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1、简述量子力学发展摘要:量子力学是研究微观粒子运动规律的物理学科，属于研究微观粒子运动规律的分支。它的主要研究对象是分子、原子、凝聚态物质，此外还有原子核结构、性质等基础性理论。它同相对论共同构成了现代物理学的理论基础，量子力学除了在近代物理学方面起着基础性作用，同时在化学等相关学科以及很多近现代技术中得到广泛应用。通过量子力学的发展，人们对物质结构以及相互作用的原理的了解发生了质的变化。通过量子力学，很多之前无法解释的现象得到了真正的解释，新的现象也被精准的预言出来，因为通过量子力学的精确计算，以及精确的实验证明，很多之前无法触及的领域渐渐清晰明朋。量子力学发展前景广阔，在许多机器中，量子隧道
2、的效应已经发展成事实，如闪光存储片中可以通过量子隧道效应完成清除存储单元的工作。虽然量子力学主要是在物质的原子范畴内被广泛应用，但是很多大型系统也正在或将会运用到量子效应。关键词：量子力学;物理;微观;发展;应用 一、旧量子论的产生和发展 由于人们在十六、十七世纪对机械运动的基本规律已有了比较系统、比较完整的了解，经过伽里略、牛顿等科学家进行科学实验和推理，从而产生了物理学;到了十八世纪，物理学迅速地向前发展，以牛顿力学为基础，先后形成了热学和分子运动论、电磁学理论。到了十九世纪中期，形成了完整的、系统的经典物理学理论体系。运用这种经典理论，人们成功地解释了许多物理现象，解决了不少生产实际问题
3、。由于经典物理学在发展过程中几乎没有遇到什么重大难题，因而当时有许多物理学家错误地认为经典物理学理论是物理学的“最终理沦”，往后没有什么重大的工作可做了，只是解一下微分方程和对具体问题进行解释。但是，也就是在物理学家举杯庆贺经典物理学取得辉煌成就的时候，在经典物理学晴朗的天空中，不断出现了几朵“乌云”经典理论无法解释的实验事实。其中最著名的是开耳芬称之为“第一号乌云”的迈克尔逊莫雷实验与“第二号乌云”的黑体辐射实验，此外还有光电效应实验和原子光谱的实验规律等。当时大多数物理学家都希望并且相信，能用经典物理学理论驱散这些“乌云”。结果发现上述的实验事实，用经典物理学理论无法解释，号称“完美无缺”
4、的经典物理学开始破产，人们在对“第一号乌云”的研究中，引出了狭义相对论，而在对“第二号乌云”的研究中，引出了量子理论。 人们从日常经验知道，一个物体(固体或液体)温度升高时，会向四周放射热量，这种现象叫做“热辐射”。在十九世纪后半期，由于热机广泛使用，电照明的需要和冶金技术的变革，引起了热辐射的研究，发现了绝对黑体(置于温度恒定的热槽中的开有一个小孔的金属封闭空腔辐射能量随波长而变化的实验曲线。在这个实验曲线面前，为了解答辐射能量分布随不同的波长而异，许多物理学家都力图从经典物理学理论出发推导出黑体辐射的具体能谱分布公式，维恩、端利一金斯等就是其中的几个。1893年，德国物理学家维恩(Wien
5、)应用经典物理学的热学理论创立了一种黑体辐射能量的理论，他所提出的公式可以较准确地描述辐射能量在光谱紫端的分布情况，但不适用于波长较大的红端。另一方面，英周物理学家端利和金斯川根据经典电磁理沦和经典统计理论的能量均分定理研究出了能够，描述光谱红端的辐射能量分布的方程，但却完全不适用于紫端。总之，当时根据经典物理学创立的最好理论只能解释光谱的这一半或那一半的能量分布情况，而无法同时适用于整个光谱。这些理论在解释黑体辐射能谱问题上的失玫，便开始动摇了人们对经典物理学的迷信，迫使人们不得不提出一些新的假设。 量子力学是研究微观粒子运动规律的物理学科，属于研究微观粒子运动规律的分支。它的主要研究对象是
