物理学与人类文明课件4

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1、第四讲：奇妙的量子世界 第四讲：奇妙的量子世界 (扎实基础与重大突破) (扎实基础与重大突破) 量子力学前夜量子力学前夜 “ 在已经基本建成的科学大厦中在已经基本建成的科学大厦中, 后辈物理学家似乎只要做一些零碎的 修补工作就行了后辈物理学家似乎只要做一些零碎的 修补工作就行了, ” - Thomson Lord Kelvin (英) 1900 年 4 月 宇宙的奥秘是不可穷尽的！宇宙的奥秘是不可穷尽的！二十世纪不同时期物理学的重大突破列举 二十世纪不同时期物理学的重大突破列举 1900-1909 1900-1909 阴极射线研究，黑体辐射理论，无线电报， 相对论(1905, 1015)，测定

2、电子电量，光电效应 阴极射线研究，黑体辐射理论，无线电报， 相对论(1905, 1015)，测定电子电量，光电效应 1950-1959 1950-1959 弱相互作用下宇称不守恒，发现反质子， 穆斯堡尔效应，BC S 超导电性理论，全息照相弱相互作用下宇称不守恒，发现反质子， 穆斯堡尔效应，BC S 超导电性理论，全息照相 1990-1999 1990-1999 介观纳米物理，C介观纳米物理，C6060及其家族，超弦理论突破， 原子操作，巨磁阻效应，原子激光, 量子通讯及其家族，超弦理论突破， 原子操作，巨磁阻效应，原子激光, 量子通讯 从上页表中不同年代物理学重大突破的数量来看， 我们丝毫觉

3、察不出有任何“物理学宝库正在逐渐枯竭” 或“已被别人发明光了”的迹象！ 从上页表中不同年代物理学重大突破的难易程度 来看，我们也找不出有任何“今后物理学的重大发现会 越来越难”或“容易发明的东西已被别人想光了”的证据! “宇宙的奥秘是不可穷尽的！”“宇宙的奥秘是不可穷尽的！” 此话的正确性起码具有相对的意义此话的正确性起码具有相对的意义! 机遇随时在我们身边，突破徘徊在我们的机遇随时在我们身边，突破徘徊在我们的 笔尖之下，划时代的伟大发明很可能就存在于笔尖之下，划时代的伟大发明很可能就存在于 我们眼前的微光一闪或存在于我们耳边的一丝我们眼前的微光一闪或存在于我们耳边的一丝 杂音之中。杂音之中。

4、 1原子模型 1原子模型 （a） 汤姆逊原子模型 正电荷背景电子 （a） 汤姆逊原子模型 正电荷背景电子 正电荷背景（正电荷均匀分布） 正电荷背景（正电荷均匀分布） 电子镶嵌 电子镶嵌 （b）卢瑟福原子模型 （b）卢瑟福原子模型 （行星模型或核式模型）（行星模型或核式模型）-e +Ze 核式结构 -e +Ze 核式结构 原子半径原子半径 10 10-10 -10 米 米 核半径 10核半径 10-15 -15 米 核质量 99.9 % 原子质量米 核质量 99.9 % 原子质量 计算结果与实验事实计算结果与实验事实相符相符！ ！ (c)玻尔原子模型(c)玻尔原子模型(玻尔假说)(玻尔假说)：

5、： 原子核外电子各自在固定轨道上绕核转动，且无电磁辐射； 当电子从一轨道跃迁到另一轨道时，放出（或吸出）能量为 原子核外电子各自在固定轨道上绕核转动，且无电磁辐射； 当电子从一轨道跃迁到另一轨道时，放出（或吸出）能量为 hEEnn=,的光子, 其中的光子, 其中为光子频率. 为光子频率. h = 6.6310 h = 6.6310-34 -34 焦耳秒焦耳秒 普朗克常数普朗克常数 2. 普朗克黑体辐射假说：普朗克黑体辐射假说： 电磁辐射的能量交换是量子化的，电磁辐射的能量交换是量子化的， 即即 nhn=，n = 1，2，3， v - 频率频率 普朗克常数普朗克常数 h = 6.6310 -34

