电子云导体模型与量子理论的关系.doc

物理专题课程论文学号：08101091014 姓名：吴嘉伟题目：电子云导体模型与量子理论的关系摘要：电子云导体模型揭示和定量研究了光与分子中电子之间的电磁感应相互作用。然而，这种电磁感应相互作用是一个微观现象，应该用量子理论来分析处理，该模型定量研究此微观现象，这一做法是否合理、准确？该模型与量子理论之间又有什么样的关系？这些都是令人疑惑的问题。本文概述了该模型的研究进展，分析了该模型对量子理论的依赖和促进关系，初步回答了上述问题，说明该模型方法具有一定的理论和应用意义。 关键词：光 电子 电磁感应 量子理论 电子云导体模型 前言 电磁波与物质相互作用普遍存在于自然界，是重要的科学和技术应用研究领域。最近的工作提出了电子云导体模型，揭示了光与分子中电子的电磁感应相互作用，并定量研究了这种相互作用，即定量研究这种电磁感应作用造成的光与电子之间的能量交换。1 该模型以电子云为整体来处理光与电子的相互作用，从而表明了一个微观过程：电磁感应造成的感生电动势引起电子云上的感生电流。这些工作开启了认识光与电子相互作用的另一扇门光与电子的电磁感应相互作用。随着研究的进行，已经发现，这种电磁感应相互作用是光和电子参与若干过程的关键影响因素。2 这些认识促使我们从新的角度来深入探究光与物质相互作用的规律，从而推动光电新技术的发展。 光与分子中电子的电磁感应相互作用是一个分子级别的微观现象。显然，对这样一个微观现象的定量研究必定要借助于量子理论。采用电子云导体模型方法来定量研究此微观现象，此种做法是否准确、合理？另外，电子云导体模型方法与量子理论之间有什么样的关系？该模型具有什么理论和应用意义？这些都是令人疑惑的问题。本文初步说明这些问题。1.电子云导体模型方法的研究进展 一般而言，电磁感应现象存在于宏观导体等物体中。如果把分子中的电子云视为电子在其中自由运动的微小空间（一定条件下的自由运动），把电磁感应的理念扩展应用到此微小空间，可以知道：一定强度的电磁感应能够影响电子在其电子云空间上的运动行为。此即电子云导体模型的出发点。 可以借助电子云导体模型所取得的研究结果来说明该模型的准确性、合理性问题。这一模型应用于光与介质相互作用研究，初步取得了以下结果：1,3-7在一定频率范围的光作用下，分子中的电子基本处于基态时，同时分子中每个电子均与光交换折射能条件下，折射率与频率无关，这可以合理地解释折射率与频率关系曲线上出现的平台；当光的频率足够高，可以使分子中的一些电子显著偏离基态时，电子云参数V、g开始显著变化，从而介质折射率开始随光频率变化而改变；3较清晰地解释了静电场或静磁场对介质折射行为的影响机理；直观地解释了介质折射率各向异性的起因；用模型导出的折射率表达式计算了几种介质的折射率（可见光），结果较准确，该表达式可用于多组元介质的折射率计算；说明了氢气与氦气、氮气与氧气折射率相对大小的原因；通过计算氖、氩等对钠光的折射率，并与实测值比较，证实了原子的内层和外层电子均可以对折射率有贡献。 另外，运用电子云导体模型对极慢光速实验、氮分子在飞秒强激光下的电离实验、X光与分子中电子的相互作用、光与真空中的自由电子相互作用等进行分析，均能得出合理的结果。2 上述研究结果说明电子云导体模型方法具有准确性和合理性。上述研究结果的取得有充分的原因。一般认为：电子云的分布（电子波函数）是由电子与电子之间相互作用（包括自旋作用）、电子与核之间相互作用等各种因素综合决定的。用电子云来研究光与电子间的电磁感应能量交换，能够反映这些相互作用对这种能量交换的影响；而电子云等效体积V和形状方位因子g是电子云的分布特征参数，因此用这两个参数来研究光与电子间电磁感应能量交换的做法就已经包含了上述各种相互作用因素，这使得电子云导体模型能够在电子未跃迁情况下（特别是未明显偏离基态情况下）较准确地描述光与电子间的电磁感应能量交换过程。 2.电子云导体模型对量子理论的依赖和促进 实际上，电子云导体模型是在量子理论的框架下发展起来的一种研究方法，没有量子理论的已有知识成果，就不可能形成电子云导体模型研究方法。另一方面，电子云导体模型方法对量子理论起到促进作用。电子云导体模型方法对量子理论的这种依赖和促进关系主要体现在： 1）电子云导体模型是在量子理论的基础上合理地吸纳了一些经典物理学理论发展而来，它主要运用了电子云、波函数、能量量子化、原子结构等一些基础理论；这些基础理论均是量子理论的已有成果，也是电子云导体模型的核心。 2）电子云导体模型首次揭示了光与分子电子间的电磁感应相互作用的存在。