物理學史量子力學

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1、 物理學史論文 題 目：微觀物理的工具一一量子力學 學生姓名：崔利芳；吳丹麗；劉雯；譚奇 學生學號：08028037 ； ~32; ~38; ~35? 學院名稱：物理科學與技術(shù)學院 專業(yè)名稱：物理學（師范） 指導(dǎo)教師：陳皓 二零一一年五月 微觀物理的工具一一量子力學 崔利芳；吳丹麗；劉雯；譚奇 沈陽師范大學物理學院，沈陽110034 【文摘】本文介紹了量子力學產(chǎn)生的時代背景，介紹了早期的量子論及證明量子性的早 期實驗和解釋，闡述了量子力學的建立、發(fā)展及應(yīng)用。 【關(guān)鍵詞】量子力學；量子論；發(fā)展；應(yīng)用；微觀物理 1引言 量子力學是描述微觀世界結(jié)構(gòu)

2、、運動與變化規(guī)律的物理科學。它是20世紀 人類文明發(fā)展的一個重大飛躍，量子力學的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了一系列劃時代的科學發(fā)現(xiàn) 與技術(shù)發(fā)明，對人類社會的進步做出重要貢獻。 2時代背景 19世紀末正當人們?yōu)榻?jīng)典物理取得重大成就的時候，一系列經(jīng)典理論無法 解釋的現(xiàn)象一個接一個地發(fā)現(xiàn)了。德國物理學家維恩通過熱輻射能譜的測量發(fā)現(xiàn) 的熱輻射定理。德國物理學家普朗克為了解釋熱輻射能譜提出了一個大膽的假 設(shè)：在熱輻射的產(chǎn)生與吸收過程中能量是以hV為最小單位，一份一份交換的。 這個能量量子化的假設(shè)不僅強調(diào)了熱輻射能量的不連續(xù)性，而且與輻射能量和頻 率無關(guān)由振幅確定的基本概念直接相矛盾，無法納入任何一個經(jīng)典范疇。當時只

3、有少數(shù)科學家認真研究這個問題。 著名科學家愛因斯坦經(jīng)過認真思考，于1905年提出了光量子說。1916年美國物 理學家密立根發(fā)表了光電效應(yīng)實驗結(jié)果，驗證了愛因斯坦的光量子說。 3早期量子論 3?1量子假說 1900年12月14日，德國的普朗克首次提出微觀粒子的能量是量子化的概 念，假定電磁場和物質(zhì)交換能量是以間斷的形式（能量子）實現(xiàn)的，能量子的大小 同輻射頻率成正比，比例常數(shù)稱為普朗克常數(shù)，從而得出黑體輻射能量分布公式， 成功地解釋了黑體輻射現(xiàn)象。引入“普朗克常數(shù)”h。獲1918年諾貝爾獎。 3.2光量子理論 1905年，愛因斯坦引進光量子（光子）的概念，并給出了光子的能量、動量 與

4、輻射的頻率和波長的關(guān)系，成功地解釋了光電效應(yīng)。其后，他又提出固體的振 動能量也是量子化的，從而解釋了低溫下固體比熱問題。獲1921年的諾貝爾獎。 3.3原子理論 1913年，丹麥的玻爾在盧瑟福有核原子模型的基礎(chǔ)上建立了定態(tài)躍遷原子 理論模型。獲1922年諾貝爾獎。玻爾在盧瑟福有核原子模型的基礎(chǔ)上建立起原 子的量子理論。按照這個理論，原子中的電子只能在分立的軌道上運動，原子具 有確定的能量，它所處的這種狀態(tài)叫“定態(tài)”，而且原子只有從一個定態(tài)到另一個 定態(tài)，才能吸收或輻射能量。這個理論雖然有許多成功之處，但對于進一步解釋 實驗現(xiàn)象還有許多困難。 3.4德布羅意波 1924年，法國的德布羅意

5、提出“一切實物粒子也具有波粒二象性”。獲1929 年諾貝爾獎。在人們認識到光具有波動和微粒的二象性之后，為了解釋一些經(jīng)典 理論無法解釋的現(xiàn)象，法國物理學家德布羅意于1923年提出微觀粒子具有波粒 二象性的假說。德布羅意認為：正如光具有波粒二象性一樣，實體的微粒（如電 子、原子等）也具有這種性質(zhì)，即既具有粒子性也具有波動性。這一假說不久就 為實驗所證實。 由于觀粒子具有波粒二象性，微觀粒子所遵循的運動規(guī)律就不同于宏觀物體 的運動規(guī)律，描述微觀粒子運動規(guī)律的量子力學也就不同于描述宏觀物體運動規(guī) 律的經(jīng)典力學。當粒子的大小由微觀過渡到宏觀時，它所遵循的規(guī)律也由量子力 學過渡到經(jīng)典力學 3.5證實

