[PDF]§4.2 分子的转动光谱
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§4.2 分子的转动光谱 eq. R 在转动过程中保持不变. 假设：. 1 : 两原子A, B可看作质点，其质量为. 2 ：原子间平衡距离 b a mm,. 设想分子绕质心C以角速度ω 作转动：.
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§4.2 分子的转动光谱 eq. R 在转动过程中保持不变. 假设：. 1 : 两原子A, B可看作质点，其质量为. 2 ：原子间平衡距离 b a mm,. 设想分子绕质心C以角速度ω 作转动：.[PDF]第四章双原子分子的振动和转动
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第四章双原子分子的振动和转动. §4-1 分子光谱概述. 1. 带状光谱. 对于原子而言，
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第四章双原子分子的振动和转动. §4-1 分子光谱概述. 1. 带状光谱. 对于原子而言，[DOC]分子-2
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由於分子的質量大，在放光時，可視為不變──如同原子光譜時。因此研究分子光譜時，只考慮三項能量：。分子光譜大別為三類：. 純轉動光譜（pure rotational ...远程通信技术质子”与中子一起位于原子的中心,带正电荷,用 ...
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演讲人：李政道
讲师简介：中国科学院外籍院士，物理学家。美国哥伦比亚大学物理系教授、美国科学院院士、中国高等科学技术中心主任，浙江近代物理中心主任。
内容简介：近代的物理，它有三个相当重要的对称，一个是左右对称；一个是正反粒子，正粒子变成反粒子；一个是时间反演，过去、将来的对称。主讲人从对称与不对称出发，讲述物理学研究的成果，论述了二十一世纪的物理发展是整体统一，是要把微观的基本理论跟宏观的真空态一块研究，物理跟生物跟其他科学要平行发展。
全文：
近代的物理，它有三个相当重要的对称，一个是左右对称，就是通常也可以叫宇称守恒跟不守恒，一个是正反粒子，正粒子变成反粒子，一个是时间反演，过去、将来的对称，这三个是跟自然界，整个宇宙的演变有极为极为密切的关系，跟我们的存在有极为密切的关系。
我第一步就先讲左右对称，当然大家都知道左并不是右，左跟右当然不一样，可是左右是不是对称这句话是什么意思，你看左右不一样，它的字就不一样的，它的字就不一样，左是这样写的，右是这样写的，在几年以前我去西安博物馆，看到它的竹简文，它竹简文里面这个右字，不是像我们这样写这个右字，它是左字的反过来，它的右字是这样一个右字，所以，我看了很有启发，启发呢，我就写了四句，说汉代右字，这是汉朝时候的右字，右字以镜中左字,在汉朝这个右字是镜子里面的左字，今日反而写为右字，这是现在的右字，所以左右两字不对称，汉朝时是对称的，宇称守恒也不准，所以汉朝的时候，左右是对称的。
我们现在是不对称了，不对称是什么意思，就是开头的时候，左右完全一样，以后除了左右都不一样，而且我们可以算出来怎么不一样，另外一个有关的，就是π介子，嬗变以后，这也是1957年，加温跟莱德曼他们做的，它嬗变到电子，负电子跟正电子，不光是左右不一样，他也发现正粒子跟反粒子，你不变左右，就把正粒子反粒子一变，也不一样，这样的我们叫正粒子反粒子不对称，我们叫C不对称，再进一步还有一个不对称，它里面有三道不对称，一个
