量子力学发展史.pdf

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1、量子力学发展史量子力学发展史1 1量子力学发展史量子力学发展史摘要：本文通过对量子力学发展的研究，总结量子力学的发展史关键字：量子力学；量子理论；量子；薛定谔；海森堡1 1 引言引言量子论和相对论是现代物理学的两大基石。 它的建立耗时几十载， 至今仍在进一步完善之中。量子力学设计的问题之广也是其他理论所望尘莫及的， 整个微观领域都有它的踪影， 有些宏观领域如超导、 超流、 半导体导电行为、 宏观量子隧道效应等也都需要量子理论的解释。量子力学已成为现代物理学的基础之一。然而量子理论也是建立在前人大量的工作基础之上的， 其中主要的贡献者有大家熟悉的普朗克、爱因斯坦、尼尔斯波尔和德布罗意等。可以说量

2、子论给我们提供了新的关于自然界的表述方法和思考方法。 量子力学揭示了微观物质世界的基本规律， 为原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学奠定了理论基础。2 2 旧量子论旧量子论量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的。 旧量子论包括普朗克的量子假说、 爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论。2.12.1 量子假说量子假说1900 年，普朗克提出辐射量子假说，假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式（能量子）实现的，能量子的大小同辐射频率成正比，比例常数称为普朗克常数，从而得出黑体辐射能量分布公式，成功的解释了黑体辐射现象。2.22.2 光量子理论光量子理论1905 年，爱因斯坦引进光量子（光子）

3、的概念，并给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长的关系， 成功的解释了光电效应。 其后， 他又提出固体的振动能量也是量子化的，从而解释了低温下固体比热问题。1 1量子力学发展史量子力学发展史2.32.3 原子理论原子理论1913 年，玻尔在卢瑟福有核原子模型的基础上建立起原子的量子理论。按照这个理论，原子中的电子只能在分立的轨道上运动， 原子具有确定的能量， 它所处的这种状态叫 “定态” ，而且原子只有从一个定态到另一个定态， 才能吸收或辐射能量。 这个理论虽然有许多成功之处，但对于进一步解释实验现象还有许多困难。3 3 量子理论建立量子理论建立3.13.1 过渡过渡在人们认识到光具有波动和

4、微粒的二象性之后，为了解释一些经典理论无法解释的现象，法国物理学家德布罗意于 1923 年提出微观粒子波粒二象性的假说。德布罗意认为：正如光具有波粒二象性一样，实体的微粒（如电子、原子等）也具有这种性质，即既具有粒子性也具有波动性。这一假说不久就为实验所证实。由于微观粒子具有波粒二象性， 微观粒子所遵循的运动规律就不同于宏观物体的运动规律， 描述微观粒子运动规律的量子力学也就不同于描述宏观物体运动规律的经典力学。 当粒子的大小由微观过渡到宏观时，它所遵循的规律也由量子力学过渡到经典力学。3.23.2 薛定谔方程薛定谔方程量子力学与经典力学的差别首先表现在对粒子的状态和力学量的描述及其变化规律上

5、。在量子力学中，粒子的状态用波函数描述， 它是坐标和时间的复函数。 为了描写微观粒子状态随时间变化的规律，就需要找出波函数所满足的运动方程。这个方程是薛定谔在1926 年首先找到的，被称为薛定谔方程。薛定谔从这个方程得到的解正是氢原子的能级公式。 这样， 量子化就成了薛定谔方程的自然结果，而不是象玻尔和索末菲那样需要人为规定某些量子化条件。薛定谔把自己的新理论称为波动力学。 总括起来， 薛定谔的思想大概是从四个方面的前提得出来的：(1) 原子领域中电子的能量是分立的；(2) 在一定的边界条件下，波动方程的振动频率只能取一系列分裂的本征频率；(3) 哈密顿-雅可比方程不仅可用于描述粒子的运动，也

6、可用于描述光波；(4) 最关键的是爱因斯坦和德布罗意关于波粒二象性的思想。电子可以看成是一种波，其能量E 和动量 p 可用德布罗意公式与波长和频率v 联系在一起。3.33.3 波函数的物理诠释波函数的物理诠释薛定谔的波动力学提出后，人们普遍感到困惑的是其中某些关键概念 （例如波函数）的物理意义还不明确。 薛定谔把波函数解释成是描述物质波动性的一种振幅， 用波群的运动来描述力学过程。玻恩对薛定谔的波动力学作了重要补充。量子力学发展史量子力学发展史1 1他在对两个自由粒子的散射问题进行计算后对波函数的物理意义作了探讨， 指出： 发现粒子的几率正比于波函数的平方。 只要把波函数作这样的诠释， 散射结

7、果就有明确的意义。由于有了玻恩的诠释，波动力学才为公众普遍接受。3.43.4 测不准原理测不准原理测不准原理也叫不确定原理，是海森伯在1927 年首先提出的，它反映了微观粒子运动的基本规律，是物理学中又一条重要原理。在位置被测定的一瞬，即当光子正被电子偏转时，电子的动量发生一个不连续的变化，因此， 在确知电子位置的瞬间， 关于它的动量我们就只能知道相应于其不连续变化的大小的程度。于是，位置测定得越准确，动量的测定就越不准确，反之亦然。3.53.5 量子力学建立量子力学建立人们在寻找微观领域的规律时，从两条不同的道路建立了量子力学：1925 年，海森堡基于物理理论只处理可观察量的认识，抛弃了不可观察的轨道观念，并从可观察的辐射频率及其强度出发，和玻恩、约尔丹一起建立起矩阵力学；1926 年，薛定谔基于量子性质微观体系波动性的反映这一认识，找到了微观体系的运动方程，从而建立起波动力学，其后不久还证明了波动力学和矩阵力学的数学等价性； 狄拉克和约尔丹各自独立地发展了一种普遍的变换理论， 给出量子力学简洁、 完善的数学表达形式。4 4 结束语结束语到现在量子力学理论已经相当丰富， 然而完善工作还在由世界各地的理论物理学家们继续进行着。在将来，或许会有更好的理论代替量子理论， 这需要我们以后的理论工作进一步辛勤无私的奉献。参考文献参考文献裴寿镛量子力学M北京：高等教育出版社，2009