《物理量子物理》课件.pptx

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1、物理量子物理物理量子物理 制作人：时间：2024年X月目录目录第第1 1章章 简介简介第第2 2章章 波函数及其性质波函数及其性质第第3 3章章 观测和测量观测和测量第第4 4章章 量子力学中的算符量子力学中的算符第第5 5章章 量子力学中的哈密顿算符量子力学中的哈密顿算符第第6 6章章 总结总结 0101第第1章章 简简介介 物理量子物理简介物理量子物理简介量子物理是研究微观世界的物理学分支，它描述了微观粒子的波粒二象性和不确定性等特性。本课件将介绍量子力学的基本原理和应用。经典力学和量子力学的比较经典力学和量子力学的比较研究可见物质的运动和力学规律经典力学经典力学研究微观粒子的波粒二象性和

2、量子态量子力学量子力学牛顿力学和相对论 vs.波恩-海森堡原理和薛定谔方程基本假设基本假设微积分和矢量运算 vs.狄拉克符号和矩阵运算数学方法数学方法电子、光子等微观粒子既可看作粒子又可看作波动波粒二象性波粒二象性0103描述微观粒子在时间和空间上的演化规律薛定谔方程薛定谔方程02用波函数描述微观粒子的状态量子态量子态化学化学化学化学化学键和反应动力学化学键和反应动力学分子结构和谱学分子结构和谱学化学计算化学计算信息信息信息信息量子比特和量子计算量子比特和量子计算量子密钥分发和量子隐形传态量子密钥分发和量子隐形传态量子通信和网络量子通信和网络材料科学材料科学材料科学材料科学半导体器件和光电子器

3、件半导体器件和光电子器件量子器件和量子点量子器件和量子点超导材料和量子纠缠态超导材料和量子纠缠态量子力学的应用领域量子力学的应用领域物理物理物理物理量子场论量子场论量子电动力学量子电动力学量子引力理论量子引力理论经典力学和量子经典力学和量子经典力学和量子经典力学和量子力学的比较力学的比较力学的比较力学的比较经典力学和量子力学是两个物理学分支，它们研究的对象经典力学和量子力学是两个物理学分支，它们研究的对象经典力学和量子力学是两个物理学分支，它们研究的对象经典力学和量子力学是两个物理学分支，它们研究的对象不同，也有着不同的基本假设和数学方法。经典力学适用不同，也有着不同的基本假设和数学方法。经典

4、力学适用不同，也有着不同的基本假设和数学方法。经典力学适用不同，也有着不同的基本假设和数学方法。经典力学适用于宏观物体的运动和力学规律，而量子力学则适用于微观于宏观物体的运动和力学规律，而量子力学则适用于微观于宏观物体的运动和力学规律，而量子力学则适用于微观于宏观物体的运动和力学规律，而量子力学则适用于微观粒子的波粒二象性和量子态。量子力学的基本假设包括波粒子的波粒二象性和量子态。量子力学的基本假设包括波粒子的波粒二象性和量子态。量子力学的基本假设包括波粒子的波粒二象性和量子态。量子力学的基本假设包括波恩恩恩恩-海森堡原理和薛定谔方程，数学方法则使用狄拉克符号海森堡原理和薛定谔方程，数学方法则

5、使用狄拉克符号海森堡原理和薛定谔方程，数学方法则使用狄拉克符号海森堡原理和薛定谔方程，数学方法则使用狄拉克符号和矩阵运算。和矩阵运算。和矩阵运算。和矩阵运算。0202第第2章章 波函数及其性波函数及其性质质 波函数的定义和物理意波函数的定义和物理意义义波函数是描述量子力学中微观粒子状态的数学函数，通常用希腊字母表示。它的模方表示粒子在该状态下被测定为处于该状态的概率。波函数的归一化条件和波函数的归一化条件和概率密度函数概率密度函数波函数必须满足归一化条件，即它的模方在整个空间内积分等于1。波函数的模方被称为概率密度函数，表示在该区域内寻找粒子的概率密度。波函数的叠加和波函数的叠加和波函数的叠加