是左右，另一个是正粒子反粒子不对称，第三个是时间，将来跟过去不对称，这三个是联起来的。
这个重要的实验是1964年做的，所以我们先讲讲正粒子和反粒子，普通的概念是电子的电荷是负的，也是我们的问题，电子的电荷为什么是负的呢？人家说这样，因为质子也有电，它的电子电荷是正的，因为电荷相反的相吸，所以负电子跟质子的正电荷相吸，所以成为一个原子，既然质子的电荷是正的，所以电子的电荷就是负的，那么你可以说，质子的电荷为什么是正的呢？到底是因为电子的电荷是负的，它要相吸，就是说本来在1957年以前或者1956年以
前，电子是正的跟负的，正电子当然不是负电子，哪个是正电子，哪个是负电子，是相对的一个概念，就跟左右一样，左不是右，可它是对称的，这个呢，我们发现并不是，不光是把正电子变成负电子，正电子变成负电子，左变右，它也不对称，这是一个非常重要的。
这个实验是1964年做的，Crmide和Fich两个人都得诺贝尔奖了，他是把我们叫做长寿的K，K，你不需要太深了解，它是个圆圆的一个粒子，它没有电荷的，它有个寿命，不光是它没有电荷，在它任何一点，它没有任何的电流，这个你可以证明出来，所以完全电性是中性的，这样一个它衰变以后呢，它可以衰变到电子，也可以衰变到正电子地也可以衰变到负电子，两个都有的，但是知道它本身是没有电的这个思想的，你觉得它应该到正电子的数目到负电子的数目应该是一样，因为它本身是没有电流的思想在里面，这个量出来，不然，它到正电子，数目字比到负电子数目字多了千分之六，多了一点，就是说在这个我们叫K，就是中性的长寿的K介子，完全跟电子没有一点关系的，它死的时候，它的下一代，负的跟正的不一样，这个规律是相当惊人的，那么这个规律是在1964年这个规律我们就叫，它不光是C，C就是粒子跟反粒子，我们叫CP，正粒子，反粒子，左变右，还不一样，叫C
所以我再重复一下，它有三个基本的对称是很重要的，一个叫P，P呢Parity宇称，就是左右，什么叫左右不对称，左右当然不一样，左右不对称是什么意思？有两个组织，从开始时完全一样，就是左跟右不一样，在发展是，不光左不一样，其他也不一样，而且这个不一样我们可以操纵的，正负电子部对称，什么意思，正电子负电子当然不对称了，不过呢，你可以想，一个正电子跟负电子其他就是正负符号不一样，假如，我们叫我们可以想象有一个物质是反物质，是正电子代替了我们现在的负电子，这是反，这是正，那么它可以做个反氢，也可以做个世界了，不然它是不一样，这个我们叫C，就把正粒子变成反粒子，它不对称，不对称的意思是不光是这个不一样，以后发展其他也不一样，CP，CP把正粒子变成反粒子，左变右，也不一样，叫CP不守恒，T把时间，将来跟过去大家可以说，将来跟过去当然不一样了，有什么稀奇，这个我来，等会儿解释，可是，假如你把左变右，右变左，正粒子变成反粒子，将来变成过去，过去变成将来，又对称起来了，这个准确度是相当惊人的。
二十世纪的物理发展是简化归纳，因为我们怎么会叫简化归纳二十世纪，我们说大物质是小的物质做的，小的物质是更小的物质做的，我把最小的找着,我就了解最大的，这个很简单，这个方向从汤姆逊在十九世纪末年，发现电子,卢瑟福发现核子，这个里面是大发展，一直到现在，我们有很精密的仪器，科学设备，有精密的理论，相对论，量子力学，这就是创造了整个二十世纪的物理发展，就是越小越好，把这个物质大的小的，你把小的找着了，你就整个解决掉了。
