“同平面三极管理论解”，得到了与实验甚为符合的计算结果，对生产有一定指导意义。他在电子学方面的成就，对我国电子学的发展做出了积极贡献。戴振铎(1915～)1937年毕业于清华大学，后赴美深造，先后获哈佛大学硕士、理学博士，40年代任哈佛大学研究员，专长于电磁理论和天线理论，发表论文近60篇。他在1948年关于双锥形天线的理论研究使他获得了小锥角有效负载导纳的严格表达式；1952年他以变分法研究圆柱形金属线的电磁反向散射，确定了反向散射载面数值，并仔细讨论了与导线终端处电流有关的边界条件。冯秉铨(1910～1980)是我国著名的电子学家，对无线电电子学、振荡理论有较深的研究，特别是在无线电发送技术方面有独到的研究。40年代末至50年代初，他从提高强力振荡器阳极效率出发，首先提出了相角补偿理论，分析了多种振荡器电路，得到相角补偿电路参数的计算公式。其结果证明相角补偿条件和提高频率稳定度条件相符，即振荡器经过相角补偿后，阳极效率提高、频率最稳定。该理论在理论和实践上都有重大意义。将它用于高频电热等大功率振荡器可以节省大量电力；用于波段发射机，可起稳定频率的效果。他的这项高效率高频放大器电路的研究，获得1978年全国科学大会奖。叶楷(1911～)在电子学、微波、线性和非线性电路分析等方面，都进行了卓有成效的研究。1945年，他从理论上考察了栅极支柱和不同电子管尺寸对电子发射角的影响，从而证明了H.C.Thompson在1936年的实验分析。1950年，他在对低压充气二极管的理论与实验研究中，推出了一些重要数据，如正离子的过渡时间和寿命，以及它中和空间电荷的效应等。鲍家善(1918～)在微波天线、微波铁氧体器件、磁控扫描天线、微波超导等方面都做过研究。40年代，他在美国获得快速扫描天线、赋形波束天线等四项专利。1953年，他根据物理学衍射理论，对雷达天线进行改进，提出双余割平方式波束天线设想，从而提高了辐射能量的利用率，使飞行目标所受照度均匀。根据这一设想制造的天线，在多山地区探测飞行目标获得满意的结果。毕德显(1808～1992)早年曾在电磁场和天线理论等方面做过大量研究工作。40年代曾参加美国斯坦福大学工学院院长F.E.Tomam教授主编的《无线电工程师手册》的编写工作。1944～1947年在美国无线电公司新产品试制部参加脉冲多路通信和微波通信设备的研制工作。50年代以来，有许多专著和论文发表。他是中国雷达工程专业的主要创建人，为我国发展雷达和通信技术做出了重大贡献。磁学是研究静磁和电磁学磁现象以及物质磁性及其应用的学科。1922～1923年间，叶企孙(1898～1977)在较大的压力范围内(0～12000kg/cm2)系统而细致地研究了流体静压力对典型的铁磁性金属压力系数、温度系数、剩磁和磁导率的影响，从而观测到前人所未见过的复杂现象。他从唯象理论上推导了铁磁性物质的体积变化与磁化过程和压力系数的关系，定性地解释了铁、镍、钴的不同实验结果。同时，他还在当时铁磁性分子场唯象理论和原子结构模型的基础上对其实验结果做了有益的讨论，提了原子的微观结构对铁磁性的可能影响。叶企孙的这一研究工作，受到当时欧美科学界的重视，被认为是在物质铁磁性方面的一项重要研究工作。施汝为(1901～1983)从30年代起，在顺磁化合物、铁磁性合金及其单晶体、永磁合金的磁性、磁畴粉纹图和磁各向异性等方面进行了长期的研究，特别是他对铁-钴和镍-钴合金单晶体的磁晶各向异性做了开创性的工作。30年代中期，他在中央研究院建立了我国第一个近代磁学实验室。