6、和波函数的叠加和干涉干涉干涉干涉波函数可以叠加，因此两个状态的波函数可以相加形成新波函数可以叠加，因此两个状态的波函数可以相加形成新波函数可以叠加，因此两个状态的波函数可以相加形成新波函数可以叠加，因此两个状态的波函数可以相加形成新的波函数。当两个波函数相遇时，它们可以干涉，产生出的波函数。当两个波函数相遇时，它们可以干涉，产生出的波函数。当两个波函数相遇时，它们可以干涉，产生出的波函数。当两个波函数相遇时，它们可以干涉，产生出新的波函数，这种现象被称为相干干涉。例如，双缝干涉新的波函数，这种现象被称为相干干涉。例如，双缝干涉新的波函数，这种现象被称为相干干涉。例如，双缝干涉新的波函数，这种现

7、象被称为相干干涉。例如，双缝干涉和杨氏实验就是常见的干涉现象。和杨氏实验就是常见的干涉现象。和杨氏实验就是常见的干涉现象。和杨氏实验就是常见的干涉现象。双缝干涉和杨氏实验双缝干涉和杨氏实验两条狭缝之间产生的干涉双缝干涉双缝干涉光通过狭缝产生的干涉杨氏实验杨氏实验两个波相长干涉相长干涉相长干涉 波函数的统计解释波函数的统计解释波函数模方表示寻找粒子的概率密度统计解释统计解释微观物理系统状态的数学描述量子态的统计量子态的统计解释解释波函数的平均值和离散程度期望值和标准期望值和标准差差 时间演化时间演化时间演化时间演化量子态的时间演化由波函数描量子态的时间演化由波函数描述述演化过程的量子态会发生退相

8、演化过程的量子态会发生退相干干概率幅概率幅概率幅概率幅描述量子态和波函数之间的关描述量子态和波函数之间的关系系可以通过波函数求解可以通过波函数求解相位相位相位相位波函数描述物理状态的相位波函数描述物理状态的相位通常用复数表示通常用复数表示薛定谔方程的解和时间演化薛定谔方程的解和时间演化薛定谔方程的解薛定谔方程的解薛定谔方程的解薛定谔方程的解波函数的时间演化由薛定谔方波函数的时间演化由薛定谔方程描述程描述类比于经典力学中牛顿第二定类比于经典力学中牛顿第二定律律演化过程中波函数相位失去相干退相干退相干0103描述粒子在不同状态之间转移的概率概率幅概率幅02描述微观粒子状态的量子态量子态量子态 03

9、03第第3章章 观测观测和和测测量量 观测和测量的基本概念观测和测量的基本概念一种通过感知和记录信息的方式观测观测一种通过检测物理量及其值的方式测量测量测量过程中物理量的值是确定的经典测量经典测量测量过程中物理量的值是概率性的量子测量量子测量观测和测量的数学描述观测和测量的数学描述测量算符作用于量子态得到本征值，量子态塌缩到相应的本征态观测的数学描观测的数学描述述一种厄密算符，用于描述测量的物理量测量算符测量算符测量算符作用于本征态得到相应的本征值本征值和本征本征值和本征态态 观测和测量的不确定性原理观测和测量的不确定性原理不能同时精确测量粒子的位置和动量不确定性原理不确定性原理物理量的不确定

10、度乘积不小于一个常数海森堡测不准海森堡测不准关系关系不能同时精确测量粒子的自旋和位置粒子自旋和位粒子自旋和位置的测量不确置的测量不确定性定性 通过量子隐形传态等实验对量子态进行测量量子态的实验制备和测量量子态的实验制备和测量0103将量子纠缠应用于加密传输和量子计算贝尔不等式实验贝尔不等式实验02物理量在空间上的变化具有连锁效应量子纠缠量子纠缠总结总结本章介绍了观测和测量的基本概念、数学描述、不确定性原理以及实验，了解这些内容对于深入理解量子物理学有很大的帮助。0404第第4章章 量子力学中的算符量子力学中的算符 算符的定义和物理意义算符的定义和物理意义量子力学中，算符是用来描述物理量的数学表

11、达式，与经典物理中的函数类似。本页将介绍算符的定义和物理意义，引入算符的本征值和本征态。算符的定义和物理意义算符的定义和物理意义算符是用来描述物理量的数学表达式，与经典物理中的函数类似。算符的定义算符的定义算符代表了可观测量的取值，并且可以对量子态进行操作。物理意义物理意义算符作用在某个态上得到的结果，称为本征值。本征值本征值 算符的性质和对易关系算符的性质和对易关系当算符作用于任意两个态的线性组合时，其结果也是这两个态的线性组合。线性性线性性一个算符的厄米共轭是其自身，或者说它是一个自共轭算符。厄米性厄米性一个算符作用两次后得到的结果等于这个算符本身。幂等性幂等性当两个算符对易时，它们可以被

