Modern Physics for Scientists and Engineers（理工近代物理）

引用

Thornton, S. T., Rex, A., & Hood, C. E. (2021). Modern Physics for Scientists and Engineers (5th ed.). Cengage Learning.

章節概要

第五版共16章。Cengage 把本書描述為採用現代而全面的方法、非常強調應用：書中討論導致重要發現的實驗，以便讓學生獲得歷史視角，並為物理和工程科系的學生打下紮實的量子理論基礎。出版社還說，全書的組織很靈活，可以依教師喜歡的順序講授各個主題。

第1章：現代物理學的誕生

共六節：1890年代的古典物理學、氣體動力論、波與粒子、守恆律與基本力、物質的原子論，以及1895年尚未解決的問題和新的前景。

第2章：狹義相對論

十四節的長章：乙太的表觀必要性、邁克生–莫雷實驗、愛因斯坦的假設、勞侖茲變換、時間膨脹與長度收縮、速度的合成、實驗驗證、雙生子悖論、時空、都卜勒效應、相對論動量與能量、現代物理中的計算，以及電磁學與相對論。

第3–5章：量子物理的實驗基礎；原子的結構；物質的波動性與量子力學 I

第3章依序談X射線和電子的發現、線狀光譜、黑體輻射、光電效應、X射線的產生、康普頓效應和成對產生。第4章從湯姆森模型和拉塞福模型以及拉塞福散射，談到波耳模型及其成敗、特徵X射線譜和原子的激發。第5章轉向波動性質：X射線散射、德布羅意波、電子散射、波的運動、測不準原理、機率與哥本哈根詮釋，以及箱中粒子。

第6–8章：量子力學 II；氫原子；原子物理

第6章引入薛丁格方程、期望值、無限與有限方形位井、三維位井、簡諧振子，以及位障與穿隧。第7章把方程應用於氫原子，談其解、量子數、正常季曼效應、內稟自旋，以及能階與電子機率。第8章談原子結構與元素週期表、總角動量和反常季曼效應。

第9–11章：統計物理；分子與固體；半導體理論與元件

第9章從歷史概述開始，談馬克士威速度分布和速率分布、能量均分定理、古典與量子統計，以及費米–狄拉克分布和玻色–愛因斯坦分布。第10章談分子鍵結與光譜、受激輻射與雷射、固體的結構、熱學和磁學性質，以及超導電性及其應用。第11章談能帶理論、半導體理論與元件，以及奈米技術。

第12–14章：原子核；核交互作用與應用；粒子物理

第12章從中子的發現談起，涉及核的性質、氘核、核力與穩定性、放射性衰變和放射性核種。第13章談核反應、反應運動學與機制、核分裂與核反應爐、核融合和特殊應用。第14章談早期發現、基本交互作用、粒子分類、守恆律與對稱性、夸克、物質的世代、超出標準模型的物理，以及加速器。

第15–16章：現代天文物理與廣義相對論；宇宙學：開端與終結

第15章談恆星演化、星系與暗物質的發現、廣義相對論的基本原理及其檢驗、黑洞和重力波。第16章談大霹靂的證據與理論、其存在的問題、宇宙的年齡、標準宇宙學模型和未來。

核心概念

第1–5章：相對論與量子物理的基礎

• 勞侖茲變換：不同慣性系中觀測結果之間的關係。
• 時間膨脹與長度收縮：所測時間和長度的相對論性變化。
• 黑體輻射與光電效應：迫使人們承認光量子化的實驗。
• 測不準原理：對某些成對的量不能同時知曉的限度。

第6–11章：量子力學的應用

• 薛丁格方程：用於位井、振子、位障和氫原子的波動方程。
• 量子數與內稟自旋：描述氫原子狀態的標記。
• 費米–狄拉克統計與玻色–愛因斯坦統計：全同量子粒子的分布。
• 能帶理論：對固體和半導體的量子解釋。

第12–16章：原子核、粒子、天文物理與宇宙學

• 核分裂與核融合：兩種釋放能量的核過程，核反應爐另有專門講述。
• 夸克與物質的世代：粒子譜的結構。
• 廣義相對論及其檢驗：作為彎曲時空的重力，以及黑洞和重力波。
• 大霹靂宇宙學：大霹靂的證據與標準宇宙學模型。

評析

優點

• 置於歷史背景中的實驗。 出版社強調每項發現背後的實驗，目錄也印證了這一點：第1、3、4章的各節在波動力學開始之前，都用於談發現、光譜和散射實驗。
• 持續搭建的量子基礎。 薛丁格方程有獨立的一章（第6章），其後是氫原子和原子物理，因此後面關於分子、固態和原子核的章節所依賴的量子力學是分階段建立的。
• 涵蓋面廣而有條理。 16章中，半導體與奈米技術、核反應與應用、包含加速器的粒子物理，以及包含廣義相對論和重力波的天文物理都有各自獨立的章節。出版社說，順序可以重新安排。
• 當前的主題。 第五版增加了 Carol Hood 為作者，據稱已按最新研究更新，目錄中包含重力波和超出標準模型的物理。

局限

• 量子力學來得較晚。 薛丁格方程到第6章才出現，前面是相對論、量子物理的實驗基礎、原子結構和物質波各章。想更早談到它的教師，必須利用靈活順序的選項向前跳讀。
• 後面幾章只有入門的深度。 核物理占兩章，粒子物理一章，含廣義相對論的天文物理一章，所以其中任何一個主題都需要後續課程。
• 原子物理一章較精簡。 第8章只有三節（原子結構與元素週期表、總角動量、反常季曼效應），而 Krane 的對應章節有七節，所以多電子原子及其應用談得更簡略。

在課程中的定位

這是一本二年級程度的近代物理教材，是本課程書單中的兩本之一，另一本是 Krane 的 Modern Physics。兩者涵蓋的內容相近。Thornton、Rex 與 Hood 為半導體、粒子物理以及含廣義相對論的天文物理分別設了獨立章節，並把統計物理放在原子物理之後（第9章）；Krane 把統計物理放在分子之後，並把包括半導體在內的固態合為一章。在兩者之間選擇時，可以依據希望這些主題談多長，以及能取得的版本形式來定。

OpenStax 的 University Physics Volume 3 是通向相對論和量子概念的免費且較輕鬆的途徑，Taylor 與 Wheeler 的 Spacetime Physics 對狹義相對論的講解比第2章更充分。若要在第15章之外繼續學習廣義相對論，Schutz 的 A First Course in General Relativity 是高年級大學部的下一步，Carroll 的 Spacetime and Geometry 則是研究所階段的下一步。

如何使用本書

本書面向修過使用微積分的入門物理和微積分的物理、工程科系二年級學生。Cengage 說明第五版僅以線上電子書的形式提供，並配有更新的 WebAssign 課程；請確認課程使用哪種形式。

整年的課程可以依章節順序學習。一個學期的話，學習第1–8章（從相對論到原子物理），然後根據系上的側重，從第9–11章（統計、分子、固態與半導體）和第12–16章（原子核、粒子、天文物理、宇宙學）中選擇。第1章是對19世紀末物理學的回顧，可以快速讀過。因為本書是由實驗來建立量子理論的，所以在第5–7章之前先讀談實驗的第3章和第4章，並用習題練習：WebAssign 課程為每一章列出了一般習題和補充的選擇題。