30～40年代，潘孝硕(1910～1988)在关于铁-贵金属合金、铁-稀土金属合金和铁族金属及其合金磁性、磁化机制和热处理效应等方面的研究，做了许多有意义的工作，特别是在磁性合金有序化对磁性的影响和晶界内磁场对多晶体旋转磁化过程的影响等做了深入研究。李庆贤(1902～1987)1931年在美国研究了低温下磁铁矿晶体的磁性。他首先发现磁性物质在冷却到低温(-160℃)相变点时，会引起感生磁的各向异性变化。这一成果受到国际磁学界的重视和多次引用。蔡柏龄(1906～1988)从30年代起在法国贝尔维尤(Bellevue)强电磁体实验室从事磁学和强磁场设计研究。他对气态-氧化氮、氧和氮的磁（致）双折射和磁（致）Faraday旋转，以及液态-氧化氮的磁化率进行了研究。30年代后期他又致力于铁族过渡金属（如锰、铁、钴、镍、铜等）的氧化物、卤化物、碳酸盐等多晶体和一些单晶体的磁化率随温度的变化进行了系统的研究。他从实验上最早发现了多种化合物的磁化率-温度曲线出现最大值的反铁磁性，并把反铁磁性理论用于解释这些化合物磁性的特点，对早期反铁磁性研究做出了重要贡献。在多种强磁体设计方面，他曾参加法国“土星”质子同步加速器中的大型强磁体、大型气泡室电磁体、大型永磁体和高梯度磁场等的设计研究，曾采用磁位计法测量强电流。蔡柏龄的这些研究工作，于1934年获法国国家研究发明局银质奖章，1947年获法国埃梅•贝尔泰(AiméBerthé)奖。马士修(1903～1984)曾对电场和磁场的对称状态进行过研究，并发展了居里对称定理。他还指出，电磁场中的“对称要素与热力学内之熵极为相仿”。
6．光学、应用光学和光谱学
　　在光学与应用光学包括光源、光学材料光谱学等在内，上半世纪中国物理学工作者中多数人参与了这一领域的研究，取得了较多的成就。
　　1925年前后，谢玉铭(1893～1986)在美国芝加哥大学物理系跟随著名物理学家、诺贝尔物理奖获得者A.A.Michelson教授从事光的干涉研究。1928年，严济慈在法国进行水晶压电效应研究时，首次测定了居里压电效应“反现象”的数据。同时，发现了不同于Kerr效应的一种双折射新效应，即在垂直于电轴方向的水晶面上施加正电压则在该方向的双折射增大，而垂直于光轴与电轴的第三轴向的双折射减小；如果施加电压为负，则结果相反。1931年严济慈在钱临照(1906～)的协助下，在北平物理研究所开展压力对照相乳胶感光性能影响的研究，发现压力能减弱乳胶的感光性能，且压力愈大，效应愈显著。如用γ射线为光源，效应则相反：压力愈大，效应愈不明显。他们的研究成果于1932年发表在《法国科学院周刊》上。30年代后期，龚祖同(1904～1986)在德国留学期间从事光学系统高级像差的研究，设计了野外望远镜，为把光学设计和军用光学仪器设计引入中国打下了基础。 1938年，他在昆明试制成功6×30军用双目望远镜、机枪描准镜和80厘米倒影测远机等我国第一批军用光学仪器。1952年，在他的领导下，制造出中国的第一炉光学玻璃。1937年，钱临照发表了有关玻璃的表面微裂缝的研究成果，40年代又在昆明以Hilger棱镜干涉仪实验地描述了光谱中相邻两光波的干涉图象及其性质，并对此做出了理论解释。特别是通过这个实验，他提出可以以这种简便的方法达到提高光谱线分辩率的途径。这在当时是一个富有创造性的研究工作。40年代，王大珩(1915～)在英国从事光学玻璃研究工作，成功地研制成数种新型稀土光学玻璃的配方，并获得专利。他还研究了不同退火条件下，对光学玻璃的折射率、内应力以及光学均匀性的影响，研制成了V型棱镜精密折射仪。这些研究成果获英国仪器制造协会第一届Bowen仪器发展奖。同时，他还研究了各级球面像差对最佳焦点位置的影响。这种思想至今仍是小孔径小像差光学系统设计中像差校正和质量评价的重要依据。日本学者曾给予他的这项研究很高的评价。1946年，何增禄(1898～1979)提出了以改变光程的方法改变光波频率的理论，说明多普勒效应“红移”现象是特例情况。
