量子力学物理

量子力学的前世今生经典物理学的成就经典物理学面临的危机旧量子论的建立及其局限性量子力学体系的创立量子力学的应用及其发展现代物理学分支目录1、经典物理学的成就1687年牛顿创立经典力学自然哲学的数学原理1788年拉格朗日创立分析力学《分析力学》1799年拉普拉斯天体力学1、经典物理学的成就1750年克劳修斯、开尔文、麦克斯韦、玻耳兹曼等创立热力学与经典统计力学1、经典物理学的成就1864年麦克斯韦创立经典电动力学经典物理学描述宏观物体机械运动、电磁运动、分子热运动的规律。引发了两次工业革命，即18世纪的动力机械工业革命和19世纪的电气化工业革命。

2、经典物理学面临的危机2朵乌云、光电效应、三大发现、原子模型1900年4月27日，在伦敦欧洲著名科学家正汇聚一堂，举行一场世纪之交的物理学报告会。在雷动的掌声中，白发苍苍、已是76岁高龄的德高望重的开尔文勋爵走上了讲台，发表了开幕祝词----《在热和光动力理论上空的19世纪乌云》的演讲，他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩的只是一些修饰工作．同时，他在展望20世纪物理学前景时讲到：“动力学理论断言，热和光都是运动的形式。但是现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽而显得黯然失色，第一朵乌云出现在黑体辐射实验和理论的不一致，第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦一玻尔兹曼理论上……”黑体辐射的经典理论

黑体：任何温度下对任何波长的辐射能的吸收率都等于1的物体，是一种理想的模型1862年Kirchhoff提出JosefStefan1879年斯特藩给出定律1893年

Wien由实验得出WilhelmC.W.O.F.F.Wien，1911年诺贝尔物理学奖黑体辐射的经典理论黑体辐射的经典理论1900年，根据经典物理学中能量均分原理，利用经典电磁理论和统计物理得到一个黑体辐射能量密度的公式光电效应1887年Hertz光电效应1902年Lénárd1905年诺贝尔物理学奖光电流的产生几乎与光照同步光电流i与光强I成正比存在红限光电子能量只与入射光频率有关，与入射光光强无关三大发现——X射线、放射性和电子1895年Röntgen1901年诺贝尔物理学奖1896年Becquerel1903年诺贝尔物理学奖1896年Thomson1906年诺贝尔物理学奖原子模型1911年Rutherford原子的核式模型1908年诺贝尔化学奖依据经典电动力学原子不稳定原子光谱JohannJakobBalmer1885年Balmer公式

1. 原子线状光谱产生的机制是什么？2. 光谱线的频率为什么有这样简单的规律？3. 光谱线公式中能用整数作参数来表示这一事实启发我们 思考：怎样的发光机制才能认为原子的状态可以用包含整数值的量来描写。3、旧量子论的建立及其局限性解决黑体辐射问题1900年10月19日Planck公式1918年诺贝尔物理学奖0123612345普朗克公式的理论曲线实验值****************量子概念的提出1900年12月24日普朗克发表《关于正常光谱的能量分布定律》重要文章,解释黑体辐射现象,提出能量子概念普朗克为了与实验结果相符，在维恩和琼斯公式之间利用内插法建立一个普遍公式解决了“紫外灾难”的困难。1900年10月19日普朗克在德国物理学会上报告了所得到的公式，得到了与会者普遍承认。普朗克明白：“即使这个新的辐射公式能证明是绝对精确的，但是如果仅仅是一个侥幸猜测出来的内插公式，那末它的价值也是有限的。”1900年12月24日德国物理学会上提出了能量子假说：（1）黑体的腔壁是由无数带电谐振子组成。这些谐振子不断吸收和辐射电磁波与腔内辐射场交换能量。（2）这些谐振子具有的能量是分立的，它们只能取…当振子与腔内辐射场交换能量时，能量改变值也只能是的整数倍。普朗克荣获1918年的诺贝尔物理学奖。能量子光量子理论解决光电效应问题1905年，Einstein发展了Planck的量子假设，提出了光量子的概念。Einstein光量子说光子的能量：光子的动量：1905年，Einstein提出光量子1921年，诺贝尔物理学奖

虽然爱因斯坦对光电效应的解释是对Planck量子概念的极大支持，但是Planck不同意爱因斯坦的光子假设，这一点流露在Planck推荐爱因斯坦为普鲁士科学院院士的推荐信中。

“

总而言之，我们可以说，在近代物理学结出硕果的那些重大问题中，很难找到一个问题是爱因斯坦没有做过重要贡献的，在他的各种推测中，他有时可能也曾经没有射中标的，例如，他的光量子假设就是如此，但是这确实并不能成为过分责怪他的理由，因为即使在最精密的科学中，也不可能不偶尔冒点风险去引进一个基本上全新的概念