这个成功我等会把这个成功再重复一下，在二十世纪中叶就影响生物科学生物是宏观的，克利克，他是念物理的，他说我们要把生物也同样做，结果他就发现DNA，后来就是基因，也是觉得越小越好，就是现在的生物的大成功，也是跟了简化归纳，可是这个方向，在二十一世纪是另外一个方向，这是二十世纪的，也可以说是经典的一个方向，不过这个方向非常成功，它一个科学研究，我们总要知道一点，它跟浪头一样，一个浪一个浪地涌过去，当一个浪最高的地方，事实上是以后就下来了，所以你不能看人家这个浪在哪最高，然后你跑过去，它根本是人家另外一个浪过来了，所以这是一个一个，我们叫wave（波浪）出来的，这是二十世纪的，可是二十世纪很成功，它成功，刚才已经讲了，1900年到1925年建立相对论跟量子力学，紧跟着就是二十世纪科学问题，原子构造，分子结构，核能、激光、半导体、超导体、超计算机，然后我们找到所有的核子、介子，它实际上所有我们知道的物质，是由12种基本粒子组成,这是很厉害的，这个12种基本粒子叫夸克跟轻子两种，每个六样，夸克，六个夸克，上、下、奇、粲、顶、底，核子也是它这个做的，种子也是它做的，铀也是它做的，碳也是它做的，他说这六个是基本的，还有六个轻子，电子，u介子，t介子，电子中微子，u中微子跟t中微子，这个12个就组成我们所有我们了解的物质，这是二十世纪一个极大极大的贡献。
质子、中子、核子不是重要的，它重要的是夸克，所有的作用，电作用，磁作用、弱作用，强作用，电磁作用一共就变成三大作用，强作用就是核子怎么做的，把夸克怎么联起来的，电磁作用，电弱作用，就是弱的β衰变，跟电，跟磁联在一块的，跟引力场，就是爱因斯坦理论就这三个大作用，我们把所有的我们了解的宇宙就是12种粒子，三个大的作用，这是很成功，可是不然，它有问题，试想想，二十世纪初十九世纪末，有两个大谜，我们要看将来不是要看我们的成功，是要问我们有什么是大的问题，那才会找到二十一世纪怎么发展，我认为二十一世纪有四个大问题，这四个大问题是什么呢？四个大问题是，我们这个三大作用的理论都是对称的，刚才讲了很多不对称，不过这个理论都是对称的，可是实验结果不对称，那你说这个问题是显然这个回答很简单了，把理论物理学都赶掉就完了，因为这显然不合理，不然，理论对称实验不对称有密切关系，这是现在的大谜，所有的基本粒子，12种，一般看不见，所有的夸克，单独都看不见，这也是一个大谜，90％以上的全宇宙物质不是我们的物质，是暗物质，我们是少数，有类星体，现在大概至少有100多万个，每个类星体的能量是太阳能量的10的15次方到16次方大，一个太阳能量核能跟煤的这个能就差了几万倍，十万倍，这是10的15次方，这远远远远超过了太阳能，不是我们知道的能力，这四个问题就是二十一世纪我们要进攻的问题。
为什么理论对称，而实验不对称，为什么一般这个基本粒子我们单独不能看见，为什么绝大部分的物质是暗物质，为什么有类星体这种能量存在，那么这个里边，这两个，我只能告诉各位，暗物质的证明在哪，类星体的证明在哪，解还没有解出来，不过我们有一个可能解，然后我们再讨论，现在可能解的方面，我先把这四个大问题列出来，这四个大问题，你可能可以想这个可能还可以理解，另外两个显然是很奇怪的了，就是说为什么对称跟不对称有什么关系？一般的基本粒子为什么看不见，暗物质从哪来的，类星体从哪来的，我们就先讲一下大体的我们的想法，理论对称实验不对称，它就跟宇宙开始大爆炸是对称，我们现在宇宙不对称，有密切关系，这个对称跟不对称，是一而二,二而一的事情，这是第一点。