12、同时测量，并且可以拥有相同的本征态。对易关系对易关系位置和动量算符位置和动量算符位置和动量算符位置和动量算符位置和动量是量子力学中最基本的物理量之一。本页将介位置和动量是量子力学中最基本的物理量之一。本页将介位置和动量是量子力学中最基本的物理量之一。本页将介位置和动量是量子力学中最基本的物理量之一。本页将介绍位置和动量算符的定义和数学表达式，并推导它们的对绍位置和动量算符的定义和数学表达式，并推导它们的对绍位置和动量算符的定义和数学表达式，并推导它们的对绍位置和动量算符的定义和数学表达式，并推导它们的对易关系和不确定性原理。易关系和不确定性原理。易关系和不确定性原理。易关系和不确定性原理。位置

13、和动量算符位置和动量算符位置算符是一个矢量算符，用来描述一个粒子在三维空间中的位置。位置算符位置算符动量算符是一个矢量算符，用来描述一个粒子在三维空间中的运动状态。动量算符动量算符位置和动量算符是不对易的，它们的对易关系是位置算符乘以动量算符减去动量算符乘以位置算符。对易关系对易关系根据不确定性原理，一个粒子的位置和动量不能同时确定一个确定的值。不确定性原理不确定性原理角动量算符是一个矢量算符，用来描述一个粒子的角动量状态。角动量算符的定义角动量算符的定义0103角动量算符是一个重要的非对易算符，它们的对易关系是由旋转群的对称性确定的。对易关系对易关系02旋转群是一类可以生成连续旋转变换的对称

14、群，常用来描述粒子在空间中的旋转状态。量子力学中的旋转群量子力学中的旋转群位置算符位置算符位置算符位置算符位置算符是一个矢量算符，可位置算符是一个矢量算符，可以描述一个粒子在三维空间中以描述一个粒子在三维空间中的位置。的位置。位置算符和动量算符是对易的，位置算符和动量算符是对易的，因此它们的本征态可以同时测因此它们的本征态可以同时测量。量。动量算符动量算符动量算符动量算符动量算符是一个矢量算符，可动量算符是一个矢量算符，可以描述一个粒子在三维空间中以描述一个粒子在三维空间中的运动状态。的运动状态。位置算符和动量算符是对易的，位置算符和动量算符是对易的，因此它们的本征态可以同时测因此它们的本征态

15、可以同时测量。量。对易关系对易关系对易关系对易关系角动量算符是非对易的，而位角动量算符是非对易的，而位置算符和动量算符是对易的。置算符和动量算符是对易的。这是由于位置和动量算符可以这是由于位置和动量算符可以看作是角动量算符的一部分，看作是角动量算符的一部分，而角动量算符并不满足对易关而角动量算符并不满足对易关系。系。角动量算符角动量算符角动量算符角动量算符角动量算符角动量算符角动量算符是一个矢量算符，角动量算符是一个矢量算符，可以描述一个粒子的角动量状可以描述一个粒子的角动量状态。态。由于角动量算符是非对易的，由于角动量算符是非对易的，所以它们的本征态不一定是同所以它们的本征态不一定是同时测量

16、的。时测量的。总结总结本章介绍了量子力学中的算符，包括算符的定义和物理意义，算符的性质和对易关系，以及位置、动量和角动量算符的定义和对易关系。这些概念是量子力学中的基础，对于理解量子力学的各个方面都有着重要的作用。0505第第5章章 量子力学中的哈密量子力学中的哈密顿顿算符算符 哈密顿算符的定义和物哈密顿算符的定义和物理意义理意义哈密顿算符的表达式和物理意义，是量子力学中非常重要的一个概念。哈密顿算符描述了量子系统内能量的变化，极其重要的量子力学波函数的演化方式，对于我们研究量子力学的基本规律和解决相关问题具有重要意义。哈密顿算符的性质和本哈密顿算符的性质和本征值问题征值问题在此我们将会讨论哈

