第一章第一节绪论.ppt

1、量 子 力 学,第一节 绪论,一、量子力学研究的内容及其作用 二、 量子力学产生的历史背景 三、 量子概念的诞生 四、 物质波概念的诞生和量子力学的最后完成 五、 量子物理学家主要贡献 六、 量子力学发展大事记 七、 量子力学是一种统计理论 八、 物理学（量子力学）到何处去,一、量子力学研究的内容及其作用,从20世纪初到二十年代末，物理学发生了极其深刻的划时代的变革，相对论和量子力学相继诞生。从此，以它们的诞生为标志，物理学被划分为经典和近代物理学。 量子力学是研究微观粒子（线度在10-10m量级以下的物质客体，如分子、原子、原子核、基本粒子等）运动规律的物理理论。到目前为止，量子力学的历史只

2、有几十年，已经渗透到科学技术的各个领域。,一、量子力学研究的内容及其作用,（1）物理学领域 小至对原子内部电子运动的探索，大至对天体演化的研究，都得以量子力学作为理论基础。当今，世界最活跃的研究领域就是天体物理学，关于宇宙的起源、发展的研究没有量子力学这个工具就无法进展。另外还有许多从量子力学和经典物理结合中产生的新学科，如量子电动力学、量子统计物理学等。 （2）边缘学科领域 在物理学之外的其它一些基础科学的领域，如化学、生物学、医学等也和量子力学发生了密切的联系，产生了一大批边缘学科，如量子生物学、量子化学等； （3）新技术领域。 各种新技术如半导体、激光等，可以说，如果没有量子力学，它们就

3、不会诞生。,基本粒子 原子核 原子 分子 团簇 纳米体系 介观体系,研 究 对 象,天体物理 宇宙学 能源 化学 生物学 材料科学,量子力学是反映微观粒子（分子、原子、原子核、基本粒子等）运动规律的理论。,量子力学不仅是物理学的基础理论之一，而且在其它领域得到广泛应用。激光器、磁共振成像仪、扫描隧穿显微镜、光镊子和哈伯望远镜的制成无一不依赖量子力学。,量子力学已成为现代文明发展的基石。,一、量子力学研究的内容及其作用,量子力学,相对论,原子、分子,凝聚态,原子核,量子场论,天体、宇宙起源,激光、光纤,晶体管、集成电路,核能、放射性,规范场、标准模型,超导,大 统 一,信 息,能 源,光、电磁场

4、,超对称弦?,量子引力?,黑洞,量子力学,量子计算,不断的发展 巨大的应用潜力,锂原子,昆虫,量子围栏照片,二、量子力学产生的历史背景,1、经典物理学的发展 经典力学创始人牛顿、达.芬奇、伽利略等，1687年牛顿出版自然哲学的数学原理，奠定了经典粒子物理学。到19世纪末，已经建立了完整的经典物理学理论体系。 经典物理学理论体系的组成： 牛顿三大定律和万有引力定律为基础的经典力学；以麦克斯韦方程组和洛仑兹公式表述的电磁场理论；对于热现象则有：宏观理论：热力学三大定律。微观理论：统计物理学。 经典物理学大厦： Newton力学描述物体机械运动 Maxwell电磁理论（方程组）描述电磁现象（包括光的

5、运动规律） 热力学及统计物理描述分子热现象,绝对温标的创始人英国的开尔文在1899年新年贺词中说：“19世纪已将物理大厦全部建成，今后物理学家的任务就是修饰、完美这所大厦了。”有趣的是，他同时也提到，在物理学的天空上也还漂浮着两朵小小的令人不安的乌云。 （1）“紫外灾难”，经典理论得出的瑞利金斯公式，在高频部分趋无穷。 （2）“以太漂移”，迈克尔逊莫雷实验表明，不存在以太。,二、量子力学产生的历史背景,2、撼动经典物理学的几个物理现象 （1）迈克尔逊莫雷实验 （2）气体比热问题中的能量均分律的失败 （3）称之为“紫外灾难”的黑体辐射现象 （4）光电效应 （5）原子的光谱线系 （6）原子结构 （

6、7）放射性衰变现象,二、量子力学产生的历史背景,三、量子概念的诞生旧量子论,1900年12月17日，普朗克在柏林科学院物理学会的一次会议上，通过研究黑体辐射时第一次提出了能量子的概念。 1905年，爱因斯坦，一个瑞士专利局职员在德国杂志物理学观点发表了有关解释光电效应的光量子理论；引发了物理界大争论：光是什么？是波？还是微粒？,三、量子概念的诞生旧量子论,牛顿认为：物体发光是因为它射出光粒子流。牛顿同时代的荷兰人惠更斯则认为：物体发光是因为它在脉动并在周围的以太之中形成波。 在19世纪初杨氏、马吕斯的实验结果使波动学说似乎取得了决定性胜利。光的干涉、衍射和偏振与惠更斯原理极好地吻合。从牛顿力学

