从量子论到量子力学课件

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,什么是量子力学,量子力学是描述微观世界结构、运动与变化规律的物理科学。,1925,年，德国物理学家海森伯和玻尔，建立了量子理论第一个数学描述,矩阵力学。,1926,年，奥地利科学家提出了描述物质波连续时空演化的偏微分方程,薛定愕方程，给出了量子论的另一个数学描述,波动力学。后来，物理学家把二者将矩阵力学与波动力学统一起来，统称量子力学。,什么是量子力学 量子力学是描述微,1,参考书目,科学技术史 王玉仓著,中国人民大学出版社 1993年,一代神话哥本哈根学派关洪著,武汉出版社 2002年,参考书目科学技术史,2,量子概念德提出与发展,一：普朗克提出能量子假设。,二：爱因斯坦提出光量子假说。,量子概念德提出与发展,3,普朗克提出能量子假设。,量子论是由研究黑体辐射问题引起的。,维恩公式（,1896,年）在频率高，温度低时与试验事实相符。瑞利金斯公式（,1900,年）则正好相反。因为后者在高频紫外范围内与试验差距甚大。且随着频率的增加，能量密度也单调地增加，以至于趋向无穷，即在频率较高地紫外一端发散。这一结果是荒唐的。经典物理学无法解释这一现象，称之为“紫外灾难。,普朗克提出能量子假设。量子论是由研究黑体辐射问题引起的。,4,德国物理学家普朗克（,1859,1974,）长期从事热力学的研究工作。,1894,年他开始研究黑体辐射问题。,1900,年,10,月,19,日普朗克在德国物理学会上宣读了,维恩辐射定律的改进,首次公布了他的新的辐射公式。这个新的公式是用内插法建立的，它在高频部分与维恩定律符合，在低频部分则与瑞利定律一致，从而解决了“紫外灾难”问题。,当时普朗克的公式只是根据试验数据凑出来的半经验定律，得不到合理的理论解释。普朗克决定寻找这个公式真正的物理意义。经过两个月的紧张工作，普朗克终于发现，必须放弃经典的能量均分原理，并提出一个革命的大胆的假设，才能对其作出合理的解释。,1900,年,12,月,14,日普朗克向德国物理学会宣读了一篇题为,关于正常光谱的能量分布定律的理论,后人把这一天称为量子论的诞生日。,德国物理学家普朗克（18591974）长期从,5,普朗克报告后，他的黑体辐射公式受到欢迎，但他的量子假说却遭到了冷遇。普朗克本人也想从经典物理学理论中寻找对新公式的解释。他还认为爱因斯坦的光量子假说是在思辩中迷失了方向。普朗克一再后退，,1914,年甚至认为振子的吸收和发射都是连续的。直到,1915,年他才认识到量子论的伟大意义。,普朗克提出的能量子概念是近代物理学中最重要的概念之一。他第一次把能量不连续的思想引入物理学，使经典物理学碰到的许多疑难问题都迎刃而解。在量子概念的引导下，微观物理学迅速发展为,20,世纪物理学的主流。,普朗克报告后，他的黑体辐射公式受到欢迎，但他的,6,爱因斯坦提出光量子假说,爱因斯坦在,1905,年,3,月写的,关于光的产生和转化的一个推测性观点,中指出，光是由能量子组成的。他把这种能量子称为“光量子”。每个光子的动量为,:,P=h/,其中，,P,是光子的动量，,h,是普朗克常数，,是光波的波长,。,爱因斯坦提出光量子假说爱因斯坦在1905年3月写的关于光的,7,验证光量子假说的三个经验事实,一：光电效应,1902,年赫兹用各种频率的光照射钠汞合金时发现，只有频率高于一定下限的光才能放逐出电子，电子的速率只与光的频率有关，而与光的强度无关。对于这种现象，麦克思韦理论根本无法解释。爱因斯坦却用光量子理论轻而易举地给予了完美的说明。并给出了爱因斯坦光电效应方程式。,mv,=hv-w,爱因斯坦认为对于统计现象光表现为波动，对于瞬时的涨落现象光表现为粒子。人类在认识自然的历史上第一次揭示了微观客体波动性和粒子性的对立统一。