-量子力学的提出-节课.ppt

引子： 什么是量子力学？ 1）我朝老和山投一粒石子，老和山另一边的人被石子击中（粒子是波，有“量子隧道效应”） 2）崂山道士，穿墙而过（我们都是波，都有 “量子隧道效应” ，只是隧穿几率太小而已） 3）海森堡墓志铭：他躺在这里，却在那里（海森堡“位置－动量测不准原理”） 4）在经典世界中，一女嫁二夫，犯重婚罪。但在量子世界中，王家闺女要想同时嫁给张家傻儿与李家痴子，却是合法的（“态叠加原理”） 5）经典计算机数字位（比特）不是0，就是1，数字位不可能是0和1的叠加态，但量子计算机可以（ “态叠加原理” ） 6）我们不看月亮时，月亮还在那里吗？不一定在那里（ “波函数塌缩” ） 7）真空不空，具有无穷大的能量密度，我们感觉不到（好比空气），但可以测量到，如利用各向异性材料或改变腔场边界条件（“量子真空零点涨落能”） 8）我之所以站在讲台上而没有跃出窗外（散射态），因为我是一个驻波（束缚态） 9）电子穿过双缝，在屏上形成干涉条纹。但电子到底穿过了哪条缝？同时穿过了两条纹？这不符合粒子性。我用光子去测试，一旦我测到电子通过了其中一条纹，屏上干涉条纹当即消失 10）我们以前在高中学过的牛顿定律全部不再成立（量子力学是对经典牛顿力学的颠覆。牛顿力学只是量子力学的宏观近似而已） 理论与研究对象：牛顿力学（研究宏观低速现象，如天体运动） 相对论（研究宏观高速现象，如接近光速的物体运动）量子力学（研究微观低速现象，如原子结构、固体结构） 量子场论（研究微观高速现象，如微观粒子的相互转化、氢原子的超精细结构）注：量子力学在半导体与原子核结构方面的研究为第三次工业革命打下了基础（一个合格中学生应该能回答的）思考题：什么是第三次工业革命？发生时间？ 答案：以计算机、核能的应用与空间技术的发展为标志，二战之后 爱因斯坦（1879.03.14－1955.04.18）上一千年的第一伟人 * 第一章 量子力学的诞生 §1 经典物理学的困难 §2 量子论的诞生 §3 实物粒子的波粒二象性 §1 经典物理学的困难 (一）经典物理学的成功 19世纪末，物理学理论在当时看来已经发展到相当完善的阶段。主要表现在以下两个方面： (1) 应用牛顿方程成功地讨论了从天体到地上各种尺度的力学客体的运动，将其用于分子运动上，气体分子运动论，取得有益的结果。1897年汤姆森发现了电子，这个发现表明电子的行为类似于一个牛顿粒子。 (2) 光的波动性在1803年由杨的双缝干涉实验有力揭示出来，麦克斯韦在1864年发现的光和电磁现象之间的联系把光的波动性置于更加坚实的基础之上。 1900年之前的辉煌： 牛顿力学（17世纪）统一了天上人间（在意识形态中驱除了“上帝”这一不必要的概念）； 热力学与统计物理统一了热与能，解释了热的本质与分子的微观运动（爆发了第一次工业革命—--蒸汽革命）； Maxwell电磁理论（1865）统一了光、电、磁（爆发了第二次工业革命—--电力革命）。 （二）经典物理学的困难 但是所有经典信念与辉煌，在进入20世纪以后，受到了冲击。经典理论在解释一些新的实验结果上遇到了严重的困难。 （1）黑体辐射问题 （2）光电效应 （3）氢原子光谱 黑体：能吸收射到其上的全部辐 射的物体，这种物体就 称为绝对黑体，简称黑体。 黑体辐射：由这样的空腔小孔发 出的辐射就称为黑体辐射。 一个封闭灶膛内的空间，给我们以“黑体”的印象。 实验发现： 辐射热平衡状态: 处于某一温度 T 下的腔壁，单位面积所发射出的辐射能量和它所吸收的辐射能量相等时，辐射达到热平衡状态。 热平衡时，空腔辐射的能量密度，与辐射的波长的分布曲线，其形状和位置只与黑体的绝对温度 T 有关而与黑体的形状和材料无关。 能量密度 ? (104 cm) 0 5 10 （1） Wien 公式 Wien 线 能量密度 ? (104 cm) 0 5 10 Wien （维恩）公式在短波部分与实验还相符合，长波部分则明显不一致。 Wien（维恩）从热力学出发加上一些特殊的假设，得到一个黑体辐射能量密度分布公式: 还有一个Rayleigh-Jeans（瑞利－金斯）公式, 在长波部分与实验一致，在短波部分与实验偏离： （2）光电效应 光照射到金属上，有电子从金属上逸出的现象。这种电子称之为光电子。实验发现光电效应有两个突出的特点： 1.临界频率v0 只有当光的频率大于某一定值v0 时，才有光电子发射出来。若光频率小于该值时，则不论光强度多大，照射时间多长，都没有电子产生。光的这一频率v0称为临界频率。 2.电子的能量只是与光的频率有关，与光强无关，光强只决定电子数目的多少。光电效应的这些规律是经