01 / 导读
导读
引用
Thornton, S. T., Rex, A., & Hood, C. E. (2021). Modern Physics for Scientists and Engineers (5th ed.). Cengage Learning.
章节概要
第五版共16章。Cengage 把本书描述为采用现代而全面的方法、非常强调应用：书中讨论导致重要发现的实验，以便让学生获得历史视角，并为物理和工程专业的学生打下扎实的量子理论基础。出版社还说，全书的组织很灵活，可以按教师喜欢的顺序讲授各个主题。
第1章：现代物理学的诞生
共六节：1890年代的经典物理学、气体动理论、波与粒子、守恒律与基本力、物质的原子论，以及1895年尚未解决的问题和新的前景。
第2章：狭义相对论
十四节的长章：以太的表观必要性、迈克耳孙–莫雷实验、爱因斯坦的假设、洛伦兹变换、时间膨胀与长度收缩、速度的合成、实验验证、双生子佯谬、时空、多普勒效应、相对论动量与能量、现代物理中的计算，以及电磁学与相对论。
第3–5章：量子物理的实验基础；原子的结构；物质的波动性与量子力学 I
第3章依次讲X射线和电子的发现、线状光谱、黑体辐射、光电效应、X射线的产生、康普顿效应和对产生。第4章从汤姆孙模型和卢瑟福模型以及卢瑟福散射，讲到玻尔模型及其成败、特征X射线谱和原子的激发。第5章转向波动性质：X射线散射、德布罗意波、电子散射、波的运动、不确定性原理、概率与哥本哈根诠释，以及箱中粒子。
第6–8章：量子力学 II；氢原子；原子物理
第6章引入薛定谔方程、期望值、无限与有限方势阱、三维势阱、简谐振子，以及势垒与隧穿。第7章把方程应用于氢原子，讲其解、量子数、正常塞曼效应、内禀自旋，以及能级与电子概率。第8章讲原子结构与元素周期表、总角动量和反常塞曼效应。
第9–11章：统计物理；分子与固体；半导体理论与器件
第9章从历史概述开始，讲麦克斯韦速度分布和速率分布、能量均分定理、经典与量子统计，以及费米–狄拉克分布和玻色–爱因斯坦分布。第10章讲分子键合与光谱、受激辐射与激光、固体的结构、热学和磁学性质，以及超导电性及其应用。第11章讲能带理论、半导体理论与器件，以及纳米技术。
第12–14章：原子核；核相互作用与应用；粒子物理
第12章从中子的发现讲起，涉及核的性质、氘核、核力与稳定性、放射性衰变和放射性核素。第13章讲核反应、反应运动学与机制、裂变与裂变反应堆、聚变和特殊应用。第14章讲早期发现、基本相互作用、粒子分类、守恒律与对称性、夸克、物质的代、超出标准模型的物理，以及加速器。
第15–16章：现代天体物理与广义相对论；宇宙学：开端与终结
第15章讲恒星演化、星系与暗物质的发现、广义相对论的基本原理及其检验、黑洞和引力波。第16章讲大爆炸的证据与理论、其存在的问题、宇宙的年龄、标准宇宙学模型和未来。
核心概念
第1–5章：相对论与量子物理的基础
- 洛伦兹变换：不同惯性系中观测结果之间的关系。
- 时间膨胀与长度收缩：所测时间和长度的相对论性变化。
- 黑体辐射与光电效应：迫使人们承认光量子化的实验。
- 不确定性原理：对某些成对的量不能同时知晓的限度。
第6–11章：量子力学的应用
- 薛定谔方程：用于势阱、振子、势垒和氢原子的波动方程。
- 量子数与内禀自旋：描述氢原子状态的标记。
- 费米–狄拉克统计与玻色–爱因斯坦统计：全同量子粒子的分布。
- 能带理论：对固体和半导体的量子解释。
第12–16章：原子核、粒子、天体物理与宇宙学
- 裂变与聚变：两种释放能量的核过程，裂变反应堆另有专门讲述。
- 夸克与物质的代：粒子谱的结构。
- 广义相对论及其检验：作为弯曲时空的引力，以及黑洞和引力波。
- 大爆炸宇宙学：大爆炸的证据与标准宇宙学模型。
评析
优点
- 置于历史背景中的实验。 出版社强调每项发现背后的实验，目录也印证了这一点：第1、3、4章的各节在波动力学开始之前，都用于讲发现、光谱和散射实验。
- 持续搭建的量子基础。 薛定谔方程有独立的一章（第6章），其后是氢原子和原子物理，因此后面关于分子、固体和原子核的章节所依赖的量子力学是分阶段建立的。
- 覆盖面广而有条理。 16章中，半导体与纳米技术、核反应与应用、包含加速器的粒子物理，以及包含广义相对论和引力波的天体物理都有各自独立的章节。出版社说，顺序可以重新安排。
- 当前的主题。 第五版增加了 Carol Hood 为作者，据称已按最新研究更新，目录中包含引力波和超出标准模型的物理。
局限
- 量子力学来得较晚。 薛定谔方程到第6章才出现，前面是相对论、量子物理的实验基础、原子结构和物质波各章。想更早讲到它的教师，必须利用灵活顺序的选项向前跳读。
- 后面几章只有入门的深度。 核物理占两章，粒子物理一章，含广义相对论的天体物理一章，所以其中任何一个主题都需要后续课程。
- 原子物理一章较精简。 第8章只有三节（原子结构与元素周期表、总角动量、反常塞曼效应），而 Krane 的对应章节有七节，所以多电子原子及其应用讲得更简略。
在课程中的定位
这是一本二年级水平的现代物理教材，是本课程书单中的两本之一，另一本是 Krane 的 Modern Physics。两者涵盖的内容相近。Thornton、Rex 与 Hood 为半导体、粒子物理以及含广义相对论的天体物理分别设了独立章节，并把统计物理放在原子物理之后（第9章）；Krane 把统计物理放在分子之后，并把包括半导体在内的固体合为一章。在两者之间选择时，可以根据希望这些主题讲多长，以及能获得的版本形式来定。
OpenStax 的 University Physics Volume 3 是通向相对论和量子概念的免费且较轻松的途径，Taylor 与 Wheeler 的 Spacetime Physics 对狭义相对论的讲解比第2章更充分。若要在第15章之外继续学习广义相对论，Schutz 的 A First Course in General Relativity 是高年级本科的下一步，Carroll 的 Spacetime and Geometry 则是研究生阶段的下一步。
如何使用本书
本书面向学过使用微积分的入门物理和微积分的物理、工程专业二年级学生。Cengage 说明第五版仅以在线电子书的形式提供，并配有更新的 WebAssign 课程；请确认课程使用哪种形式。
整年的课程可以按章节顺序学习。一个学期的话，学习第1–8章（从相对论到原子物理），然后根据系里的侧重，从第9–11章（统计、分子、固体与半导体）和第12–16章（原子核、粒子、天体物理、宇宙学）中选择。第1章是对19世纪末物理学的回顾，可以快速读过。因为本书是由实验来建立量子理论的，所以在第5–7章之前先读讲实验的第3章和第4章，并用习题练习：WebAssign 课程为每一章列出了一般习题和补充的选择题。