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1、第 十 七 章 量 子 力 学 基 础 知 识量子力学是研究微观粒子（如电子，原子和分子等）运动规律的学科量子力学的建立经历了由经典物理学到旧量子论，再由旧量子论到量子力学两个历史发展阶段。微观粒子运动的特征1 、几个代表性的实验 经典物理学发展到 19 世纪末，在理论上已相当完善，对当时发现的各种物理现象都能加以理论上的说明。它们主要由牛顿的经典力学，麦克斯韦的电、磁和光的电磁波理论，玻耳兹曼和吉布斯等建立的统计物理学组成。19 世纪末，人们通过实验发现了一些新的现象，它们无法用经典物理学解释，这些具有代表性的实验有以下 3 个。（1）黑体辐射黑体是指能全部吸收各种波长辐射的物体，它是一种理
2、想的吸收体，同时在加热它时，又能最大程度地辐射出各种波长的电磁波。绝热的开有一个小孔的金属空腔就是一种良好的黑体模型。进入小孔的辐射，经多次吸收和反射，可使射入的辐射实际上全部被吸收，当空腔受热时，空腔会发出辐射，称为黑体辐射。实验发现，黑体辐射能量与波长的关系主要与温度有关，而与空腔的形状和制作空腔的材料无关。在不同温度下，黑体辐射的能量（亦称辐射强度）与波长的关系如图所示。许多物理学家试图用经典热力学和统计力学方法解释黑体辐射现象。瑞利（Rayleigh J W）和金斯 (Jeans J H)把分子物理学中能量按自由度均分的原理用于电磁辐射理论，得到的辐射能量公式在长波处接近实验结果，在短
3、波处和实验明显不符。特别是瑞利-金斯的理论预示在短波区域包括紫外以至 x 射线、 射线将有越来越高的辐射强度，完全与事实不符，这就是物理学上所谓的“紫外灾难” 。维恩(Wien W)假设辐射按波长分布类似于麦克斯韦的分子速度分布，得到的公式在短波处和实验结果接近，在长波处相差很大。1900 年普朗克(Planck M)在深入研究了实验数据，并在经典力学计算的基础上首先提出了“能量量子化”的假设，他认为黑体中原子或分子辐射能量时做简谐振动，这种振子的能量只能采取某一最小能量单位 0的整数倍数值。=n 0, n=1，2，3，.n 称量子数。并且 0=h其中 h 称为普朗克常数，数值为 6.6261
4、0-34 J.s由于量子数 n 取值的整数性，辐射能量具有跳跃式的不连续性。这种能量变化的不连续性就称为能量的量子化。在量子化假定基础上，使振子的各本征振动的能量服从玻尔兹曼分布，得到辐射强度与波长的关系 318exp(/)EhckT式中，T 为绝对温度；c 是光速；k 是玻尔兹曼常数。这个公式结果和实验结果完全一致，很好地描述了黑体辐射问题。下图中就是 1500K 时辐射强度实验数据与瑞利-金斯理论及普朗克理论的比较。（2）光电效应19 世纪赫兹发现光照射到金属表面上时，金属表面上会发射出光电子的现象就是的光电效应。测定装置示意图如图。当合适频率的入射光透过石英窗射向金属电极 A 时，电极将
5、发射具有一定动能的电子。在该电极与环形电极 C 间施加电压 V，可在检流计 G 中检测到光电流。当电压减少至零时，光电流仍有一定大小，说明光电子本身有动能。当电压变负达到某值时，光电流等于零，此时电压与电荷的乘积应与光电子的动能相等，由此可估计光电子动能的大小。实验中发现的规律主要有以下几点：每种金属都有一固定的频率 0，称为临阈频率。只有当入射光频率大于 0时，才会有光电流产生，否则，无论光强度多大都不会产生光电流。光电流强度和入射光强度成正比。光电子电子动能和入射光频率成线性增长关系，而与入射光强度无关经典物理学理论认为光的能量应由光的强度决定，即由光的振幅决定，而与光的频率无关，光的频率