6、量子性的早期實驗及解釋 3.5.1 1914年弗蘭克一赫茲實驗證明了原子內(nèi)部能級是分立 的，二人共享1925年諾貝爾獎。 3.5.2 1916年美國人密立根用實驗證實了愛因斯坦方程的正 確性，獲1923年諾貝爾獎。 3.5.3 1922年斯特恩一蓋拉赫實驗支持了玻爾的定態(tài)軌道原 子理論，并為“電子自旋”概念的提出提供了實驗基礎(chǔ)。 斯特恩獲1943年諾貝爾獎。 3.5.4 1923年用康普頓用光的量子理論解釋了“康普頓效應(yīng)”, 獲1927年諾貝爾獎。 3.5.5 1927年美國戴維遜一革末實驗及英國的湯姆遜電子 衍射實驗，證明了電子的波動性，戴維遜和湯姆遜 共享1937年諾貝爾獎。

7、4量子力學的建立與發(fā)展 4.1矩陣力學的創(chuàng)立 1925年，德國海森堡（1932年諾貝爾獎）提出不確定原理：不可能同時精確 地測量出粒子的動量和位置。量子理論跨越了牛頓力學中的死角，只有量子理論 能處理原子和分子現(xiàn)象中的細節(jié)。同年，海森堡提出矩陣力學理論。 4.2波動力學的創(chuàng)立 1926年，奧地利物理學家薛定諤（1933年諾貝爾獎）提出量子力學的第二 種形式——波動力學。在他的理論中，電子的運動狀態(tài)由一個神秘的波函數(shù)來描 述，它隨時間的變化遵循一個連續(xù)的波動方程，即'薛定諤方程”。同年，薛定諤 證明了矩陣力學和波動力學的等價性。此時，泡利也獨立地發(fā)現(xiàn)了這種等價性。 之后，狄拉克通過變換理

8、論進一步把矩陣力學和波動力學統(tǒng)一起來。 4.3量子力學的發(fā)展 4.3.1 1928年，英國的狄拉克（1933年諾貝爾獎）解決了物質(zhì)在高速運動時的量 子理論，將量子論和相對論統(tǒng)一起來。 4.3.2 1930年以后，量子理論很好地解釋了半導(dǎo)體的原理，為晶體管的出現(xiàn)奠定 了基礎(chǔ)。之后，量子理論在物理學、化學、半導(dǎo)體、微電子、芯片技術(shù)、生物學， 醫(yī)學等領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用。 4.3.3 1944年，薛定諤在《生命是什么》一書中，試圖把量子力學、熱力學和生 命科學的研究結(jié)合起來。 4.3.4 1948年，美國科學家約翰?巴丁、威兼?肖克利和瓦特?布拉頓根據(jù)量子理論 發(fā)明了晶體管，共享1956年諾貝爾

9、獎。 量子理論提供了精確一致地解決關(guān)于原子、激光、X射線、超導(dǎo)性以及其 他無數(shù)方面問題的能力。同時為量子醫(yī)學提供了理論基礎(chǔ)。 5人類邁入量子時代 5.1量子計算機： 是一類遵循量子力學規(guī)律進行高速數(shù)學和邏輯運算、存儲及處理量子信息的 物理裝置。當某個裝置處理和計算的是量子信息，運行的是量子算法時，它就是 量子計算機。2007年2月15日，“全球第一臺商用實用型量子計算機”在美國 亮相。 5.2量子通信： 利用量子糾纏效應(yīng)進行信息傳遞的一種新型的通訊方式，是量子論和信息論 相結(jié)合的新的研究領(lǐng)域。量子通信的神奇之處是真正做到了保密通信，其意義在 于可實現(xiàn)無限距離完全保密通信,且可實現(xiàn)計

10、算機的無限量級超級計算能力，目 前中國已經(jīng)率先達到應(yīng)用階段水平。 5.3量子密碼術(shù)： 是密碼術(shù)與量子力學結(jié)合的產(chǎn)物，它并不用于傳輸密文，而是用于建立、傳 輸密碼本。根據(jù)量子力學的不確定性原理以及量子不可克隆定理，任何竊聽者的 存在都會被發(fā)現(xiàn)，從而保證密碼本的絕對安全,也就保證了加密信息的絕對安全。 5.4其它應(yīng)用： 量子力學模擬方法能預(yù)測材料中電子的行為。因此它是目前最直接最精確的 用于計算材料和分子性質(zhì)的理論手段。 5.5生活中的應(yīng)用： MP3、電腦、微波爐、醫(yī)院的體檢儀器等等。 20世紀以來，量子力學不斷得到印證，也不斷得到創(chuàng)新，相應(yīng)理論似乎都對, 但是也都不完善。它的歷史本身就是一部爭議不斷的歷史，也是一部人類目前受 用最廣泛的學科。 小結(jié) 到現(xiàn)在量子力學理論已經(jīng)相當豐富，然而完善工作還在由世界各地的理論物 理學家們繼續(xù)進行著。在將來，或許會有更好的理論代替量子理論，這需要我們 以后的理論工作進一步辛勤無私的奉獻。