　　在光谱学方面从事研究的中国学者甚多，其重要成就有：桂质廷(1895～1961)1925年在美国普林斯顿大学研究双原子气体的低压弧光的光谱及其特征。饶毓泰(1891～1968)20年代末至30年代初，在德国研究了Rb和Cs原子的倒Stark效应，观察到这两个元素主线系的分裂和红移。该项成果对当时正在发展的量子力学微扰理论提供了重要的实验数据。1933～1938年间，他在北京大学研究了ClO3-、 BrO3-和IO3-的Raman光谱，测定了光谱的退偏振度，从而定出了这些自由基的结构。1944～1947年间，他又在美国与A.H.Niclson等合作进行了分子光谱的研究，研究C12O216和C13O216的分子振动-转动光谱，获得了含同位素的气体分子的转动光谱，为研究同位素的气体分子的振-转光谱提供了方法和基础，并且可以获得分子内部的重要信息。1932～1934年间，谢玉铭在美国和W.V.Houston合作开展氢原子光谱Balmer系的精细结构研究，发现了40年代后期得以肯定的著名的“Lamb移位”，并提出了与40年代后期有关重整化理论的发展方向相同的大胆建议。但是当时并没有引起物理学界足够的重视。而1947～1948年间，兰姆(W.E.Lamb)等人所做的类似的实验及发现却获得了1955年诺贝尔物理学奖。就现在看来，谢玉铭及其合作者当时的工作是杰出的，不仅结果正确，而且提出的建议也是惊人的。谢玉铭的这项工作可以说是中国上半世纪物理学的一项重大成就。吴大猷(1907～)对光谱学也做了大量研究，早在1931年，他在美国曾设计了一种弯形狭缝以改进红外光谱的弯形影像，提高了光栅的分辨率。在30年代，吴大猷研究了多种原子分子光谱，并与郑华炽(1903～1990)等合作，研究了苯及其衍生物的Raman光谱，发现并证明了苯的同位素移动，对此做了正确解释。1939年，吴大猷完成了《多原子分子振动光谱及其结构》一书（1940年在上海出版），这是当时国际上第一本、也是有关课题的唯一专著。它的出版受到国际学术界的赞扬，在美国连印三版，在今天，它作为一本经典著作仍被国际学术界所重视。严济兹和钟盛标、陈尚义等在30～40年代研究氢、氖、铷、铯、硒、碲等元素的原子及其分子光谱，碱金属的紫外线光谱，尤其是对臭氧的紫外线光谱吸收系数的研究，为国际气象学家测定高臭氧层厚度提供了参照数据。赵广增(1902～1987)专长光谱学，对我国实验光谱学的研究起过重要作用。他在美国Michigan大学深造期间(1936～1939年)，曾在O.S.Duffendack主持的气体导电光谱学实验室从事电子与原子和分子的碰撞激发、原子和分子的激发和离化的研究。1939年又在H.R.Crane实验室利用直线加速器研究高能电子与原子核的相互作用。1940年回国后，继续从事研究电子与原子和分子的碰撞及离化问题。50年代中期，他在中科院应用物理所和北京大学分别研究了Cds和Cu2O单晶激子光谱，先后获得了Cu2O在可见光谱区液氮温度下，黄区和绿区吸收的类氢光谱线系、红区的极细吸收谱线系和吸收台阶，分别研究了这些光谱线系和吸收台阶随压力（晶体各向异性压力）移位。同时，他还在红外光谱区域开展了Cu2O的压力效应及价带的压力效应研究。这些研究在国内外都是领先的工作。周誉侃(1908～1976)在光谱学理论和实验方面均有很深的造诣。30年代后期，他在德国着重研究稀土金属盐的晶体及其溶液的吸收光谱，选择NdF3作样品，拍摄和测量可见光区的 7个谱线组和红外区的2个谱线组，从电子跃迁和外晶格振动激发的复合谱线中成功地分离出纯电子跃迁谱线，发现这类谱线强而尖锐，而晶格振动谱线则在短波方向上弥散。他们的实验精度达到很高的水平。此外，他还测算了一些谱线组，根据单个谱线组的谱线数目算出相应能级的内量子数J值，与理论上的可能值相一致。