基本粒子一般看不见的道理是我们的真空在变，真空把夸克给禁闭起来，所以我们要改造真空，暗物质怎么来我们不知道，不过我们知道在宇宙大爆炸刚开始时，我们好像很了解，我要给你们一个了解，所以我们想制造近于宇宙开始大爆炸的情况，看到底这个是怎么出来的，也要看看到底类星体怎么出来的，所以我们基本的方法就是说，要制造跟宇宙大爆炸很相近的情况，在实验室，然后跟踪去，看它怎么发展，所以我现在先讲一下，就是对称跟不对称的关系，就是夸克为什么看不见，然后讲暗物质的证明是什么，然后讲类星体的证明是什么，然后讲我们有什么方法，当然还有这个二十一世纪的发展，我觉得是可能跟二十世纪是同样有很大的发展，怎么发展，当然我并不知道，所以我觉得做这个研究是很有意思的。
所以现在就开展讲这个对称跟不对称，为什么要相信对称，我们生活的世界，是充满着不对称，那我现在第一步就讲这个道理，我觉得是最高的对称性就是最多的不对称可能性，我现在举个例子，所以请各位稍微有点耐心，这个叫弯曲，怎么样弯曲呢，我身上带了一根杆子，这个杆子假如你加力在两边，它就缩下去，可是我的力加得忽然很快，它就弯了，这一点是不是大家很清楚,一根杆子，假如杆子力加得很快，它就要弯的，这个问题早在200多年前就解决,是欧拉解的，他说这个F等于力，假如F大于一个值的时候，这个弹性常数，转动惯性，杆的长度有关系，根据这个公式，它就弯了，我们并不要去证明欧拉这个定理，不过我要给各位看一下，你把这个杆子，这个杆子你拿来，假如你看它的截面，它截面可能是圆的，也可能是长方形的，也可能是最后这样弯的，圆的当然非常对称，各个方向都一样，是不是，长方形呢，它只有两个方向，一个沿着长方形，向一边，向另外一边，弯的是什么对称性都没有，假如圆的话，你看，我可以压坏，它可以这样弯，也可以这样弯，也可以这样弯，是不是很清楚，所以圆的呢，它是最对称，可是，不对称弯的时候，可能性是无穷大的，这是不是很清楚，假如这个截面是圆的话，力加大，它可以这样弯，也可以这样弯，这样弯，所以最对称方向，它有最多的无穷多的不对称的弯曲，假如它是长方形，就是一个不太好的长方形，那么我一压它可以这样变，可以这样变，可是这样不会的，这个对称性小了，随着小了，不对称的可能性也小了，就是说，本来原始常态的对称性越大，将来变成不对称的可能性也就越多，这是把对称跟不对称演变得出来的，所以这是我们要用这个例子就是说我们当初宇宙开始大爆炸时是绝对对称的，因为它绝对对称，所以我们可以说，以后很不对称，就联起来了，所以这是第一点。
所以第二呢，我就把它总结一下，圆截面是具有最高的对称性，这是圆截面，因为它具有最高的对称性，所以它不对称的可能性是有很多很多，所以最高的对称性跟最多的不对称的可能性是相联的，这个长方形的没有这么多大的对称性，所以它的不对称也只有两个方向，是把对称跟不对称在它的运用的这边把它表达出来，第二个，假如说我们开始是绝对对称，我们现在不对称，我们怎么知道本来的情况是对称呢？这电就比较困难一点，就是本来是对称，是圆截面，现在不对称，已经变在这了，你怎么知道你切一刀，不准切，你怎么能推出来，它是这样，假如说它原来是圆的，它可以这样弯，像弯度一样的话,它的能量是一样的，因为它是对称的，所以可以从这个位置搬到这个位置，再动一点，不需要有什么激发能力它会动的，这个观点比较困难一点，这个就是现在我们要激发真空做这件事情。
所以我再重讲一面，假如它本来是圆截面，有无穷多的可以弯，这些无穷多的弯实际上有关系的，因为它圆截面，你可以稍微动一点，就可以从一个弯的角度可以弯到这去了，从这到这，它的能量是不需要的，所以你就是在这不对称的位置你可以激发，用激发的方法你可以试验出它当初是怎么样，这个观念是一个很重要的观念，通过不同不对称弯曲的方向，使这个不同的是有转动的联起来，不需要能量的激发，这个我们叫Goldstone－Nambu玻色子，这个玻色子我们实验可以做，在粒子物理里面，这个弯曲的杆就是物质的真空，在宇宙开始大爆炸的时候是对称的，我们认为因为物理的真空在变，所以现在的真空态对CP也好，对C也好是不对称的，这个不对称的真空也可以夸克禁锢起来。