6、只决定光的颜色。光电流是金属内电子吸收入射光能量后逸出金属表面所产生的，因此，光电流是否产生，以及产生后光电子的动能大小应由光强度决定。这样的解释显然和光电效应实验相矛盾。1905 年，爱因斯坦提出光子学说，成功地解释了光电效应，它的主要思想如下：光的能量只能是最小能量单位 0（称光量子）的整数倍，=n 0，n=1，2，3，n 称为量子数，并且光能量与光子频率 成正比， 0=h光子不但有能量，还有质量 m，不同频率的光子具有不同的质量。光子具有动量 P=mc=h/光强度取决于单位体积内的光子数，即光子密度。根据爱因斯坦的光子学说，当光照射到金属表面上时，能量为 h 的光子被电子所吸收，电子将这
7、部分能量中的一部分用来克服金属表面对它的吸引力，另一部分转变成逸出电子的动能。h 0为电子逸出功，所以只有当频率大于临阈频率时，才能有电子逸出，产生光电流。入射光强度越大，光子密度越大，光子越多，产生的光电流就越大，因此，光电流强度和入射光强度成正比。（3）氢原子光谱原子被火焰、电弧等激发时，能受激而发光，形成光源。将它的辐射线通过分光可以得到许多不连续的明亮的线条，称为原子光谱。实验发现原子光谱是不连续的线状光谱。这又是一个经典物理学不能解释的现象。下图就是氢原子的巴尔末线系1911 年卢瑟福(Rutherford E)用 粒子散射实验证实了原子模型，认为原子是由电子绕核运动构成的。经典物理
8、学无法解释原子光谱现象，因为根据经典电动力学，绕核作轨道运动的电子是有加速度的，应当自动地放射出辐射，因而能量要逐渐减少，这样会使电子逐渐接近原子核，最后和核相撞，因此原子应为一个不稳定的体系。另一方面，根据经典电动力学，电子放出辐射的频率应等于电子绕核运动的频率，由于电子的能量要逐渐减少，其运动的频率也将逐渐地改变，因而辐射的频率也将逐渐地改变，所以原子发射的光谱应当是连续的。然而实验测得的光谱却是线状的、不连续的。这些都和经典的理论发生了本质的矛盾。1913 年玻尔(Bohr N)根据普朗克的量子论，爱因斯坦的光子学说和卢瑟福的原子模型，提出关于原子结构的三个假定：电子只能在核外某些稳定的
9、轨道上运动，这时电子绕核旋转不产生经典辐射，原子相应处于稳定态，简称定态。能量最低的稳定态称为基态，其它的称为激发态。原子可由某一定态跳跃到另一个定态，称为跃迁，跃迁中放出或吸收辐射，其频率为 hE 2E 1E原子各种可能存在的定态轨道有一定限制，即电子的轨道运动的角动量必须等于 h/2 的整数倍， M nh/2， n1,2,3,此式又称玻尔的量子化规律，其中 n 为量子数。%1913 年玻尔(Bohr N)根据普朗克的量子论，爱因斯坦的光子学说和卢瑟福的原子模型，提出关于原子结构的三个假定：电子只能在核外某些稳定的轨道上运动，这时电子绕核旋转不产生经典辐射，原子相应处于稳定态，简称定态。能量
10、最低的稳定态称为基态，其它的称为激发态。原子可由某一定态跳跃到另一个定态，称为跃迁，跃迁中放出或吸收辐射，其频率为 hE 2E 1E原子各种可能存在的定态轨道有一定限制，即电子的轨道运动的角动量必须等于 h/2 的整数倍， M nh/2， n1,2,3,此式又称玻尔的量子化规律，其中 n 为量子数。根据玻尔的假定可以计算出氢原子基态轨道的半径 a0为 52.9pm，基态能量为-13.6eV，和实验结果十分接近。对于微观体系的运动，经典物理学已完全不能适用。以普朗克的量子论、爱因斯坦的光子学说和玻尔的原子模型方法为代表的理论称为旧量子论。旧量子论尽管解释了一些简单的现象，但是，对绝大多数较为复杂
11、的情况，仍然不能解释。这显然是由于旧量子论并没有完全放弃经典物理学的方法，只是在其中加入了量子化的假定，然而量子化概念本身与经典物理学之间是不相容的。因此，旧量子论要作为一个完整的理论体系，其本身是不能自圆其说的。从黑体辐射、光电效应和原子光谱等实验可见，对于微观体系的运动，经典物理学已完全不能适用。以普朗克的量子论、爱因斯坦的光子学说和玻尔的原子模型方法为代表的理论称为旧量子论。旧量子论尽管解释了一些简单的现象，但是，对绝大多数较为复杂的情况，仍然不能解释。这显然是由于旧量子论并没有完全放弃经典物理学的方法，只是在其中加入了量子化的假定，然而量子化概念本身与经典物理学之间是不相容的。因此，旧