6、（焦耳秒）（焦耳秒） =00 dedekTKT =0nKT0nKT nnnee -普朗克公式普朗克公式KTd ed CdTu KTh18),(32=uR-J 公式公式量子力学诞生日：量子力学诞生日：1900 年年 10 月月 19 日日实验值实验值3. 光电效应3. 光电效应 （爱因斯坦，1905 年）（爱因斯坦，1905 年） 光是由无静止质量的微粒（光子）组成的，其能量为 光是由无静止质量的微粒（光子）组成的，其能量为 hE =， （ ， （c=） 动量为 ） 动量为 hp =。 。 光 光 粒子性和波动性的统一体粒子性和波动性的统一体 4. 德布罗意波粒二象性假说 4. 德布罗意波粒二象

7、性假说 任何微观粒子既是一种粒子，又是一种波动。 粒子动量任何微观粒子既是一种粒子，又是一种波动。 粒子动量p p和波长和波长之间满足 之间满足 ph=德布罗意公式德布罗意公式 例：例： 一颗电子 加速电压 U 100 伏一颗电子 加速电压 U 100 伏 23.1=mvh ph 电子束双缝电子束双缝电子双缝干涉实验电子双缝干涉实验:电子“穿过”双缝的量子物理图象： 电子“穿过”双缝的量子物理图象： 仅当缝 1 打开，屏幕上记录强度为 |仅当缝 1 打开，屏幕上记录强度为 |1 1| |2 2 ， 仅当缝 2 打开，屏幕上记录强度为 |， 仅当缝 2 打开，屏幕上记录强度为 |2 2| |2

8、2 ， ， 双缝均打开，屏幕上记录强度为 双缝均打开，屏幕上记录强度为 |11+2 2| |22= |= |1 1| |2 2 + |+ |2 2| |2 2 + + 1* 1*2 2 + + 1 12* 2* 任何一颗电子“穿过”双缝时，两条缝同时起作用! 电子的“分身术”来源于电子的波粒二象性! 电子在空间是几率分布 - 物质波 任何一颗电子“穿过”双缝时，两条缝同时起作用! 电子的“分身术”来源于电子的波粒二象性! 电子在空间是几率分布 - 物质波 例：例： 一颗子弹一颗子弹质量质量 m = 20 克，速度克，速度 v = 500 米米/秒秒 = h / p = 6.610-35 迄今无

9、法测量迄今无法测量 牛顿的决定论因果律: 牛顿的决定论因果律: 因果一一对应 ！ 因果一一对应 ！ 量子力学的统计因果律: 量子力学的统计因果律: 单颗微观粒子的运动不受因果律支配! 但大量粒子的运动统计平均或单颗粒子多次运动 的统计平均符合因果律! 单颗微观粒子的运动不受因果律支配! 但大量粒子的运动统计平均或单颗粒子多次运动 的统计平均符合因果律! 单颗微观粒子的运动不服从能量守恒律! 但大量粒子的运动统计平均或单颗粒子多次运动 的统计平均服从能量守恒律!单颗微观粒子的运动不服从能量守恒律! 但大量粒子的运动统计平均或单颗粒子多次运动 的统计平均服从能量守恒律! 5. 海森堡测不准(不确定

10、)原理 5. 海森堡测不准(不确定)原理 粒子坐标 x，动量 p，能量 E 和寿命 t, 它们的 变化范围分别为x，p，E 和t，满足 粒子坐标 x，动量 p，能量 E 和寿命 t, 它们的 变化范围分别为x，p，E 和t，满足 xp h tE h xp h tE h 即： 微观粒子的坐标和动量不可能即： 微观粒子的坐标和动量不可能同时同时被测准 微观粒子的能量和寿命不可能被测准 微观粒子的能量和寿命不可能同时同时被测准 被测准 量子力学的统计守恒律: 量子力学的统计守恒律: 单颗微观粒子的运动不服从能量、动量守恒律! 单颗微观粒子的运动不服从能量、动量守恒律! 但大量粒子运动的统计平均或 单