7、来看是不可理解的。百年的争论又开始了，双方都已经厌恶了。最后物理学家逐渐恍然大悟：光同时即是微粒又是波。,三、量子概念的诞生旧量子论,1913年，玻尔，他是卢瑟福的学生，提出了氢原子轨道模型，引入量子化，成功地解释了氢原子的光谱。 旧量子论对经典物理作了重要变革，提出并牢固地树立了量子化的概念，这是其成功之处。但它没能彻底突破经典理论的束缚，也没有真正把握量子现象的本质，所以也就未能建立一个完整的自洽理论，它所能解释的实验事实也是有限的。,Niels Bohr (1885-1962) Nobel Prize 1922,四、物质波概念的诞生和量子力学的最后完成,1、物质波的引入 1924年，就读

8、巴黎大学的路易斯.德布罗意在自己的博士论文中，基于对光的波粒二象性的认识，首先提出了物质波可能存在的论点，“微观粒子也具有波动性”的假设，这就是著名的德布罗意假设。与25年前普朗克提出的能量子的观点比较，物质波具有同样的独创性，它揭示了量子现象的本质。 德布罗意坚信物质波产生于任何物体的运动。这个物体包括大致一个行星、一块石头，小至一粒灰尘或一个电子。正如电磁波一样，这些物质波也可以在绝对真空中传播。 即物质波存在于一切运动物体之中。,四、物质波概念的诞生和量子力学的最后完成,德布罗意关系式： = h/m h=6.610-27尔格秒 厘米克秒单位制 计算举例 （1）地球质量是61027克，环绕

9、太阳的轨道速度约3106厘米/秒。 （2）石头质量为100克，飞行速度为100厘米/秒。 （3）电子质量约为10-27克。如果电子在1伏特电位差的电场中运动，它将获得每秒6107厘米的速度。,四、物质波概念的诞生和量子力学的最后完成,2、德布罗意对物质波的解释 德布罗意想法：物质波以类似海浪的形式在引导运动的实物粒子。一个粒子仿佛坐在一个波上，随波而驰。 3、量子力学大厦的建立 海森堡和薛定谔埋葬了德布罗意的想法。 薛定谔于1926年建立了一个和经典力学的波动方程相类似的描述微观粒子的波动方程 “波动力学”。他提出了所谓物质波就是几率波的概念。,四、物质波概念的诞生和量子力学的最后完成,海森堡

10、1925年，借助于玻尔提出的关于经典理论与量子理论之间的对应原理，他提出了一种可以用矩阵来描述的量子理论，通过与波恩、约当等人的合作，完善了这个理论。这就是所谓的“矩阵力学”。不过波恩当时是把它称之为量子力学的，这个名词是他首先采用的。 1926年波恩和维纳又把算符引入矩阵力学，建立了算符和矩阵之间的对应关系。,四、物质波概念的诞生和量子力学的最后完成,薛定谔弄清了两种新理论的关系，他证明，矩阵力学和波动力学是等价的，可以通过数学变换从一个理论转换到另一个理论。在本书中是把波动力学和矩阵力学统称之为量子力学，大多数文献也是这样做的。 以后英国物理学家狄拉克将矩阵力学加工成一个更加严密的理论体系

11、，通过变换理论把海森堡的矩阵力学和薛定谔的波动力学统一了起来，并做了普遍推广，在各种可能的表象之间建立起数学上严格的变换理论，最后完成了非相对论量子力学，并将它们写成量子力学原理这本集大成的世界名著。,五、量子物理学家主要贡献,玻尔（Bohr，Niels）18851962，丹麦人。提出电子轨道概念，对应原理等，是旧量子力学主要创始人之一。第二次世界大战前与夫伦克尔提出原子核液滴模型。曾获得1922年诺贝尔物理奖。 德布罗意（De Broglie，Louis Victor）18921987，法国人，1924年提出对量子力学发展有决定意义的物质波。曾获得1929年诺贝尔物理奖。 狄拉克（Dirac

12、，Paul Adrien Maurice）19021984，英国人，1929年提出“相对论性不变”原理。与薛定谔合得1933年诺贝尔物理奖。 爱因斯坦（Einstein，Albret）18791955，德国犹太人，1905年创立狭义相对论，提出光子学说，1916年创立广义相对论。晚年建立“统一场”理论，但未达预期目的。曾获得192年诺贝尔物理奖。,五、量子物理学家主要贡献,海森堡（eisen breg，Wrenre）19011976，德国人，创立量子力学的矩阵形式，他的测不准关系在量子力学中有重要地位。曾获得1932年诺贝尔物理奖。 普朗克（lant，ax Karl Ernst Ludwig）

13、18551947，德国人，1900年提出能量子假说，是量子力学的第一个创始人。曾获得1918年诺贝尔物理奖。 薛定谔（Schrodinger,Erwin）18871961，德国人，他的波动方程是量子力学最基本的公式。与狄拉克合得1933年诺贝尔物理奖。 泡利（Pauli，Wolfgang）19001958。奥地利物理学家。泡利不相容原理在量子力学中占有重要地位。1934年与费米提出中微子理论，25年后被证实。曾获得1945年诺贝尔物理奖。,五、量子物理学家主要贡献,李政道1926，美籍中国物理学家，与杨振宁提出在弱相互作用中宇称守恒失效。与杨振宁合得1957年诺贝尔物理奖。 杨振宁1922，美