所以我们第一步呢，是要把真空要改革，我们是有电子跟核子构成的，现在的宇宙是CP不对称的，因为这个不对称，我们才存在，假如对称我们就不会存在，为什么呢？假如对称的话，我们是负电子，质子做的，假如另外有一个是反物质，那这个物质跟反物质消灭掉了，变成能量了我们就不可能存在了，我们所以存在，就因为它没有反物质在我们旁边，假如有反物质存在，我们实验室很少数的，有控制的，所以我们认为从宇宙开始，它实际上就是一个能量在放大，可是它这个真空态从宇宙开始到我们现在不一样，那么真空怎么能变，什么是真空？真空是没有物质的态，可是力可以走得过，怎么呢？地球跟太阳之间很接近真空，地心引力显然走过去了，要不地球不会绕着太阳转，星云跟星云之间这是更接近真空，不过星云之间现在我们也可以算出它的吸力，所以力场是走得过的，力场走得过，万有引力走得过，强作用走得过，电弱作用走得过，有作用可以走得过，它就有涨落，所以真否有涨落，它不是以太它是和相对论性的，真空会因为它有很复杂的构造，有力走得过，虽然没有物质可以相变，可以禁闭夸克，可以把CP不守恒。
然后呢，我解释怎么去改造真空，我们现在研究很大的目标就要改造真空，在这个之前我再介绍一下除了一个是对称不对称是一个谜，夸克禁闭这是另外一个谜，我再要解释，暗物质跟类星体，暗物质的证明在哪呢，随便一个星云拿来，一个星云，你看得见，用眼睛看，光也可以，量它的辐射也可以，Y光，X光，不管哪种它都是一个星云都有个范围，普通相当于一千光年左右，你在这个星云外面，它总还有些，偶尔还有些比如一颗星了，但是在之间，这个星云它有地心引力在吸它，底地心吸力在吸它，假如像我现在地心吸力这样把它吸过来，它有东西呢，它就要转，像小时候，拿根绳子这样转，它转的速度跟吸力是有关的，实际上是转的速度的平方就跟吸力成正比，就是离心力了，所以量一个离开星云在这，这个幸运外面的一个灰尘也好，一个星也好，它的转动速度你可以量出，它受多少地心吸力，这一下在最近两次已经是几千个星云是我们银河系也可以，发现银河系在这，你到外面去，离开的距离差不多要十倍,它速度转的速度不下来，这就是你看，这是到这为止。
请看下面一个星云，在我的有箭头的地方，这个上面坐标是速度，这是这个速度，这个速度，它不下来，看见没有，这是一个非常重要的一个事情，这是从这个红的底下的，就是这个红的底下的英文叫Luminous
再后面一个，这是另外一个星云，这上面也是速度，这也是距离，它差不多是到的是在20的地方，是这个星云的位置，这个速度向上的，再请看另外一个，它这个星云这儿，可是在星云外面，这是速度，它的速度反而变高了，跟刚才的NGC（3192）一样的，再请看下面，每一个都这样，这是速度这是距离,差不多20，差不多一个星云的大小，它都不下来，没有一个例外，所有我们知道的星云，每一个都是这样，这就是什么意思，就是说，每一个速度都不下来,不下来甚至你看得见你用眼睛看也好，用X光也好，它还有东西在吸它，因此说，90％以上绝对的物质我们只能感受到地心吸力，不是我们的电子做的，也不是我们的反电子做的，也不是我们的核子做的，我们不知道是什么，这是宇宙的绝大多数，就在我们银河系，所以这当然是很惊人的，我们就是说，我们是宇宙的少数，我这里叫90％以上的暗物质，有人就说99％，就是，我们是绝对的少数，这绝无问题的，而是到处都是暗物质，我们是少数，我们当然要了解它，咱们这个科学不能了解，你自己的音和星系，里面大部分的物质在哪里,所以我们这个方法，我们现在不了解，所以有一个方法，就是制造跟大爆炸很近似的时候，看物质到底怎么出来的，这是一个当代的一个大问题。