”原子模型问题的解决索尔维会议Solvay(1838-1922)比利时工业化学家、企业家W.H.Nernst1920年的诺贝尔化学奖第一次索尔维会议于1911年秋天在布鲁塞尔举行，主席为德高望重的荷兰物理学家洛仑兹，参与者有德布罗意、庞加莱、居里夫人、爱因斯坦等人。主题为“辐射理论与量子”索尔维会议的召开原子模型与原子光谱问题的部分解决1913年提出Bohr理论1922年诺贝尔物理学奖定态假设成功地解释了氢原子光谱问题。量子跃迁假设导出角动量量子化假设玻尔1885年10月7日出生于丹麦的哥本哈根。1903年，玻尔进入哥根哈根大学学习物理学，并于1911年以论文《金属电子论探讨》获得博士学位。1911年秋，玻尔赴剑桥大学，并在J．J．汤姆逊指导下在卡文迪许实验室从事原子物理的实验和理论研究。1912年4月，他又到曼彻斯特大学，在卢瑟福实验室从事了4个月的α射线散射的实验工作。他的主要工作是原子、分子和原子结构理论，并作出许多重大贡献。玻尔坚信卢瑟福的有核模型的正确性。他在仔细研究了光谱数据和经验公式，并分析了卢瑟福模型所面临的矛盾后，于1913年在《哲学杂志》上发表了论文《原子结构和分子结构》。在这篇文章中，玻尔把光的量子论引入原子系统，提出了两个著名的假设：玻尔理论很好地解释了氢和类氢原子的光谱，并预言了氢和氯的一些新谱线的存在；不久这个理论就被弗兰克—赫兹的实验证实。由于这一杰出的成果，玻尔获得1922年诺贝尔物理奖。但玻尔的理论不能解释氦原子及更复杂原子的光谱，不能解释谱线的强度等问题，他的量子化假设没有从理论上作出适当的解释。这个理论是经典理论和量子观念的结合，因此被称为旧量子论，但是正是由于玻尔引进了量子的概念，才使得理论获得突破性进展。量子力学的理论基础之一就是量子化概念。旧量子论是量子概念和经典物理的结合,故人们也称为半经典半量子论。它打破了经典物理学一统天下的局面，开创了揭示微观世界基本特征的前景，为建立描述微观世界运动规律的量子力学理论体系的诞生奠定了基础。普朗克的能量子论、爱因斯坦的光量子论和玻尔的氢原子理论为旧量子论，成功地解释了一些经典物理学解释不了的现象，但也存在局限性。路在何方？1927发现不确定原理4、量子力学体系的创立矩阵力学的建立1925年Heisenberg发现新的力学1932年诺贝尔物理学奖量子力学的矩阵力学形式的建立ErnstPascualJordan,1902–19801954年诺贝尔物理学奖矩阵力学建立的标志物质波假说1927年戴维逊—革末的电子散射实验验证了电子具有波动性。波动力学的建立波粒二象性“任何物体伴随以波，而且不可能将物体的运动和波的传播分开”

粒子性

波动性1923年deBroglie提出物质波假说1937年诺贝尔物理学奖Schrödinger方程的建立1925年，Debye的建议下，Schrödinger做了一个关于deBroglie波的报告

“有了波，就应有一个波动方程”Schrödinger方程“你的方程出自于一个真正的天才。”Einstein1926年Schrodinger，1887~19611933年诺贝尔物理学奖波？是什么波？1927年Born提出了几率解释本身并无物理意义，而波函数的模的平方（波的强度）代表时刻t、在空间r点处，单位体积元中微观粒子出现的几率，获得1954年诺贝尔物理学奖Born解释为量子力学的基本原理之一！！1928年Dirac建立相对论量子力学Dirac方程1933年诺贝尔物理学奖量子力学圣经相对论量子力学1932年VonNeumann出版《量子力学的数学基础》量子力学五大公设波函数假设力学量假设力学量期望值假设动力学假设全同性原理假设量子力学的公理化1965年诺贝尔物理学奖量子力学的第三种形式—路径积分1948年提出路径积分1927年，第五届索尔维会议在比利时布鲁塞尔召开了，因为发轫于这次会议的阿尔伯特·爱因斯坦与尼尔斯·玻尔两人的大辩论，这次索尔维峰会被冠之以“最著名”的称号。索尔维会议--世纪论战一张汇聚了物理学界智慧之脑的“明星照”则成了这次会议的见证，数十个涵盖了众多分支的物理学家都留下了他们的身影，爱因斯坦、玻尔更是照片的灵魂人物。世纪之照论战双方第一次重要的论战1927年，第五届索尔维会议哥本哈根解释Bohr的互补板凳会议主题“电子和光子”不确定关系波函数几率解释最重要的一次论战1930年，第六届索尔维会议爱因斯坦提出光子箱实验说明不确定关系的不成立会议主题“物质的磁性”以广义相对论反驳爱因斯坦爱因斯坦承认不确定关系正确1935年爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论（EPRparadox）定域实在论是正确的（如果量子力学是定域的理论），则量子力学不完备Bohr与Einstein关于量子理论的论战直至1955年Einstein去世量子力学的Copenhagen解释EPR佯谬Schrödinger猫Bohm隐变量理论HughEverettIII

1957年多世界解释量子的or经典的判决书起草人1964年，贝尔提出了著名的贝尔不等式，从而开启了量子力学研究的新时代。贝尔不等式基于经典概率，而量子力学测量显示结果的关联是违反贝尔不等式的。贝尔不等式把关于量子力学基本问题的争论从字面诠释导引到实际的测量问题上去。JohnStewartBell（1928～1990）Bell不等式1982年Aspect小组实验

Nature，V526（2015）683

量子力学与相对论是现代物理的基础，它们与基因双螺旋结构并为20世纪最重要的三大科学发现。

量子力学在其中又占有特殊的地位，它打开了人类认识微观世界的大门。量子力学原理在分子、原子和原子核领域的应用，促进了分子物理学、原子物理学、量子化学、量子生物学、核物理学