14、籍中国物理学家，与李政道合得1957年诺贝尔物理奖。 汤川秀树（Yukawa，Hideki）19071981，日本物理学家，提出核交换力和介子理论。曾获得1949年诺贝尔物理奖。,六、量子力学发展大事记,1687年，牛顿自然哲学的数学原理在伦敦问世。 1872年，斯托列托夫进行光电效应实验。 1881年，迈克尔逊进行光在以太中相对不同参照系的不同传播速度的试验，得出否定结果。 1896年，法国贝可勒尔发现放射现象。 1897年，汤姆生研究阴极射线发现电子，建立第一个“葡萄干布丁”原子模型。 1898年，居里夫妇发现镭、钋、铀的放射性。 1900年，普朗克提出热辐射公式，并假定能量以量子E=h形

15、式发射，量子力学诞生。 1905年，爱因斯坦提出光子理论、狭义相对论。 1911年，卢瑟福提出原子的行星模型。,六、量子力学发展大事记,1912年，玻尔用量子理论解释光的发射和光谱，提出电子轨道概念。 劳厄进行X光衍射实验。 1914年，考塞耳奠定量子化学基础。 1916年，爱因斯坦提出广义相对论。 索末非提出有关光谱起源的更确切的理论。 1919年，卢瑟福以粒子分裂氮核而获得氧核。 探测队在阿拉伯沙漠观测日蚀，所得结果符合广义相对论的预期。 1924年，德布罗意提出物质波的假设。 1925年，乌兰贝克、古兹米特提出自旋。 1927年，在比利时首都布鲁塞尔的科学大会上，海森堡和薛定谔提出了新的

16、量子力学理论，奠定了新的量子力学基础。,六、量子力学发展大事记,1928年，德拜重复劳厄德X光衍射实验，获得一组组衍射环。 美国科学家戴维逊、革末，苏联科学家塔尔塔可夫斯基成功地进行了电子衍射实验。 1929年，狄拉克提出“相对论性不变”原理。 1932年，布拉克特、欧卡尼里在宇宙射线中发现正电子 查特威克发现中子。 海森堡、伊凡宁科、塔姆提出核由质子中子构成。 1934年，塔姆和汤川秀树提出核交换力理论。汤川秀树预言介子。 小居里夫妇用中子轰击核产生人为放射现象。 泡利、费米提出中微子理论，25年后中微子被发现。 宇宙射线中发现介子。,六、量子力学发展大事记,1939年，发现铀核裂变。玻尔和

17、夫伦克耳为此提出核液滴模型。 1945年，美国在日本广岛、长崎投下原子弹。 1947年，在宇宙射线中发现汤川秀树在十三年前预言的介子。 1954年，第一个原子能发电站在苏联建成。 1955年，反质子被发现。 1956年，反中子被发现。 1957年，李政道、杨振宁提出在弱相互作用中宇称守恒失效、“联合反演”理论。 1959年，利用闪烁计数器证实了25年前泡利、费米预言的中微子的存在。,七、量子力学是一种统计理论,量子力学是一种研究微观粒子的统计理论。具体来说，也就是研究原子、分子、原子核等现象的理论。所以学习量子力学应该多了解有关原子、分子、原子核的实验事实。 另一方面，在这些现象中，微观粒子的

18、运动是不能直接观察到的，这和宏观物体的运动能被直接观察到是不同的。人们可以看见并测量宏观物体的运动，却无法直接看见电子在原子内部的运动，但是理论的正确性却是通过间接的实验事实去验证，如原子光谱反映了电子运动能量的变化等。不可能通过观测电子在原子中实际的运动情况来直接验证量子理论的描述是否正确，原因？,八、物理学（量子力学）到何处去,全能的理论过去不存在，今后也不会存在。 量子力学今天已达到壮年的顶点，今天，量子力学是最强大的微观世界物理学理论。 越来越多的物理学家倾向于这样一种观点：需要的是某种更加不寻常的东西，某种更加疯狂的理论。 物理学正处在一个新的巨大跃进的前夕。科学家十分清楚地看到新物理学必由的道路，以及道路上的驿站。,八、物理学（量子力学）到何处去,这些驿站包括以下这些。 （1）对所有已知的和未知的粒子的严密的、统一的、系统的整理； （2）实物粒子的结构和内在特征； （3）作用于原子核内的力的性质； （4）关于物质的两种基本形式实物和场之间的相互关系的确切定律； （5）运动着的物质的各种属性能量和时间，质量与空间之间的相互关系和相互依存；以及由这种关系来决定微观世界的特殊本质； （6）宇宙的起源、发展与归宿。,八、物理学（量子力学