2021-2022学年高二物理竞赛课件：量子理论简史.pptx

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1、量子理论简史量子理论简史黑体辐射（量子概念的提出）黑体辐射（量子概念的提出）Wien半经验公式：Rayleigh-Jeans公式：Planck两参数经验公式：Planck“量子概念”公式：（=h)Einstein光量子:光电效应（Compton散射）、固态比热原子的线状线状光谱及其规律（波尔量子论）Balmer公式（氢原子可见光谱）：Ritz组合规则(一般原子光谱)：Rutherford有核模型的稳定性困难Bohr的量子理论：a）定态（稳定性），b）（跃迁概念与频率条件），c）对应原理（角动量量子化条件）对完整的量子力学理论的建立具有重要作用原子能量不连续：Frank-Hertz实验量子力学的

2、建立Heisenberg矩阵力学（Bohr对应原理）Schrodinger波动力学（de Broglie物质波，Davisson-Germer电子衍射）：与矩阵力学等价Dirac的电磁场量子理论及相对论量子力学（反粒子）Born的波函数统计解释：粒子波表述的物理涵义和理论的自洽性物理学的4次革命牛顿力学（天上人间的统一）麦克斯韦电磁理论（电磁光的统一）相对论（时空引力统一、质能统一）量子力学量子力学的创建:Planck,Bohr,Heisenberg,Einstein，Schrodinger,Dirac,Born,de Broglie,de Broglie波（对牛顿力学基本概念的彻底颠覆）“A

3、fter long reflexion in solitude and meditation,I suddenly had the idea,during the year 1923,that the discovery of light quanta made by Einstein in 1905 should be generalized by extending it to all material particles and notably to electrons.”相对论时空观：时间-空间、能量-动量 相互转化能量量子化 动量量子化波：波长、频率;粒子：动量、能量能量=普朗克常数

4、 x 波的频率 某方向动量=普朗克常数 x 该方向波数（Davisson-Germer实验验证）de Broglie波提供了适用于所有物理基本单元的新原理：将世界看做由多场而非多点粒子作用组成而使所有物理得到统一（量子场论/粒子物理）（一种消除电磁力与其所作用粒子区分的二象性）直接启发了薛定谔波方程，也比海森堡思想自洽 一切皆一切皆“波波”、一切皆、一切皆“场场”法拉第电磁“场”概念牛顿物理-关于力学的学问：物质粒子在力作用下的运动场的物质所依：以太（寻找新理论的解释所需）-用已知物理概念（粒子、力）解释新物理概念（场）的结果Maxwell:Whatever difficulties we m

5、ay have in forming a consistent idea of the constitution of the ether,there can be no doubt that the interplanetary and interstellar spaces are not empty,but are occupied by a material substance or body,which is certainly the largest,and probably the most uniform body of which we have knowledge.一切关于

6、微观基本过程的证据都是间接的超越理论框架与内涵及其所给定的物理实在边界是不可靠的，发明者亦不例外 1）科学、哲学及其他量子概念的产生和量子力学的建立说明了科学研究发现真理的一个重要过程：实验观察-数据分析（经验公式）-理论解释-概念的突破-新理论的萌生-进一步的实验验证与理论的完善科学性：可证伪性（科学发展的生命力）科研基础：科学原理与实验观察物理：物质世界运动和变化的基本规律（基础特性=实验观测理论总结：数学方程，数学量的物理涵义“物理是门实验科学？物理是门实验科学？”：实验观察是发现物理规律的源泉，也是检验物理规律的标准。哲学：世界观宗教：信仰、心理、先验性2）新旧科学理论转变的共性Do（

7、旧理论适用区：至给定精度），Dn（新理论适用区），Do Dn对Do，旧理论比新理论好用；除精度提高外，新理论经常带来崭新的概念变化。如Do=宏观低速，Dn=宏观任意速度（C）；相对论除改进了经典力学对高速现象的描述外，还革新了经典时空观和粒子运动速度无限制等概念量子力学除正确描述微观现象外，还带来了崭新的概念，如量子化（能量/物质单元、分立能级、空间取向等）、波粒二象性3）实践是重大物理发现的源泉经典物理、相对论、量子力学量子力学的发展对人类的物质文明有巨大贡献：宏观现象与性质有其微观起源物质的宏观形态的性质及化学基本结构与现象的基础 众多的技术应用与进步科学目的：1）认识世界，2）改造世界物

8、质世界的终极奥秘：1）基本粒子，2）宇宙，3）生命4）量子力学对哲学思想影响深刻而长远Jordan&Wigner对所有场进行量子化的方法：真空不空客观实在与否：认知的主观性（测量的作用）理论完备性（纠缠态非局域性/隐变量）现象新奇性（“非波非粒，亦波亦粒”）（相对论对时空观、宇宙学影响重大，理论思想得到广泛接受）文小刚：周五文小刚：周五2pm2pm报告（理化大楼一楼报告厅）报告（理化大楼一楼报告厅）5）关于学习本高量课程的基本建议物理-自然的科学-研究物质运动最一般的规律及物质的基本结构的学科量子力学：反映微观世界中物质运动规律性的理论；介观和宏观物质体系性质与现象的基础物质世界的基本规律通过

9、数学理论表述：数学形式/物理解释Paradox/interpretation Richard Feynman:“A paradox is only a confusion in our own understanding.”实用性原则：实用性原则：学习量子力学的数学理论基础与应用，不为学习量子力学的数学理论基础与应用，不为“非本征非本征”解释带来的哲学困惑所干扰解释带来的哲学困惑所干扰 基矢和矩阵表示1）厄米算符(A)的本征值是实数，属于不同本征值的本征矢正交。物理观测量A,态矢空间：A的本征矢为基矢2）矩阵表示算符：本征表象：对角矩阵本征表象：对角矩阵3）态矢的矩阵表示）态矢的矩阵表示 算符

10、间（XY）、态矢间（）、算符和态矢间（）的运算与其矩阵表示间的矩阵运算对应例：自旋1/2体系测量：A measurement always causes the system to jump into an eigenstate of the dynamical variable that is being measured.测量通常改变态矢(选择/过滤)，除非原为测量量本征态SG实验对Si(i=x,y,z)的确定 兼容观测量：A,B=0若A和B对易且A无兼并，则B在A表象为对角矩阵兼并情形：需独立对易观测量的最大集组成集合指标K表征态兼容观测量的测量介入不影响测量结果 不兼容观测量：A,B 0A和B没有一组完备的共同本征矢不兼容观测量的测量介入可能会产生不可恢复的影响（1）SG实验；（2）两者概率一般不同