17、密顿算符的线性性和厄米性，并引入哈密顿算符的本征值问题和定态薛定谔方程。这是量子力学中非常重要的概念，对于我们理解量子力学的本质和发展非常有帮助。介绍定态波函数的具体定义和含义定态波函数的定义定态波函数的定义0103简介定态波包的定义，以及与定态波函数的关系定态波包的定义定态波包的定义02讨论自由粒子的运动特性和量子态演化规律自由粒子的性质自由粒子的性质微扰理论和能量本征值修正微扰理论和能量本征值修正介绍微扰哈密顿量和微扰量的定义和涉及的假设微扰理论的基微扰理论的基本概念本概念讨论一、二阶微扰量对能量本征值的修正一、二阶微扰一、二阶微扰理论理论引入薛定谔-波恩-奥本海默方程，并解析其中的含义和

18、适用条件薛定谔薛定谔-波恩波恩-奥本海默方程奥本海默方程介绍非简并微扰理论的基本概念和计算方法非简并微扰理非简并微扰理论论哈密顿算符的表哈密顿算符的表哈密顿算符的表哈密顿算符的表达式和哈密顿量达式和哈密顿量达式和哈密顿量达式和哈密顿量的平移不变性的平移不变性的平移不变性的平移不变性在量子力学中，哈密顿量的平移不变性是极其重要的概念。在量子力学中，哈密顿量的平移不变性是极其重要的概念。在量子力学中，哈密顿量的平移不变性是极其重要的概念。在量子力学中，哈密顿量的平移不变性是极其重要的概念。本页我们将讨论哈密顿算符的表达式和哈密顿量的平移不本页我们将讨论哈密顿算符的表达式和哈密顿量的平移不本页我们将

19、讨论哈密顿算符的表达式和哈密顿量的平移不本页我们将讨论哈密顿算符的表达式和哈密顿量的平移不变性，以及相关的数学和物理概念。变性，以及相关的数学和物理概念。变性，以及相关的数学和物理概念。变性，以及相关的数学和物理概念。性质良好的势能性质良好的势能性质良好的势能性质良好的势能性质良好的势能定义为能量本性质良好的势能定义为能量本征值和本征态存在的势能征值和本征态存在的势能例如简谐振子、无限深方势阱例如简谐振子、无限深方势阱等简单模型都是性质良好的势等简单模型都是性质良好的势能能定态波包定态波包定态波包定态波包定态波包是用一定宽度的谐波定态波包是用一定宽度的谐波波包来近似表示定态波函数波包来近似表示

20、定态波函数可以用于模拟粒子在时空中的可以用于模拟粒子在时空中的运动和演化运动和演化时间演化和量子隧穿时间演化和量子隧穿时间演化和量子隧穿时间演化和量子隧穿量子力学中的时间演化和隧穿量子力学中的时间演化和隧穿现象都可以用波包的形式来解现象都可以用波包的形式来解释释在粒子的位置或能量出现隧穿在粒子的位置或能量出现隧穿的情况时，波包会发生对应的的情况时，波包会发生对应的变化和演化变化和演化性质良好的势能和定态波包性质良好的势能和定态波包定定定定态态态态波波波波函函函函数数数数的的的的正正正正交交交交性性性性定态波函数的正交性是指不同定态波函数的正交性是指不同态之间的波函数在空间内积的态之间的波函数在

21、空间内积的结果为结果为0 0这种正交性质是量子力学中求这种正交性质是量子力学中求解能量本征值和自由粒子运动解能量本征值和自由粒子运动状态的基本方法状态的基本方法本征值问题和定态薛定谔方程本征值问题和定态薛定谔方程介绍本征值问题的基本概念和量子态求解的方法本征值问题的本征值问题的定义和求解方定义和求解方法法引入薛定谔方程的含义和物理意义，解释定态薛定谔方程的应用场景薛定谔方程的薛定谔方程的定义和物理意定义和物理意义义具体介绍定态薛定谔方程的求解过程和方法定态薛定谔方定态薛定谔方程的求解程的求解讨论定态薛定谔方程的约束条件和扩展，以及波函数的物理意义和应用范围定态薛定谔方定态薛定谔方程的限制和扩程

22、的限制和扩展展 0606第第6章章 总结总结 量子力学的思想量子力学的思想量子力学的思想量子力学的思想和方法和方法和方法和方法量子力学是描述微观世界的物理学，它的思想和方法有很量子力学是描述微观世界的物理学，它的思想和方法有很量子力学是描述微观世界的物理学，它的思想和方法有很量子力学是描述微观世界的物理学，它的思想和方法有很多独特之处，例如波粒二象性、量子叠加态和量子纠缠现多独特之处，例如波粒二象性、量子叠加态和量子纠缠现多独特之处，例如波粒二象性、量子叠加态和量子纠缠现多独特之处，例如波粒二象性、量子叠加态和量子纠缠现象等。这些概念和现象，都是我们在本课程中重点讲解的象等。这些概念和现象，都

