Modern Physics（近代物理）

引用

Krane, K. S. (2019). Modern Physics (4th ed.). Wiley.

章节概要

全书约590页，共15章，之后是五个附录（常数与换算因子、复数、元素周期表、原子质量表、现代物理学史上的里程碑）、奇数题答案和两个索引。每章都以“思考题（Questions）”和“习题（Problems）”结尾。出版社说明，每个主要概念都是先从历史角度提出，再借助实验证据从现代视角展开，使各章构成一条连贯的“故事线”。

第1章：经典物理学的若干缺陷

回顾经典物理学（样章涉及碰撞中的动量与能量、电磁学，以及热力学与分子动理论），然后指出它在哪些地方失效：经典的时空观念和经典的粒子统计，最后一节讨论理论、实验与定律的关系。本章含有例题和本章小结。

第2章：狭义相对论

从经典相对性和迈克耳孙–莫雷实验，到爱因斯坦的假设及其推论、洛伦兹变换、双生子佯谬、相对论动力学、相对论性衰变与碰撞中的守恒律，以及实验检验。

第3–4章：电磁辐射的粒子性；粒子的波动性

第3章讲光电效应、热辐射、康普顿效应和其他光子过程，以“粒子还是波”的问题结束。第4章则从反面提出这一问题：德布罗意假设及其实验证据、不确定关系、波包，以及概率与随机性。

第5章：薛定谔方程

波在边界处的行为、对粒子的束缚、方程本身及其应用、简谐振子，以及台阶与势垒。

第6–8章：卢瑟福–玻尔原子模型；波动力学中的氢原子；多电子原子

第6章依次讲散射实验、卢瑟福有核原子、线状光谱和玻尔模型，包括其不足。第7章从一维原子开始，进而讲角动量、氢原子波函数、概率密度、内禀自旋、塞曼效应和精细结构。第8章讲泡利不相容原理、电子态、屏蔽、元素的性质、X射线、角动量的合成和激光。

第9–11章：分子结构；统计物理；固体物理

第9章讲氢分子、共价键与离子键，以及分子的振动、转动和光谱。第10章展开统计分析、经典与量子统计、态密度、麦克斯韦–玻尔兹曼分布，以及玻色–爱因斯坦统计和费米–狄拉克统计的应用。第11章讲晶体结构、热容、金属中的电子、能带理论、超导电性、半导体及器件，以及磁性材料。

第12–13章：核结构与放射性；核反应及其应用

核的组成、大小、质量与结合能、核力、核内的量子态和放射性衰变（α、β、γ衰变与天然放射性）；然后是核反应、裂变、聚变、核合成和应用。

第14–15章：基本粒子；宇宙学：宇宙的起源与归宿

第14章讲四种基本力、粒子分类、守恒律、相互作用与衰变、介子和重子的夸克结构以及标准模型。第15章讲宇宙的膨胀、宇宙微波背景辐射、暗物质、广义相对论及其检验、恒星演化与黑洞、大爆炸宇宙学、原子核与原子的形成，以及实验宇宙学。

核心概念

第1–5章：经典物理的局限、相对论、量子基础

• 洛伦兹变换：不同惯性系中事件坐标之间的关系。
• 波粒二象性：辐射表现出粒子性，粒子表现出波动性。
• 不确定关系：同时了解共轭量时的限制。
• 薛定谔方程：支配粒子量子态的波动方程。

第6–11章：原子、分子、统计、固体

• 玻尔模型及其不足：第一个量子化的原子模型，以及波动力学取而代之的原因。
• 泡利不相容原理：塑造多电子原子和元素周期表的规则。
• 量子统计：玻色–爱因斯坦分布和费米–狄拉克分布及其应用。
• 能带理论：对金属、绝缘体和半导体的解释。

第12–15章：原子核、粒子、宇宙学

• 结合能：把原子核维系在一起的能量。
• 标准模型：关于粒子及其相互作用的夸克与轻子图景。
• 大爆炸宇宙学：以膨胀、微波背景和核合成对宇宙所作的描述。

评析

优点

• 历史与实验的动机。 出版社强调概念先从历史角度、再借助实验结果展开，样章也从引发现代物理学的实验和失败写起。附录E汇集了该领域历史上的里程碑。
• 一册教材覆盖面广。 15章从相对论和量子论，经过原子、分子、统计物理、固体、原子核和粒子，一直到宇宙学，所以一本书既可用于整年的课程，也可以裁剪成一个学期。
• 第四版的更新。 出版社列出了关于引力波、相对论和希格斯玻色子的新实验结果，更新了中微子质量、微波背景研究、暗物质与暗能量的内容，还有新的和修订过的例题、练习和章末习题。
• 练习材料。 每章以思考题和习题结尾，样章中有例题，奇数题的答案印在书末。

局限

• 广度胜过深度。 约590页容纳15个主题，薛定谔方程在第7章引出原子之前只有一章，而广义相对论在最后一章里只占一个七页的小节（15.4）和四页的检验内容（15.5）。要继续学习专门课程的学生需要更完整的讲解。
• 数学方面的支持较少。 唯一的数学附录讲的是复数，所以其他工具必须来自先修课程，或在章节中引入。

在课程中的定位

在本课程书单中，Krane 是二年级水平的两本完整现代物理教材之一。Thornton、Rex 与 Hood 的 Modern Physics for Scientists and Engineers 用16章讲授大致相同的内容，并为半导体理论与器件、粒子物理、天体物理与广义相对论分别设有独立章节，而 Krane 把固体和半导体合为一章，把核物理分为两章。

OpenStax 的 University Physics Volume 3 是一本免费的、使用微积分的相对论与量子概念入门，适合想先轻松过一遍的学生。Taylor 与 Wheeler 的 Spacetime Physics 通过时空间隔来展开狭义相对论，讲解比 Krane 的一章详尽得多；Schutz 的 A First Course in General Relativity 和 Carroll 的 Spacetime and Geometry 分别是通向广义相对论的本科和研究生阶段的下一步，而 Krane 只是勾勒了轮廓。

如何使用本书

出版社把本书描述为适合二年级理工科本科生。书的开头先回顾经典物理（1.1节），并有一个关于复数的附录，所以使用微积分的入门物理课程是自然的准备。

两学期的课程可以按书中顺序学习。一个学期的话，学习第1–8章（相对论、波粒二象性、薛定谔方程和原子），然后根据系里的侧重，从第9–11章（分子、统计物理、固体）和第12–15章（原子核、粒子、宇宙学）中选择。第1章可以当作复习快速读过。在做习题之前，先用思考题检验对概念的理解，并用书末的答案核对奇数题。