另外是类星体，1961年最早是发现两个类形体，这是其中之一，剑桥273，它的能量是相当于太阳能能量这是很大的，10的16次方的能量，我们可以定可以看这个相片，可以定出它大小就跟地球跟太阳这个距离之间，所以它很小的,不是个星云，它比整个一个星云，整个星云里面，10的12次方的星，它的能量比那个差不多还大了一万倍，这是什么星，现在有差不多100万个，1961年最早的那时发现两枚，这是其中之一枚，在1982年2月就是这枚，一天能量增加一倍,这是绝对惊人的，你觉得好像不大奖励，忽然就增加一倍，太阳能的10的16次方，这是什么呢？
再看另外一个，这是我们叫爱因斯坦十字架，它是什么呢？这个星我们照像，最完美的一个，这个类星体是这四个类星体实际上是一个，是离我们的距离有80亿光年远，在它的近似10倍的距离，是这个星云，是另外一个星云，所以这是个星云，这是个类星体，这个类星体比中间这个星云是距离又多了十倍,它光走过中间那个星云时，它弯，所以中间的就等于现在像照相机一样，那么这个弯是这样走这样子，刚好这张相片有四个像，这四个像实际上是一个我们所以叫它爱因斯坦十字架，爱因斯坦第一个提出相对论的，说光可以跟地心引力可以弯的，那么你这个地方你就可以看出来，这是中间吸的劲头，从这个劲头，你看这个类星体，距离差十倍，你看这光一点都不差，这是整个一个星云,这个类星体我们求出它的大小，是在地球到太阳距离之内，你用不着其他证据,你就知道它的能量了，它这样小的一个类星体它的能量可以，比这整个星云还大。
所以我们的宇宙是充满了不了解的挑战性的现象，不光是星云跟粒子物理，所以二十一世纪的物理发展是整体统一，是要把微观的基本里跟宏观的真空态一块研究，整体统一呢，我觉得是二十一世纪的发展，这个里面物理跟生物跟其他科学要平行发展，它为什么呢？因为精密计算，精密测算我们这套手法是跟生物的发展不一定完全一样的，他们当初DNA的发展，就是跟物理的研究方法一样，简化归纳出来的，整体统一也是要平行发展，那么各位就说，科学跟艺术有什么关系，我觉得这是很有关系的，艺术不管是诗歌，绘画、音乐是我们用新的方法唤起每个人的意识跟潜意识的情感。
我们念李白的诗：“床前明月光”，就是你念的心里的时候，心里实际上是有的，你念了以后觉得它讲的真好，正是你心里想的情感，所以就说，情感越珍贵，唤起越强烈，反响越普遍，艺术越优秀，它是跨社会背景的，跨中国,外国，过去将来，有人类就有情感，它越普遍，越唤起，唤起的创造性艺术越有价值，人类的情感是每个人都有的，科学呢？科学不管天文、物理、生物、化学，对自然界的现象进行新的准确的抽象，科学家抽象的叙述越简单，应用越广泛，科学创造也就越深刻。
自然界现在是，我们不在，自然界也在，可是这个抽象把它变成原理是我们做的，而我们把这个原理了解了，操纵了，我们也操纵宇宙了，所以呢，这个科学跟艺术它的共同基础呢，是人类的创造力，它追求的目的是真理的普遍性，它像一枚硬币的两面，是不可分割的，这是大家都很熟的《逍遥游》，这是庄子对宇宙的看法：“北冥有鱼，其名为鲲，化而为鸟，其名为鹏，鹏之大,不知其几千里也，其翼若垂天之云，背负青天，莫之夭阏”，庄子也挺有意思,他开头说的是鱼跟昆虫，后来是鸟，这跟我们进化论很象的，不过鹏之大，不知几千里也，鹏就等于整个宇宙，几千里对庄子来讲就是无穷大了，背负青天,莫之夭阏，没人可以抵达住，那么为了这个，刘巨德先生画了大鹏，这就是整个的宇宙，这就象征了宇宙开始的大爆炸，鹏的非就是宇宙开始的大爆炸，也象征了炎黄文化的过去跟将来。炎黄文化是有悠久的历史，就像宇宙开始大爆炸一样，会永远扩大，发展，勇往直前，谢谢大家
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