7．固体物理学（金属物理学、结晶物理学）
　　在固体物理学领域，上半世纪我国有陆学善、钱临照、余瑞璜、周如松、葛廷燧等人在金属物理和结晶学方面进行了研究，范绪筠、黄昆等人在半导体、晶格动力学方面进行了研究。陆学善(1905～1981)是中国晶体学研究的主要创始人之一，1934～1936年他在英国深造期间，与A.J.Bradley进行了Cr-Al二元合金系的X射线研究，首次提出了Cr-Al系的完整相图。他创立的利用晶体点阵常数测定相图中固溶线的方法，至今仍为晶体学家广泛应用。钱临照和周如松(1912～)在30年代中期，对金属晶体的范性变形和晶缺陷做了极好的研究，他们实验地测定了钼单晶的滑移系统，对其滑移面与钠、钾迥异现象的原因做出了正确的解释。1939年周如松在英国与Andrade共同提出表征形变温度对体心立方晶体滑移面选择影响的参量[θ=T(k)/Tm(k)，其中T(k)是形变温度，Tm(k)是该晶体的熔点]。她们从实验研究中得到的这条经验规律具有开创性意义，受到人们的重视。直到现在还被有关权威著作征引。余瑞璜(1906～1997)在X射线结晶学、X射线晶体分析法、固体与分子的经验电子论(E.E.T)及其应用方面卓有成就。1930年，他在清华大学X射线实验室研制成盖革计数器，这是我国第一次自己成功制造的有关仪器。1932年在吴有训指导下，他分析了氢的X光吸收和散射，其结果被A.H.Compton所著的《X射线的理论与实验》一书引用，以说明X射线的散射系数不同于经典的散射系数。1935～1937年，他在英国深造期间对Zn(BrO3)2•6H2O的晶体结构进行分析，巧妙地消除了一般所称的“鬼影”，从而最后确定了它的晶体结构。他还发现，X射线衍射的晶体摆动谱仪所用的对称形叶状摆动器，所得出的晶体摆动速度不均匀。经过他严格的数学处理后，得到了正确的非对称式叶形摆动器。最有意义的是，他在对 Ni(NO3)2•6NH3所做的晶体结构分析中，对该晶体的X射线衍射线强度随衍射角的增加而急剧地下降现象做出了正确的解释。他认为，这是由于NO3中的一个O和N总是以其它两个O的联线为轴，在NO3的平面三角形原子组的平面中做十分反常的大幅度的来回角摆动所致。以这种模型算出的衍射线强度和实验所得的结果完全一致。他还将该晶体放在液氮中做低温X射线衍射谱线的观察，果然正常。在后来的低温晶体结构分析也得到同样的结果。1938年底余瑞璜回国到昆明清华大学金属研究所任教授，继续从事有关晶体结构的分析研究，他从数学上寻找消除Fourier综合法必然产生“鬼影”的方法，经过努力，终于在1942年获得成功，提出了晶体分析X射线数据新综合法，受到国际学者的称赞。在劳厄(M. VonLaue)衍射50年纪念的国际性专著Fifty yeors of X-raydiffra Tion中，余瑞璜被P.P. Ewald赞誉为世界上第一流的晶体学家。