12、量子论要作为一个完整的理论体系，其本身是不能自圆其说的。2 、波粒二象性的普遍性及统计解释17 世纪末以前，人们对光的观察和研究还只限于几何光学方面。从光的直线传播、反射定律和折射定律出发，对于光的本性问题提出了两种相反的学说以牛顿为代表的微粒说和以惠更斯为代表的波动说。微粒说认为，光是由光源发出的以等速直线运动的微粒流。微粒种类不同，颜色不同。在光反射和折射时，表现为刚性弹性球。波动说认为光是在媒质中传播的一种波，光的不同颜色是由于光的波长不同引起的。微粒说和波动说都能解释当时已知的实验事实，但在解释折射现象时导出的折射率结论相反：微粒说的结论是光在媒质中的相对折射率正比于光在媒质中的传播速
13、率，而波动说则得出相对折射率反比于光在媒质中的传播速率的结论。当时由于还不能准确测量光速，所以无法判断哪种说法对。随后光的干涉和衍射现象相继发现，这些现象是波的典型性质，而微粒说无法解释。光速的精确测定证实了波动说对折射率的结论是正确的。光的偏振现象进一步说明光是一种横波。因此在 19 世纪末、本世纪初的黑体辐射、光电效应和康普顿散射等现象发现以前，波动说占了优势。为了解释光在真空中传播的媒质问题，提出了“以太”假说。 “以太”被认为是一种弥漫于整个宇宙空间、渗透到一切物体之中且具有许多奇妙性质的物质，而光则认为是以“以太”为媒质传播的弹性波。19 世纪 70 年代，麦克斯韦建立了电磁场理论，
14、预言了电磁波的存在。不久后赫兹通过实验发现了电磁波。麦克斯韦根据光速与电磁波速相同这一事实，提出光是一种电磁波，这就是光的电磁理论。根据麦克斯韦方程组和电磁波理论，光和电磁波无需依靠“以太”作媒质传播，其媒质就是交替变化的电场和磁场本身。所谓“以太”是不存在的。到了 19 世纪末，因为光的电磁波学说不能解释黑体辐射现象而碰到了很大的困难。为了解释这个现象，普朗克在 1900 年发表了他的量子论。接着爱因斯坦推广普朗克的量子论，在 1905 年发表了他的光子学说，圆满地解释了光电效应，又在 1907 年在振子能量量子化的基础上解释了固体的比热与温度的关系问题。根据他的意见，光的能量不是连续地分布
15、在空间，而是集中在光子上。这个学说因为康普顿效应的发现再一次得到了实验证明。光子学说提出以后，重新引起了波动说和微粒说的争论，并且问题比以前更尖锐化了，因为凡是与光的传播有关的各种现象，如衍射、干涉和偏振，必须用波动说来解释，凡是与光和实物相互作用有关的各种现象，即实物发射光（如原子光谱等） 、吸收光（如光电效应、吸收光谱等）和散射光（如康普顿效应等）等现象，必须用光子学说来解释。不能用简单的波动说或微粒说来解释所有现象。因此，光既具有波动性的特点，又具有微粒性的特点，即它具有波、粒二象性(wave particle duality)，它是波动性和微粒性的矛盾统一体，不连续的微粒性和连续的波动
16、性是事物对立的两个方面，它们彼此互相联系，相互渗透，并在一定的条件下相互转化，这就是光的本性。所谓波动和微粒，都是经典物理学的概念，不能原封不动地应用于微观世界。光既不是经典意义上的波，也不是经典意义上的微粒。光的波动性和微粒性的相互联系特别明显地表现在以下三个式子中：E=h,p=h/,=k| 2在以上三个式子中等号左边表示微粒的性质即光子的能量 E、动量 p 和光子密度 ，等式右边表示波动的性质，即光波的频率 、波长 和场强 。按照光的电磁波理论，光的强度正比于光波振幅的平方| 2，按照光子学说，光的强度正比于光子密度 ，所以 正比于| 2，令比例常数为 k，即得到=k| 21924 年，法国物理学家德布罗意提出，这种“二象性”并不特殊地只是一个光学现象，而是具有一般性的意义。他说：“整个世纪以来，在光学上，比起波动的研究方法，是过于忽略了粒子的研究方法；