,验证光量子假说的三个经验事实,8,第二：比热问题,爱因斯坦把能量不连续的思想运用于固体中原子的振动问题上，成功地论证了当温度趋近于绝对零度时，所有固体的比热都应当趋近于零。德国物理学家能斯特（,1886,1941),以非常精密的试验测量，证实了爱因斯坦论断的正确性。,第三康普顿效应,1923,年康普顿研究,X,射线在金属中的散射问题时发现在散射光中除了与入射光波长相同的光线外，还有波长大于入射光的射线。并且出射方向也有所偏离。康普顿认为这是由于,X,射线的光子与电子碰撞产生的。并用光量子理论计算了散射波长与散射角之间的关系，记算结果与试验值完全一致。康普顿效应被物理学家公认为光量子存在的确凿证据。,第二：比热问题,9,玻尔的原子结构假说,1911,年卢瑟福通过,a,粒子散射试验提出了原子的有核模型。,1913,年玻尔,论原子和分子的组成,玻尔的原子结构假说1911年卢瑟福通过a粒子散射试验提出了原,10,第一：定态轨道的概念,假设原子里有一些具有分立能量值的电子轨道是稳定的，不需要从经典物理学对他们的稳定性作出解释。,第二：量子条件,定态的一系列分立能量值即“能级”是由“量子条件”决定的。这一条件中引入了普朗克的作用量子,h,。,第三,:,跃迁的观念,电子从具有较高能量,Em,轨道跃迁到较低能量轨道,En,时就发出频率为,V,的光辐射，并且满足下述的关系式,:,EmEn=hv,第一：定态轨道的概念,11,玻尔的原子结构理论突破了经典理论的旧框框，是通向新理论的重要台阶。玻尔的理 论并没有从根本上抛弃经典理论，他仍把微 观粒子当作经典力学的 质点，运用了经典力学的轨道概念，是经典理论和量子理论的混合物。,1918,年为了克服自己提出的原子结构中的矛盾，玻尔提出了 著名 的“对应原理”。他 认为原子保持量子状 态的个 性和稳定性 具有一定的限度，只有当外来干扰的强 度不足以 把原 子激发到较高量子态时，原 子才显 示出量 子的特征。当外来干扰的强度超过一定限 度 时，原子的 量子效应的个性将完全消失，从而时原子显示出 经典连续性的特征。,玻尔的原子结构理论突破了经典理论的旧框框，是通向新,12,量子力学的创立,德布罗意提出物质波假说,海森堡创立矩阵力学,薛定谔创立波动力学,量子力学的创立德布罗意提出物质波假说,13,德布罗意提出物质波假说,1923,年德布罗意提出电子内部有一种振动，其频率由它的静止质量决定；与此同时，空间中必定有一种波动伴随着电子的两者之间存在着相位上的一致性，他把这种与电子并驾齐驱的波动称为“相位波”，并且进行了一种相对论和量子论相结合的推导，由此计算出这种波动的波长满足以下公式,:,P=h/,E=hv,德布罗意提出物质波假说1923年德布罗意提出电子内部有一种振,14,德布罗意预言了电子波的衍射。,1927,年先后在几个国家的实验室里得到了验证。,需要指出的是，按照德布罗意德原意，并不是说电子既是微粒也是波动，而是既有电子又有伴随电子的波动。这种用来传递信息的波动本身只占微小份额的能量，它的功用引导集中携带着能量的电子的前进。几年之后，德布罗意随大流承认了那种“波动微粒二象性”。,德布罗意预言了电子波的衍射。1927年先后在几个国,15,海森堡创立矩阵力学,海森堡（,1901,1976,）认为在玻尔的原子结构模型中，电子运动轨道的概念无法用试验证实。相反，光的频率和谱线强度却可以直接观测。他认为应该以可以观测的量为基础去建立新理论。,1925,年海森堡写成了一篇论文,关于一些运动学和力学关系的量子论的重新解释,后来经过与玻恩，约尔丹的共同努力将其发展为量子力学的系统理论，发表了,关于量子力学,1,、,关于量子力学,2,两篇论文。这就是矩阵力学。,量子力学,1,发表后，泡利很快运用矩阵力学解决了氢原子的结构问题。