　　抗日战争期间，昆明北研物理所钟盛标(1908～)从事晶体物理学研究。他主要研究水晶的腐蚀图样及其应用；电场作用以及紫外线辐射对水晶腐蚀的影响；镭射线对各种水晶的赋色效应以及这些水晶的光学性质；等等。他利用实验得到的水晶的新腐蚀图样，发现了确定水晶轴向的新方法。这对于在抗战时困难条件下通讯器材的研究有很大的帮助。50年代，钟盛标又从实验上发现了用于检测水晶晶体缺陷的两种新方法，即放电法和碱金属蒸气腐蚀法。用这种方法可以检测水晶内由于亚微观掺杂而产生的缺陷。这种以物理方法检测水晶晶体缺陷的方法，为地质学家和矿物学家所关注。葛庭燧(1913～)是国际知名的金属物理学家，发表论文160余篇、著作多种。40年代后期他创立了金属内耗的整个研究领域。1945～1949年，葛庭燧在美国芝加哥大学金属研究所任研究员，开展关于晶粒间界的研究工作，其中包括金属弛豫谱（内耗）、金属力学性质和位错理论的基础研究。他首创用于低频内耗测量的扭摆，被国际上称为“葛氏摆”，从而推进了国际内耗研究的迅速发展；他首先发现了晶粒间界的内耗峰，被国际上称为“葛氏峰”；他提出各种滞弹性测量（包括内耗、模量弛豫、在恒压力下的微蠕变、在恒应变下的应力弛豫）的结果可以彼此换算，从而奠定了经典的滞弹性内耗（线性内耗）的理论基础；他提出了晶粒间界无序原子群模型（被称为“葛廷燧晶粒间界模型”）和沿晶界滑动的机制，肯定晶界具有粘滞系数，并首次把扩散概念引入晶界流之中；他关于外来杂质对晶界内耗的影响的研究，为后来应用晶界内耗峰研究和阐明晶界偏析动力学以及对力学性质的影响开辟了广阔的前景。1948年葛庭燧通过实验首次在r-铁和镍等面心立方晶体中观测到填隙原子所引起的斯诺克（snock）类型的内耗峰，并进而证明填隙原子在面心立方点阵中引起的内耗峰是一种普遍现象，并提出了产生内耗峰的机制。这项研究引发了国际上随后关于点缺陷弛豫内耗的大量工作，为随后点缺陷弛豫理论的建立提供了重要的启示。1949年他首先观察到表现反常振幅效应（即内耗由于振幅的增加而减小）的内耗峰，并提出溶质原子气团模型和溶质原子沿位错管道扩散的位错弯结气团模型。这是对经典内耗理论的一项重要发展。葛庭燧在1949年回国后，在国内进行内耗研究，培养了大批人才，对于我国内耗研究工作的发展和领先地位做出了卓越贡献。范绪筠（1912～）从40年代起在昆明清华大学无线电研究所从事半导体物理的理论与实验研究，发现了半导体中导电电子密度可能偏离其正常值相当大的现象，并定量地讨论了两个物体接触处附近的势位和电子密度分布；40年代末，他在当时最为人们重视的锗与硅半导体方面的研究取得了许多成就。他用光学性质证明半导体有禁带，从实验上证明锗和硅有吸收限。他的这些研究成果对于固体电子学的发展和第二次世界大战后半导体的广泛应用起了很重要的作用。黄昆（1919～）在固体物理学理论领域，特别是在晶格动力学方面做出了开拓性研究。1947年，黄昆在英国Bristol大学研究固溶体理论时，发现固体中的杂质缺陷会导致X光漫散射，其强度集中在普通X光衍射斑点附近。这种漫散射后来被国际上一些科学家所证实和应用，成为直接有效地研究晶体微观缺陷的重要手段。他的这一发现被国际上称为“黄散射”。50年代，黄昆又做出了一些重要的发现。
8．原子分子物理学
　　原子分子物理学是研究有关原子分子结构、原子分子碰撞过程以及它们与光子相互作用规律的学科。在这个领域，中国物理学家在国内外都做过一些颇有成效的研究工作。
　　1921年，叶企孙在美国与W.杜安、H.H.帕尔默合作，用X射线法重新测定了普朗克常数h值，得到h=（6.556±0.009）×10-27尔格•秒。这是当时该常数最精确的值，被物理学界沿用达16年之久。吴有训（1879～1977）早年在美国以他精湛的实验技术、严密细致的工作和精辟的理论分析对康普顿效应的确证做出了杰出的贡献。1924年他与康普顿（A.H.Compton）联名发表了《经过轻元素散射后的钼Kα射线的波长》的论文，以实验验证了散射量子理论所预言的光谱位移的真实性。