淺議量子力學(xué)發(fā)展和應(yīng)用

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1、淺議量子力學(xué)發(fā)展和應(yīng)用摘要：量子力學(xué)是對(duì)經(jīng)典物理學(xué)在微觀領(lǐng)域的一次革命。它有很多基本特征，如不確定性、波粒二象性等，在原子和亞原子的微觀尺度上將變的極為顯著。愛因斯坦、海森堡、波爾、薛定譜、狄拉克等人對(duì)其理論發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)基礎(chǔ)之一，在低速、微觀的現(xiàn)象范圍內(nèi)具有普遍適用的意義。論述了量子力學(xué)的發(fā)展以及與量子力學(xué)相關(guān)的物理概念，討論了量子力學(xué)研究的主要內(nèi)容。關(guān)鍵詞：量子力學(xué)量子力學(xué)發(fā)展質(zhì)子和粒子前言：量子力學(xué)是對(duì)牛頓物理學(xué)的根本否定。19世紀(jì)末正當(dāng)人們?yōu)榻?jīng)典物理取得重大成就歡呼的時(shí)候，一系列經(jīng)典理論無(wú)法解釋的現(xiàn)象一個(gè)接一個(gè)地發(fā)現(xiàn)了。在經(jīng)典力學(xué)時(shí)期，物理學(xué)所探討的

2、主要是那些描述用比較直接的試驗(yàn)研究就可以接觸到的物理現(xiàn)象的定律和理論。在宏觀和慢速的世界中，牛頓定律和麥克斯韋電磁理論是很好的自然定律。而對(duì)于發(fā)生在原子和粒子這樣小的物體中的物理現(xiàn)象，經(jīng)典物理學(xué)就顯得無(wú)能為力，很多現(xiàn)象沒法解釋。1?量子力學(xué)的起源量子論起源于經(jīng)典物理學(xué)體系中出現(xiàn)的反常的經(jīng)驗(yàn)問題，以及相伴隨的概念問題。量子力學(xué)的發(fā)展主要?dú)w功于四位物理學(xué)家。德國(guó)的海森伯于1926年作出了量子力學(xué)理論的第一種表述。利用矩陣力學(xué)的理論，求得描述原子內(nèi)部電子行為的一些可觀察量的正確數(shù)值。接著,奧地利的薛定銬發(fā)表了波動(dòng)力學(xué)，是量子力學(xué)的另一種數(shù)學(xué)表述。同年，德國(guó)的伯恩對(duì)上述兩種數(shù)學(xué)表述作出可以接

3、受的物理解釋，并首先使用“量子力學(xué)”這個(gè)名詞。1928年，英國(guó)的狄拉克又把上面的理論加以推廣，并與狹義相對(duì)論結(jié)合起來。量子力學(xué)是對(duì)牛頓物理學(xué)的根本否定。牛頓認(rèn)為物質(zhì)是由粒子組成的，粒子是一個(gè)實(shí)體，量子力學(xué)認(rèn)為粒子是波，波是無(wú)邊無(wú)際的。牛頓認(rèn)為宇宙是一部機(jī)器，可以把研究對(duì)象分成幾部分，然后對(duì)每一部分進(jìn)行研究。量子力學(xué)認(rèn)為自然界是深深地連通著的，一定不能把微觀體系看成是由可以分開的部分組成的。因?yàn)閮蓚€(gè)粒子從實(shí)體看可以分開，從波的角度他們是糾纏在一起的。牛頓認(rèn)為宇宙是可以預(yù)言的，而量子力學(xué)認(rèn)為，自然界在微觀層次上是由隨機(jī)性和機(jī)遇支配的。牛頓認(rèn)為自然界的變化是連續(xù)的，量子力學(xué)認(rèn)為自然界的變化