23、是我们在本课程中重点讲解的象等。这些概念和现象，都是我们在本课程中重点讲解的象等。这些概念和现象，都是我们在本课程中重点讲解的内容。内容。内容。内容。总结量子力学的思想和方法总结量子力学的思想和方法光的粒子性和波动性的统一波粒二象性波粒二象性量子态可以同时具有多个本征态量子叠加态量子叠加态量子态之间存在神秘的纠缠关系量子纠缠量子纠缠 量子力学的局限量子力学的局限量子力学的局限量子力学的局限性和未来性和未来性和未来性和未来虽然量子力学是一种非常成功的物理理论，但是它仍然存虽然量子力学是一种非常成功的物理理论，但是它仍然存虽然量子力学是一种非常成功的物理理论，但是它仍然存虽然量子力学是一种非常成功

24、的物理理论，但是它仍然存在很多局限性。例如：量子态的崩溃问题、量子测量的局在很多局限性。例如：量子态的崩溃问题、量子测量的局在很多局限性。例如：量子态的崩溃问题、量子测量的局在很多局限性。例如：量子态的崩溃问题、量子测量的局限性以及量子纠缠的限制等。未来，我们可以期待量子计限性以及量子纠缠的限制等。未来，我们可以期待量子计限性以及量子纠缠的限制等。未来，我们可以期待量子计限性以及量子纠缠的限制等。未来，我们可以期待量子计算和量子通信等领域的飞速发展，为人类带来更多的科技算和量子通信等领域的飞速发展，为人类带来更多的科技算和量子通信等领域的飞速发展，为人类带来更多的科技算和量子通信等领域的飞速发

25、展，为人类带来更多的科技创新和实用应用。创新和实用应用。创新和实用应用。创新和实用应用。讨论量子力学的局限性和未来的发展讨论量子力学的局限性和未来的发展量子态的演化受到环境的干扰量子态的崩溃量子态的崩溃问题问题测量结果受到测量方式的限制量子测量的局量子测量的局限性限性纠缠态之间的信息传输存在限制量子纠缠的限量子纠缠的限制制 通过实验加深对量子理论的理解建议一：理论与实践相结合建议一：理论与实践相结合0103掌握量子计算技术，开启量子计算时代建议三：掌握量子计算建议三：掌握量子计算02从不同角度分析问题，提高思维水平建议二：多角度思考问题建议二：多角度思考问题经典论文经典论文经典论文经典论文沃纳

26、沃纳海森堡的矩阵力学海森堡的矩阵力学薛定谔的波动力学薛定谔的波动力学迈克尔迈克尔贝里的贝尔定理贝里的贝尔定理 引用量子物理的经典著作和论文引用量子物理的经典著作和论文经典著作经典著作经典著作经典著作量子力学与路径积分量子力学与路径积分量子力学基础量子力学基础量子力学中的数学方法量子力学中的数学方法本课程的教学效本课程的教学效本课程的教学效本课程的教学效果和对学生的帮果和对学生的帮果和对学生的帮果和对学生的帮助助助助本课程主要介绍了量子力学的基本思想和方法，通过课程本课程主要介绍了量子力学的基本思想和方法，通过课程本课程主要介绍了量子力学的基本思想和方法，通过课程本课程主要介绍了量子力学的基本思

27、想和方法，通过课程的学习，不仅可以提高学生的物理素养，还可以拓宽学生的学习，不仅可以提高学生的物理素养，还可以拓宽学生的学习，不仅可以提高学生的物理素养，还可以拓宽学生的学习，不仅可以提高学生的物理素养，还可以拓宽学生的科学视野。我们希望学生能够通过本课程的学习，更好的科学视野。我们希望学生能够通过本课程的学习，更好的科学视野。我们希望学生能够通过本课程的学习，更好的科学视野。我们希望学生能够通过本课程的学习，更好地理解和掌握量子力学的基本概念和理论，为未来的学习地理解和掌握量子力学的基本概念和理论，为未来的学习地理解和掌握量子力学的基本概念和理论，为未来的学习地理解和掌握量子力学的基本概念和理论，为未来的学习和科研打下坚实的基础。和科研打下坚实的基础。和科研打下坚实的基础。和科研打下坚实的基础。THANKS 谢谢观看！