量子力学的初建与发展.docVIP

量子力学的初建和发展     量子力学发展简介   1.  经典物理学的两朵乌云 1900年英国著名物理学家开尔文勋爵（W.Thomson）在一篇展望20世界物理学的文章中写道：“在已经建成的物理学大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。”但他有很不放心地指出：“在物理学的晴朗的天空的远处，还有两朵小小的令人不安的乌云。”第一团乌云涉及电动力学中的“以太”（aether）。当时人们认为电磁场依托于一种固态介质，即“以太”，电磁场量描述的是“以太”的应力。但是为什么天体能无摩擦地穿行于“以太”之中？为什么无法通过实验测出“以太”本身的运动速度？第二团乌云则涉及物体的比热容，即观测到的物体比热容总是低于经典统计物理学中能量均分定理给出的值。例如，固体比热容（固体被看成由许多原子组成，诸原子在各自的平衡位置附近作小振动），按能量均分定理，应为3R（R=8.314510±8.4× J· · ），而实验观测值总是低于此值（3R只是高温极限值，即Dulong-Petit值）。我们还注意到，Kelvin的文章中未涉及原子结构的问题，在当时，人们对此问题还很陌生。 对黑体辐射的简介，任何物体都具有不断辐射、吸收、发射电磁波的本领。辐射出去的电磁波在各个波段是不同的，也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关，因而被称之为热辐射。为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学家们定义了一种理想物体——黑体(black body)，以此作为热辐射研究的标准物体。所谓黑体是指入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没有透射( 当然黑体仍然要向外辐射)。显然自然界不存在真正的黑体，但许多的物是较好的黑体近似( 在某些波段上)。   2.  早期量子论和量子力学的准备 1900年普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难，引入了能量子概念，为量子理论奠下了基石。爱因斯坦针对光电效应实验与经典理论的矛盾，提出了光量子假设，并在固体比热问题上成功运用了能量子概念，为量子理论的发展打开了局面。1913年，玻尔在卢瑟福有核模型的基础上运用量子化概念，对氢光谱做出了满意的解释，使量子论取得了初步胜利。从1900到1913年，可以称为量子论早期。 光的波粒二象性早在1905年和1916年就已由爱因斯坦提出，并于1916年和1923年先后得到密立根光电效应实验和康普顿X射线散射实验证实，而物质粒子的波粒二象性却是晚至1923年才有得布罗意提出。这以后海森堡（Werner Heisenberg，1901年12月5日－1976年2月1日），薛定谔（Erwin Schrödinger，1887年8月12日－1961年1月4日），波恩（Max Born，1882—1970），狄拉克（Paul Adrie Maurice Dirac，1902年8月8日－1984年10月20日）等人的开创性工作，终于在1925—1928年形成完整的量子力学理论。   3.量子力学的建立和发展 玻尔的量子理论尽管取得了不少令人惊奇的成果，但也遭遇到严重的困难。困难之一是它面临着一系列解决不了的问题，例如，无法解释氢原子光谱，也无法对诸如反常塞曼效应一类新现象作出令人满意的说明；困难之二是内在的不协调。例如，对应原理的应用往往因人因事而异，没有统一规则。有人曾这样形容当时物理学的处境：星期一，三，五用辐射的经典理论；而在星期二，四，六则应用辐射的量子理论。需要重新认识电子的行为，建立新的概念，对玻尔理论作进一步的改造。 1924年，泡利（Wolfgang Pauli，1900年4月25日－1958年12月15日），提出不相容原理。这个原理促使乌伦贝克（G. E. Uhlenbeck）和高斯密特（S. A. Goudsmit）在1925年提出电子自旋的假设，从而使长期得不到解释的光谱精细结构、反常塞曼效应和斯特恩-盖拉赫实验等难题迎刃而解。正好在这个时候，海森堡创立了矩阵力学，使量子理论登上了一个新的台阶。 1923年德布罗意提出物质波假设，导致薛定谔在1926年以波动方程的形式建立新的量子理论。不久薛定谔证明，这两种理论是完全等价的，只不过形式不同罢了。 1928年狄拉克提出电子的相对运动方程——狄拉克方程，奠定了相对论量子联系的基础。他把量子论与相对论结合在一起，很自然地解释了电子自旋和电子磁矩的存在，并预言了正负电子对的湮灭与产生。后来又经海森堡、泡利等人的发展，形成了量子电动力学。1947年，从实验发现了兰姆位移，与此同时，费因曼（Richard Phillips Feynman，1918年5月11日－1988年2月15日），施温格（Julian Schwinger，1918年2月18日－1994年7月16日）和朝永振一郎（1906年3月31日－1979年7