11、颗粒子多次运动的统计平均符合能量、动量守恒律! 但大量粒子运动的统计平均或 单颗粒子多次运动的统计平均符合能量、动量守恒律! 例：氢原子 例：氢原子 -e +e -e +e x 0.53 x 0.53 x x 3 .6 pp例：例：小球, 质量 m = 1000 克，速度 v = 10 m/s小球, 质量 m = 1000 克，速度 v = 10 m/s x = 10x = 10-6 -6 m 十分精确 m 十分精确 28106 .6= pp! ! 6. 泡利不相容原理 6. 泡利不相容原理 原子中的每一个量子状态只能容纳 一颗电子(或空着）, 就象宏观系统中， 两小球不能同时占据同一空间。

12、原子中的每一个量子状态只能容纳 一颗电子(或空着）, 就象宏观系统中， 两小球不能同时占据同一空间。 2n2n2 2 7. 全同粒子不可分辨 7. 全同粒子不可分辨 若多粒子系统由同类（所有客观属性完全相同） 粒子组成 粒子之间不可分辨！ 若多粒子系统由同类（所有客观属性完全相同） 粒子组成 粒子之间不可分辨！ 氦原子 氦原子 -e -e -e -e 对于全同粒子体系，任何两个粒子交换位置， 一切测量结果不会因此而有任何改变 ！ 对于全同粒子体系，任何两个粒子交换位置， 一切测量结果不会因此而有任何改变 ！ 全同粒子交换对称性！ 全同粒子交换对称性！ 物质波物质波薛定谔方程薛定谔方程适用于一切

13、微观低速物理现象： 适用于一切微观低速物理现象： 原子结构，元素周期律，分子结构，化学反应， 原子分子光谱，激光，超导，晶体管，介观纳米物理， 原子激光， 。 。 。 。 。 。 原子结构，元素周期律，分子结构，化学反应， 原子分子光谱，激光，超导，晶体管，介观纳米物理， 原子激光， 。 。 。 。 。 。 2hriptiE=?),()(2),(22 tVmttirrrr2+=? 扎扎实实的科学作风 扎扎实实的科学作风 扎实基础， 厚积广积， 切莫急功近利 ！ 扎实基础， 厚积广积， 切莫急功近利 ！ - 科技创新重大突破的前提！科技创新重大突破的前提！在名师的指点下,我们可尽量减少走歪路的几

14、率,尽可 能瞄准学科前沿最重要的目标,从而增加突破的可能性 和减小突破所需要的时间。但是这里存在一个极限, 一个不可逾越的极限，超过这个极限，就意味着不可能。 在名师的指点下,我们可尽量减少走歪路的几率,尽可 能瞄准学科前沿最重要的目标,从而增加突破的可能性 和减小突破所需要的时间。但是这里存在一个极限, 一个不可逾越的极限，超过这个极限，就意味着不可能。 科学研究有其自身的规律：先基础,后突破,成就以 基础为前提,在成就突破过程中完善和丰厚研究者的基础。 基本功扎实的程度直接决定了突破的可能性和成就的分量； 反之，从成就的分量也可以一目了然地看出研究者基本功 的扎实程度。科学研究有其自身的规

15、律：先基础,后突破,成就以 基础为前提,在成就突破过程中完善和丰厚研究者的基础。 基本功扎实的程度直接决定了突破的可能性和成就的分量； 反之，从成就的分量也可以一目了然地看出研究者基本功 的扎实程度。 ba设计图 a 中诸建筑物的设计师与设计图 b 中建筑物的设计师 的基础扎实程度是完全不一样的。 设计图 a 中诸建筑物的设计师与设计图 b 中建筑物的设计师 的基础扎实程度是完全不一样的。 悉尼这座城市没有太长的历史，也没有太多的人文，每年 有那么多的国际游客，那么多的国际比赛，那么多的国际会议， 其原因仅一幢房子！ 人们相信：如果没有悉尼歌剧院，2000 年奥运会是不会在 悉尼召开的！ 悉尼这座城市没有太长的历史，也没有太多的人文，每年 有那么多的国际游客，那么多的国际比赛，那么多的国际会议， 其原因仅一幢房子！ 人们相信：