,海森堡创立矩阵力学海森堡（19011976）认为在玻尔的原,16,薛定谔创立波动力学,奥地利物理学家薛定谔（,1897,1961,）,薛定谔认为按照德布罗意爱因斯坦运动粒子的波动理论，粒子不过是波动背景上的一个波峰而已。他在,1926,年一连发表了,6,篇论文建立了波动力学。薛定谔用波函数描写微观粒子的波动性建立了波函数所服从的波动方程薛定谔方程,这个方程在量子力学中的地位相当与经典力学中的牛顿方程,薛定谔创立波动力学奥地利物理学家薛定谔（18971961）,17,1926,年,薛定谔发现波动力学和矩阵力学在数学上是完全等价的。因此这两种理论通称为量子力学,1926年薛定谔发现波动力学和矩阵力学在数学上是完全等价的。,18,量子力学中的几个问题,玻恩对波函数的统计解释,海森堡的“测不准原理”,玻尔的“互补原理”,量子力学中的几个问题玻恩对波函数的统计解释,19,玻恩对波函数的统计解释,1926年玻恩提出了波函数的统计解释。认为波函数在空间某一点的强度（振幅绝对值的平方）同在这一点找到粒子的几率成正比。因此，描写粒子的物质波可以认为是几率波。这样轨道概念在量子力学中便失去了意义，从而统一了波粒二象性。玻恩关于波函数的统计解释很快得到了物理学界的公认。,玻恩对波函数的统计解释1926年玻恩提出了波函数的统计解释,20,海森堡的“测不准原理”,1927,年，德国物理学家海森堡提出了一个重要关系式：如果以 表示粒子位置的测量误差，以 表示粒子动量的测量误差，则同时测定二者时，精确度极限为：,E*t=h,式中,h,为,Planck,常数，,6.62610,-34,Js,测不准原理适用于一切宏观和微观，但他的有效性只限于微观物理学。指出了经典力学同量子力学的界限。,海森堡的“测不准原理”1927年，德国物理学家海森堡提,21,玻尔的“互补原理”,1927年玻尔提出“互补原理”，它是对“测不准关系”的一种解释：仪器应当分为测定位置和测定速度的两类，把这两类一起的结果“互补”起来才能得到对粒子的完全认识，而同时应用这两类仪器 去观测同一粒子是不可能的。,“互补原理”成为哥本哈根学派对量子力学的“正统”解释。,玻尔的“互补原理”1927年玻尔提出“互补原理”，它是对“测,22,“互补原理”遭到爱因斯坦的坚决抵制，爱因斯坦同玻尔展开了激烈的争论。哥本哈根学派认为，整个系统和单个粒子都服从统计规律，微观粒子具有自由意志，并主张在微观领域彻底抛弃力学的机械决定论和因果律。爱因斯坦则认为，量子力学的统计解释是人们对微观世界认识不够的一种反映，它反映了量子力学还不完备。玻姆则进一步认为，一旦找到了决定微观粒子运动的另一半参量，就可以将量子力学的几率解释还原为决定论的解释。,“互补原理”遭到爱因斯坦的坚决抵制，爱因斯坦同玻尔展开了激烈,23,哥本哈根解释的几个主要论点及其相反的意见,1,波粒二象性,2,测不准原理,3,互补原理,24,讨论,微观世界的因果性,经典物理学的概念在量子力学中的意义,讨论微观世界的因果性,25,谢谢大家！,26,微观世界的因果性,没有严格意义上的因果性。宇宙作为一个整体按照自身的规律发展，没有任何外来的原因。宇宙内部各种因素是普遍联系，相互作用的。不能想象从原因到结果的过程中不受其他因素的影响。,因此，因果律只是一种近似的概率统计的结果。,在宏观世界中，原本无限多，无限小的变量会表现为有限多个的、近似的、比较大的变量和无限多、无限小的变量的和。因果律就是这有限多个的、近似的、比较大的变量之间的关系。因为相对比较大的变量，可以忽略那些无限小的变量，从而得到比较精确的结果。微观世界中情况就不一样了。相对的比较大的变量本身就不突出，再和宏观的测量仪器相比较，会导致什么有的观测结果呢？因果性的概率将大大降低。,微观世界的因果性没有严格意义上的因果性。宇宙作为一个整体按照,27,