4、是以不連續(xù)的方式發(fā)生的。2.量子力學(xué)的形成2.1量子假說的提出1900年12月14日，德國(guó)物理學(xué)家普朗克在柏林德國(guó)物理學(xué)會(huì)一次會(huì)議上提出了黑體輻射定律的推導(dǎo)，這一天被認(rèn)為是量子力學(xué)理論的誕辰日。在推導(dǎo)輻射強(qiáng)度作為波長(zhǎng)和絕對(duì)溫度函數(shù)的理論表達(dá)式時(shí)，普朗克假設(shè)構(gòu)成腔壁的原子的行經(jīng)像極小電磁振子，各振子均有一個(gè)振蕩的特征頻率。振子發(fā)射電磁能量于空腔中，并自空腔中吸收電磁能量，因此可以由在輻射平衡狀態(tài)的振子的特性而推出空腔輻射的特性。而關(guān)于原子的振子，普朗克作了兩項(xiàng)根本的假設(shè)，現(xiàn)簡(jiǎn)述如下：①振子不能為"任何能量"，只能為：(1)式中：為振子頻率，為常數(shù)(現(xiàn)稱為普朗克常數(shù))，只能為整數(shù)(現(xiàn)稱為

5、量子數(shù))，(1)式斷言振子的能量只能是一份一份的，而不能是連續(xù)的，即振子能量是量子化的。②振子并不連續(xù)放射能量，僅能以"跳躍”方式放射，或稱'‘量子式”放射。當(dāng)振子自一量狀態(tài)改變至另一態(tài)時(shí)，即放出能量量子。因此，當(dāng)改變一個(gè)單位時(shí)，放射之能量為:只要振子仍在同一量子狀態(tài)，則既不放射能量也不吸收能量。2.2愛因斯坦利用量子假說揭開光電效應(yīng)之謎愛因斯坦根據(jù)普朗克的量子假設(shè)推理認(rèn)為：如果一個(gè)振動(dòng)電荷的能量是量子化的，那么它的能量變化只能是從一個(gè)允許的能量瞬時(shí)地躍遷到另一個(gè)允許的能量，因?yàn)楦静辉试S它具有任何中間的能量值。而能量守恒就意味著，發(fā)射出的輻射必須是以一股瞬時(shí)的輻射進(jìn)發(fā)的形式從振動(dòng)電

6、荷產(chǎn)生出來，而不是電磁波理論所預(yù)言的長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)波。愛因斯坦得出結(jié)論：輻射永遠(yuǎn)以一個(gè)個(gè)小包、小粒子的形式出現(xiàn),但不是象質(zhì)子、電子那樣的實(shí)物粒子。這些新粒子是輻射構(gòu)成的；它們是可見光粒子、紅外光粒子、射線粒子等等。這些輻射粒子叫做光子。光子和實(shí)物粒子不同：它們永遠(yuǎn)以光速運(yùn)動(dòng)；它們的靜止質(zhì)量為零；振動(dòng)的帶電粒子產(chǎn)生光子。3?量子力學(xué)的宇宙觀在原子的量子理論的探討中，從對(duì)氫原子的研究中發(fā)現(xiàn)，氫原子有無(wú)數(shù)個(gè)量子態(tài)。而電子多于一個(gè)的原子有更復(fù)雜的量子態(tài)，這些量子態(tài)都從求解適合于該特定原子的薛定銬方程，并且要求其場(chǎng)剛好環(huán)繞原子核產(chǎn)生駐波而求得。由于這些量子態(tài)的每一個(gè)都是有特定頻率的駐波，并且波的

7、頻率和它的能量相聯(lián)系，預(yù)期每個(gè)量子態(tài)只有一個(gè)特殊的能量。這就是說，預(yù)期任何一個(gè)態(tài)的能量不會(huì)有任何量子不確定性。可以對(duì)每個(gè)態(tài)的能量大小作合理的猜測(cè)。由于質(zhì)子作用于電子的力是吸引力，要把一個(gè)電子向外拖到離原子核更遠(yuǎn)的地方就必須做功。因此電子離原子核越遠(yuǎn)，電子的電磁能量就越高。量子理論的中心思想是，一切東西都由不可預(yù)言的粒子構(gòu)成，但這些粒子的統(tǒng)計(jì)行為遵循一種可以預(yù)言的波動(dòng)圖樣。1927年，德國(guó)物理學(xué)家海森伯發(fā)現(xiàn)，這種波粒二象性意味著，微觀世界具有一種內(nèi)稟的，可以