第8节 量子力学基础10.ppt

概 述 什么是量子力学？ 量子力学是如何建立的？ 量子力学可以解决什么问题？ 参考书：曹天元 《上帝掷骰子吗?-量子力学史话 》 O413.1 K67 喀兴林 著《量子力学与原子世界》 量子力学及其建立过程 量子力学是研究微观粒子（如原子、分子和电子等）运动规律的学科。 量子力学的建立： 经典物理学(1900年以前的物理学) 旧量子论 量子力学 量子力学诞生的实验基础 黑体： 能够吸收各种波长电磁辐射的物体。加热时能够最大程度地辐射各种波长的电磁波。 例如：绝热、开有一个小孔的金属空腔。 普朗克假定 1900年，普朗克(Planck M)认为：黑体中原子和分子辐射能量时做简谐振动, 谐振子能量是不连续的, 只能取某一最小能量单位的整数倍的数值——普朗克假定 ? =n?0，?0= h?（n＝0,1,2,…) 由Planck假定推导出单位时间，单位表面积上辐射的能量为: 这与黑体辐射实验结果完全相符。 Planck假定是历史性的突破，从此建立起能量量子化的概念；荣获1918年诺贝尔物理学奖。 2. 光电效应 光照射到金属表面，能激发出电子, 称光电子，这种现象称为光电效应； 3.氢原子光谱 1911年，英国物理学家卢瑟福提出了原子“行星”模型，认为原子是由电子绕核运动构成的； 1913年，波尔根据Planck的量子论、Einstein的光子学说和上面的原子模型，建立了玻尔原子理论——原子的能量也是量子化的。 波尔理论及结果 从1900年普朗克的量子假设到1924年间发展起来的量子论称为旧量子论，是从经典物理学过渡到量子力学的桥梁。 量子论认为, 微观世界中物理量有最小单位，即量子。物理量的变化是分立的，不连续的，即量子化的。 量子和量子化的性质是微观世界的基本特征之一。 4. 实物粒子的波粒二象性 波粒二象性（wave-particle duality）是指一切物质粒子同时具备波的特质及粒子的特质； 1887年Thomson发现电子是有一定质量、带一定负电荷的粒子； 20世纪初，光的波粒二象性，爱因斯坦的光量子方程：?0 = h?， p=h/?，m=h/c? 1924年，法国青年物理学家德布罗意(de Br?glie L.)提出假设，实物粒子也有波性： ? = h?， p=h/?=m?，?=h/m? 实物粒子波动性称为德布罗意波或物质波； 物质波的概念开辟了通往量子力学之路，德布罗意获得1929年诺贝尔物理学奖。 物质波的证明 衍射实验。1925年，美国Davisson和Germer用镍单晶进行电子衍射实验，证实了物质波的假设。后来英国的Thomson也得到了同样的结果。 量子力学的诞生 诞生于1925年末和1926年初； 德国海森堡(W.Heisenberg) 放弃波尔的原子模型假设，直接对可以测量的量如光的频率和振幅等所构成的数组进行研究。 ——建立了矩阵力学 奥地利人薛定谔(E. Schr?dinger)等人根据电子的波性，寻找和建立波动方程来描述电子运动的规律。 ——建立了波动力学 计算氢原子的能级，得到完全一致、符合实验的结果。 ——第一个关于微观世界的规律。 矩阵力学与不确定度原理 海森堡于1925年建立矩阵量子力学，获得1932年的诺贝尔物理学奖。 1927年，海森堡提出不确定度原理： 微观粒子的坐标和动量不能同时准确测定，其不确定量的乘积不小于h/4?。 不同于经典粒子，微观粒子有波动性，没有固定的轨迹；不确定性成为微观世界的第三个特征； 对量子理论的认知 量子理论是20世纪科学的重大进展之一，但由于量子力学对传统观念所带来的巨大冲击，连“量子”的提出者都想尽各种办法拒绝它，或做出各种调和性的解释。 为了正确认识光的波粒二象性，哥本哈根学派的物理学家提出了 “几率波”的解释，光是一种 “几率波”，衍射图像是光子（或者电子、原子等等）出现的几率，衍射明条纹上发现粒子的几率大，暗条纹上发现粒子的几率小。 这一解释表明，自然法则中存在着一种根本的随机性。 　　1922年11月，丹麦首都哥本哈根格外喧闹。原来，从斯德哥尔摩传来特大新闻：哥本哈根大学教授尼尔斯·波尔荣获该年度诺贝尔物理学奖。他是丹麦第一个诺贝尔奖获得者。 　　20世纪20年代，波尔的学识、造诣和人格魅力，成了年轻一代物理学家心仪的导师；哥本哈根成为欧洲青年物理学家向往的圣地。 玻恩、海森堡、约尔丹、泡利、罗森菲耳德以及前苏联的福克和朗道等诺贝尔奖获得者都出自波尔的门下。还有一大批物理学家也是在哥本哈根学派的影响下成长起来的，如狄拉克、德拜、考斯特等人。