物理學(xué)史量子力學(xué)

物理學(xué)史論文 題 目：微觀物理的工具一一量子力學(xué) 學(xué)生姓名：崔利芳；吳丹麗；劉雯；譚奇 學(xué)生學(xué)號(hào)：08028037 ； ~32; ~38; ~35? 學(xué)院名稱：物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 專業(yè)名稱：物理學(xué)（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(xué) 崔利芳；吳丹麗；劉雯；譚奇 沈陽師范大學(xué)物理學(xué)院，沈陽110034 【文摘】本文介紹了量子力學(xué)產(chǎn)生的時(shí)代背景，介紹了早期的量子論及證明量子性的早 期實(shí)驗(yàn)和解釋，闡述了量子力學(xué)的建立、發(fā)展及應(yīng)用。 【關(guān)鍵詞】量子力學(xué)；量子論；發(fā)展；應(yīng)用；微觀物理 1引言 量子力學(xué)是描述微觀世界結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)與變化規(guī)律的物理科學(xué)。它是20世紀(jì) 人類文明發(fā)展的一個(gè)重大飛躍，量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了一系列劃時(shí)代的科學(xué)發(fā)現(xiàn) 與技術(shù)發(fā)明，對(duì)人類社會(huì)的進(jìn)步做出重要貢獻(xiàn)。 2時(shí)代背景 19世紀(jì)末正當(dāng)人們?yōu)榻?jīng)典物理取得重大成就的時(shí)候，一系列經(jīng)典理論無法 解釋的現(xiàn)象一個(gè)接一個(gè)地發(fā)現(xiàn)了。德國物理學(xué)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(xué)家普朗克為了解釋熱輻射能譜提出了一個(gè)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(gè)能量量子化的假設(shè)不僅強(qiáng)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(gè)經(jīng)典范疇。當(dāng)時(shí)只 有少數(shù)科學(xué)家認(rèn)真研究這個(gè)問題。 著名科學(xué)家愛因斯坦經(jīng)過認(rèn)真思考，于1905年提出了光量子說。1916年美國物 理學(xué)家密立根發(fā)表了光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)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(shí)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(jiǎng)。 3.2光量子理論 1905年，愛因斯坦引進(jìn)光量子（光子）的概念，并給出了光子的能量、動(dòng)量 與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(dòng)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(jiǎng)。 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(jiǎng)。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(gè)理論，原子中的電子只能在分立的軌道上運(yùn)動(dòng)，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(gè)定態(tài)到另一個(gè) 定態(tài)，才能吸收或輻射能量。這個(gè)理論雖然有許多成功之處，但對(duì)于進(jìn)一步解釋 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象還有許多困難。 3.4德布羅意波 1924年，法國的德布羅意提出“一切實(shí)物粒子也具有波粒二象性”。獲1929 年諾貝爾獎(jiǎng)。在人們認(rèn)識(shí)到光具有波動(dòng)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(xué)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(rèn)為：正如光具有波粒二象性一樣，實(shí)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(dòng)性。這一假說不久就 為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。 由于觀粒子具有波粒二象性，微觀粒子所遵循的運(yùn)動(dòng)規(guī)律就不同于宏觀物體 的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的量子力學(xué)也就不同于描述宏觀物體運(yùn)動(dòng)規(guī) 律的經(jīng)典力學(xué)。當(dāng)粒子的大小由微觀過渡到宏觀時(shí)，它所遵循的規(guī)律也由量子力 學(xué)過渡到經(jīng)典力學(xué) 3.5證實(shí)量子性的早期實(shí)驗(yàn)及解釋 3.5.1 1914年弗蘭克一赫茲實(shí)驗(yàn)證明了原子內(nèi)部能級(jí)是分立 的，二人共享1925年諾貝爾獎(jiǎng)。 3.5.2 1916年美國人密立根用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了愛因斯坦方程的正 確性，獲1923年諾貝爾獎(jiǎng)。 3.5.3 1922年斯特恩一蓋拉赫實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。 斯特恩獲1943年諾貝爾獎(jiǎng)。 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(jiǎng)。 3.5.5 1927年美國戴維遜一革末實(shí)驗(yàn)及英國的湯姆遜電子 衍射實(shí)驗(yàn)，證明了電子的波動(dòng)性，戴維遜和湯姆遜 共享1937年諾貝爾獎(jiǎng)。 4量子力學(xué)的建立與發(fā)展 4.1矩陣力學(xué)的創(chuàng)立 1925年，德國海森堡（1932年諾貝爾獎(jiǎng)）提出不確定原理：不可能同時(shí)精確 地測量出粒子的動(dòng)量和位置。量子理論跨越了牛頓力學(xué)中的死角，只有量子理論 能處理原子和分子現(xiàn)象中的細(xì)節(jié)。同年，海森堡提出矩陣力學(xué)理論。 4.2波動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)立 1926年，奧地利物理學(xué)家薛定諤（1933年諾貝爾獎(jiǎng)）提出量子力學(xué)的第二 種形式——波動(dòng)力學(xué)。在他的理論中，電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由一個(gè)神秘的波函數(shù)來描 述，它隨時(shí)間的變化遵循一個(gè)連續(xù)的波動(dòng)方程，即'薛定諤方程”。同年，薛定諤 證明了矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)的等價(jià)性。此時(shí)，泡利也獨(dú)立地發(fā)現(xiàn)了這種等價(jià)性。 之后，狄拉克通過變換理論進(jìn)一步把矩陣力學(xué)和波動(dòng)力學(xué)統(tǒng)一起來。 4.3量子力學(xué)的發(fā)展 4.3.1 1928年，英國的狄拉克（1933年諾貝爾獎(jiǎng)）解決了物質(zhì)在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)的量 子理論，將量子論和相對(duì)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(xué)、化學(xué)、半導(dǎo)體、微電子、芯片技術(shù)、生物學(xué)， 醫(yī)學(xué)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(xué)、熱力學(xué)和生 命科學(xué)的研究結(jié)合起來。 4.3.4 1948年，美國科學(xué)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年諾貝爾獎(jiǎng)。 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(shí)為量子醫(yī)學(xué)提供了理論基礎(chǔ)。 5人類邁入量子時(shí)代 5.1量子計(jì)算機(jī)： 是一類遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算、存儲(chǔ)及處理量子信息的 物理裝置。當(dāng)某個(gè)裝置處理和計(jì)算的是量子信息，運(yùn)行的是量子算法時(shí)，它就是 量子計(jì)算機(jī)。2007年2月15日，“全球第一臺(tái)商用實(shí)用型量子計(jì)算機(jī)”在美國 亮相。 5.2量子通信： 利用量子糾纏效應(yīng)進(jìn)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(shí)現(xiàn)無限距離完全保密通信,且可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的無限量級(jí)超級(jí)計(jì)算能力，目 前中國已經(jīng)率先達(dá)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(xué)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(xué)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(huì)被發(fā)現(xiàn)，從而保證密碼本的絕對(duì)安全,也就保證了加密信息的絕對(duì)安全。 5.4其它應(yīng)用： 量子力學(xué)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(jì)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(jì)以來，量子力學(xué)不斷得到印證，也不斷得到創(chuàng)新，相應(yīng)理論似乎都對(duì), 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(xué)科。 小結(jié) 到現(xiàn)在量子力學(xué)理論已經(jīng)相當(dāng)豐富，然而完善工作還在由世界各地的理論物 理學(xué)家們繼續(xù)進(jìn)行著。在將來，或許會(huì)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(jìn)一步辛勤無私的奉獻(xiàn)。