1925年，他又单独发表了《康普顿效应中变线与不变线间的能量分布》和《在康普顿效应中变线与不变线能量比》两篇论文，以雄辩的事实，无可置疑地证实了康普顿效应，并发展、丰富了康普顿的工作，使康普顿的发现很快得到国际物理学界的公认。1927年，康普顿则由于他的这一发现荣获诺贝尔物理奖。Compton和S.K.Allison在他们合著的《X-rays in Theory and Experiment》一书中，对吴有训的工作给予了很高的评价，全书共有19处引用了吴有训的成果。王守竞（1904～1984）是中国第一位研究量子力学并卓有成效的学者，1927～1928年间，他把新诞生的量子力学成功地运用于对原子分子的研究，最早用变分法求二级微扰计算类氢原子间的偶极矩-偶极矩相互作用，从而得到范德瓦耳斯（Van der waals）力作用能量的系数。 1928年他在计算类氢原子型IS波函数的基础上，在H2+的波函数中引进非线性参量，使其能量的计算值与实验值的差异从1.58eV降到0.96eV。这在当时是个重要贡献。他还计算过氢分子的转动能谱，研究过钠蒸气和汞原子碰撞的激发态。他以量子力学方法解决不对称陀螺的问题，即讨论了多原子分子非对称转动（三个主转动惯量矩均不相等）的情况，从而得到转动谱能级公式，后来被称之为“王氏公式”。该公式适用于H2O、C2H4等大量的常见多原子分子的计算。1929～1932年间，饶毓泰（1891～1968）在德国莱比锡大学进行关于Rb和Cs原子的倒Stark效应的研究，观察到这两个元素主线系的分裂和红移。这一成果对当时正在发展中的量子力学微扰理论提供了重要实验数据。30年代初期，吴大猷（1907～）在实验室制造出超铀元素以前，通过计算铀原子的5f电子能态，在理论上预言了铀原子可能为一组14个元素的起始，这14个元素依次把5f壳层填满，其情况与稀土元素依次填满4f壳层相同。之后，他进行了原子多重激发态的研究，他所预言的一些多重激态后来都得到实验的证实。40年代初期，他与苟清泉（1917～）等合作较早地对氦原子双激发能态进行计算，计算了慢电子与原子碰撞的散射截面，对原子碰撞理论提出了自己的理论模型和计算方法。他还对由分子或电子激发的分子振动、分子振动与转动的相互作用、分子简正振动等问题做了研究。1935年，褚圣麟（1905～）以高频火花产生阳射线的方法对高熔点金属、低熔点金属和矿物的离子进行研究，他获得的几乎所有离子都是原子性的，多数元素产生的离子带多重电荷；他还观察到离子从加速场通向分析场的过程中电荷的变化。他所做的实验表明，高频火花能够对几乎所有的元素产生强的多电荷离子源。卢鹤绂（1914～1997）在原子物理方面造诣较深。1937～1938年间，他在美国明尼苏达大学用自制的180度聚焦质谱仪研究热盐离子源的发射性能，发现了热离子源发射的同位素效应，并准确测定了锂和钾的同位素丰度比。他的测定为国际会议公认，并被选定为国际同位素表上的准确值，沿用达20年之久。1939～1941年间，他提出扇状磁场对入射带电离子聚焦作用的普适原理，并据此设计制造了新型60度聚焦高强度质谱仪，用以分离B10及B11同位素耙。赵广增（1902～ 1987）30年代末在美国Michigan大学从事电子与原子和分子的碰撞激发、原子和分子的激发和离化研究，做出了有相当水平的工作。洪朝生于1948年对在加速场和减速场二者作用下氧化物阴极的离子发射也做了很好的研究。苟清泉在50年代对原子结构理论、固体与稀固溶体理论、过渡金属间原子的结合力和能带理论都做过较好的研究。
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