这种相互作用的主要行为可大致描述如下：在光的电磁感应导致的感生电动势作用下，分子中的电子在其电子云空间上做统计意义上周向定向运动，形成感生电流（其具有的能量称为“折射能”）。这种相互作用具有如下主要特征：光与电子相互作用过程中不断地往复交换折射能，折射能变化与光电场变化之间存在/2的相位差，等等。若干与实验数据符合很好的计算结果，验证了这种电磁感应相互作用的存在，同时也验证了电子云导体模型方法定量分析的准确性。1,3-7 3）量子力学方法应当能够分析解决光与电子间的电磁感应相互作用问题，但目前还没有看到量子力学方法取得如第2）条所述研究结果的报道。另一方面，量子力学方法解决光与电子间的电磁感应相互作用问题，在数学处理及其结果分析方面有较大的困难；而电子云导体模型方法简单、直观，所取得的结果为量子理论深入、全面地研究光与电子间的电磁感应相互作用提供了有益的参考。 4）能量具有量子化特征，比如原子中的电子存在着电子能级等，这是量子理论已有的成果，具有普遍的指导意义。如上所述，电子云导体模型揭示了电子云上存在感生电流（反映电子的一种运动状态）。这样，根据量子力学的一般原理，显然这种感生电流的能量（折射能）是量子化的。这说明，原子中的电子除了具有电子能级外，还具有另一种能级，即感生电流能级（原子中，“电子能级”和“感生电流能级”指的是两种不同的能级，反映了原子中电子的两种运动状态）。8 感生电流能级是电子云固有的性质，与外电磁场的存在与否无关，尽管外电磁场会影响它。这种具体的能级形式被电子云导体模型所揭示，在此之前并没有其它研究工作指出这种能级的存在。在此方面，电子云导体模型也为量子理论提供了有益的参考。 5）电子云导体模型研究方法对量子电动力学起到有益的补充作用。在有关光与电子相互作用方面，量子电动力学主要研究电子对光子的吸收和发射过程（还有光或电子的湮灭和产生等过程）；而电子云导体模型主要研究在不发生光子的吸收和发射情况下电子与光的电磁感应相互作用，如光在物质中折射的机理等。1 由此可见，尽管电子云导体模型与量子理论在研究方法上有明显的区别，但它们之间存在着紧密的联系。电子云导体模型方法实际上是量子理论和经典物理学相互渗透而形成的一个产物，它不是向旧量子论的回归，而是在对物理现象有了新认识的基础上，客观地将相关理论相互融合的结果。它将电磁感应原理应用到电子云上，同时通过波函数等来表征这种电磁感应作用的特征参数，取得了一些有益的结果，既扩展了经典电磁理论应用范围，又有利于促进量子理论发展。 一般地，光与电子相互作用的一些现象被认为只能用量子理论来解释，经典理论似乎无能为力，量子理论与经典理论之间似乎格格不入。但从本文上述论述可见，这种观点或许不完全合理。导致这种观点的原因之一是人们对光与电子相互作用的认识不够全面。随着“光与电子的电磁感应相互作用”被揭示，量子理论与经典理论之间的联系被更多地建立起来，一些被认为属于量子理论范畴的现象有了经典理论参与下的机理解释，人们对这些现象的认识更加深入。相信随着研究的继续进行，会有更多的微观现象能够在量子理论的框架下、在进一步发展的经典理论参与下得到全面、合理的解释，并导致新的发现；同时人们也将对量子理论与经典理论的关系有更深入的理解，从而在一定程度上推动物理科学和技术的发展。 3.结论 电子云导体模型方法在光的折射行为分析、多种介质的折射率计算（可见光）、极慢光速实验结果分析、氮分子在飞秒强激光下电离实验结果分析、X光与分子中电子的相互作用行为分析、光与真空中自由电子相互作用行为分析等方面均能得出合理或者准确的结果，从而可以说明电子云导体模型定量分析具有合理性和准确性。 电子云导体模型是在量子理论的框架下发展起来的一种研究方法，借助了量子理论的若干成果。另一方面，该模型方法在一些方面发挥了独到的作用，获得了一些新的认识，比如它揭示了光与分子中电子之间的电磁感应相互作用及其主要行为特征，揭示了光折射的机理，简单而较准确地计算电磁感应造成可见光与电子间的能量交换，直观地分析了光和电子参与的一些作用过程等，这些对量子理论起到了促进和补充作用。 参考文献 1 张涛. 光在介质中的折射J. 中国科学G, 2007, 37:137-145. 2 张涛. 光与电子的电磁感应相互作用EB/OL. 3 张涛. 电子云等效体积的含义和计算方法EB/OL. 4 朱民，辛督强，解延雷，张涛.三元系无机溶液折射率的计算方法J. 北京师范大学理科学报，2006, 42：174-176. 5 辛督强，朱民，