第七章_量子理论发展史.ppt

海森堡的不确性原理 1927年海森堡又提出了“不确定性原理”又称“测不准原理”：即不能同时精确地测准一对共轭物理量，比如对一个粒子的位置测量准确，同时就得牺牲测量其动量的准确性。 玻尔的互补原理 1927年，玻尔对“不确定性原理”进行哲学概括，提出了“互补原理”。 量子力学和认识论问题 量子力学深化了人们对物理规律的认识。 经典物理学所追求的一个崇高理想，就是自然界将能由一系列的微分方程或偏微分方程组所描述，在给定的始值条件和边值条件下，人们将能描述和预测世界发展的一切细节。这导致一种机械决定论（mechanical determinism)。 法国数学家和天体物理学家拉普拉斯（Laplace，1749-1827 )曾认为：如果有一个智能生物能确定从最大天体到最轻原子运动的现时状态，就能按照力规律推算出整个宇宙的过去状态和未来状态，这就称为拉普拉斯式的决定论。 量子力学打破了严格决定论的思维定式 量子力学虽然是微观世界的基本特征－－“波粒二象性”的深刻反映和概括，但是这一“波粒二象性”的物理实质，并没有立刻弄清楚。 一个显然的事实是，量子力学中的粒子，并不是通常牛顿力学里所定义的粒子，因为它们不能同时具有确定的位置和动量。 量子力学中的波，又不等同于通常的牛顿力学中的机械振荡的波，如声波，因为这种“波包”又能扁缩为粒子。 量子规律是一种统计式的规律 1926年玻恩提出几率波（probability wave) 的概念。认为量子力学中的波函数描述粒子在空间上的概率分布，波函数模量的平方|?|2，给出粒子出现的几率。 也就是说，量子力学的方程式在形式上是决定论的，但是在物理的解释上却是概率论的，亦即量子规律是一种统计式的规律。（statistical regularity） 量子力学的发展 量子力学于1926年建立起完整理论体系后不久，又取得了两项重大进展， 一项是1928年狄拉克提出的电磁场中相对论性电子运动方程； 另一项是进展是量子场论的建立。 量子力学的建立，是继相对论之后对古典物理学的又一次严重的打击，它对物理学以至整个自然科学所产生的冲击比相对论更为猛烈。 相对论提供了新的时空观，量子力学则向人们提供了一种新的关于自然界的表述方法和思考方法。 量子力学创建的意义 量子力学成功地揭示了微观物理世界的基本规律，它的创立极大地加速了原子物理学和固态物理学的发展，为核物理学和基本粒子物理学准备了理论基础； 而且通过化学键理论为众多化学规律提供了物理理论基础，同时，对分子生物学的产生也产生了启迪作用，使生物学逐步出现新的面貌。 因此，量子力学可以说是20世纪最丰产的理论。 量子力学创建的意义 量子力学创建的意义 从量子力学建立以后的十几年中，是量子力学取得一系列辉煌成就的时代。 在原子物理学中，人们用量子力学解释了磁场和电场引起的谱线劈裂； 解释了强电场中的金属何以能拉出电子，而这在经典牛顿力学中是不可理解的现象（因为这涉及势垒穿透效应)； 解释了多电子原子体系的光谱，包括X射线的光谱； 解释了门捷列夫的化学元素周期律为什么会出现这种周期性。 量子力学在化学中的应用 量子力学的一个重要成就，是解释了化学亲和力。 原子是怎样粘接成多种多样形态的化合物的，这一直是化学家梦寐求解的难题。 在有了量子力学以后，就弄清楚了什么是离子键、共价键、氢键、金属键等等不同的形式。 由于量子力学的出现，就把化学还原为物理学的一个部门。 量子力学在固体领域的广泛应用 量子力学还被应用到固体领域，用它解释了铁磁体、铁电体等物质的电磁性质（电磁性：由运动电荷引起的磁性），也解释了为什么有些材料是绝缘体，有些是导体（导体：传导热、光、声或特别是电荷的物质或介质）。尤其重要的是，解释了为什么某些材料是半导体。（半导体：一种固态结晶物质，如锗或硅，其导电性强于绝缘体但弱于良导体） 而且根据量子力学，在这些半导体中，可以有电子导电、空穴导电等等区别，从而又提出半导体的二极管、三极管等等的观念。 后来又发展为集成线路。大规律集成线路的组合，成为现代电子计算机的技术基础。 可以说，没有量子力学，就没有以电脑控制占主导地位的现代化工业。 量子力学：认识由宏观深入到微观 量子力学也推动了原子核物理学的研究，整个原子核物理理论就是由质子和中子组成的量子力学体系。 总之，量子力学反映了人们对自然界的认识达到了一个新的阶段，即由宏观世界进入到微观世界。 1912年底，玻尔已返回丹麦，他仍在研究有核原子模型的稳定性问题。正在他日夜苦思之际，他在一位朋友汉森(H.M.Hansen)向他提到氢光谱的巴耳末公式，劝他认真考虑这个事实。 同时，斯塔克(J.Stark)的著作中有关价电子跃迁产生辐射的思想也对他有启发。 他把这些事情联系到了一起，突然头脑里出现了一个飞跃。 后来，玻