6、分子、原子、凝聚态物质，此外还有原子核结构、性质等基础性理论。它同相对论共同构成了现代物理学的理论基础，量子力学除了在近代物理学方面起着基础性作用，同时在化学等相关学科以及很多近现代技术中得到广泛应用。二十世纪初，物理学方面最大的突破一个是爱因斯坦提出的狭义相对论，另一个就是德国科学家普朗克所提出的量子概念。量子概念是普朗克在1900年首先提出的，继而在1925年到1926年，海森伯和薛定愕最终确立了量子力学，从而解决了原子物理等高深理论的基本问题，取得成功。随后，量子力学向着两个方向进一步发展，一个是更小的尺度应用，如原子以下的尺度，原子核物理学就是在其引导下广泛发展的，进而发展为现在的基本
7、粒子物理学。因此可以说，量子力学在人类对物质世界认识方面起着至关重要的作用，促使人们的眼光从宏观层次跨进微观层次。而另一个发展方向就是更大尺度的应用，例如分子问题，即量子化学相关问题。此外还有固体物理和凝聚态物理的相关问题。从研究对象的尺度来说范围也逐渐扩大，从固体物理到地球物理、行星物理，最后延伸到夭体物理和宇宙物理。二、德布罗意的物质波假设一物质的波粒二象性 在前面谈到，为了解释原子的分立的线状光谱，需要假定原子具有分立的能级，即假设原子内电子运动的某种不连续性。可是电子作为一种粒子，本身不能提供运动能量不连续性的根据，要进一步发展理论，必须从电子运动本性的探索入手。1923年法国青年物理
8、学家德布罗意(L.deBroglei)第一个提出了这个想法，他大胆假定物质粒子也有波动性。 德布罗意提出物质波的假设不是偶然的。当时他正在他兄长莫里斯的X射线实验室工作，因此，他对于那些在经典物理学理论的框架中所无法解决的问题十分熟悉。同时，光的波粒二象性和旧的量子论给了他很大的启示。如果承认光的波粒二象性，就是说承认原来以为只有波性的东西(如电磁波)竟可以有粒子性;反过来，原来只有粒子性的东西，为什么不可以有波性呢?德布罗意就是这样把问题倒过来考虑，提出了这样一个问题:“整个世纪来，在光学上，比起波动的研究方法来，是过于忽略了粒子的研究方法; 在物质的理论上，是否发生了相反的错误呢?是不是我
9、们把关于粒子的图象想得太多，而过份忽略了波的图象呢?”在他对问题作了这种根本性的考虑之后，他大胆提出了微观粒子也具有波动性的假设。1923年他向法国科学院首次提出这个假设。玻尔理论中的定态假设和量子化条件中出现的整数，还启示他考虑到原子内部实物物体的力学与某些波动现象之间的联系，因为在波动现象(如干涉、驻波)中都出现过整数数字，因此他设想原子内部是一稳定的驻波系统。在1923、1924年的论文中，德布罗意将他的这个设想应用到玻尔的原子理论中去，并用位相波在闭合轨道上的驻波形式解释了玻尔的量子化条件。德布罗意在回忆自己提出微观粒子具有波粒二象性的概念时写到: “在1923年，儿乎已经清楚，玻尔理
10、论以及旧量子论仅仅是经典概念与某种允许更深入地研究量子现象的崭新观点之间的中间环节。在旧量子论中，量子化条件在某种意义上纯粹是以外部的方式加在经典理论的结果_L。实质上分立的量子特性(用所谓的量子数的整数表示)一与旧的动力学(不论是牛顿的、还是爱因斯坦的)所描述的运动的连续性处于尖锐的矛盾之中。很显然，要求建立新的力学，在那里量子的观念应包含在结构自身的基础之二而不是象旧量子论那样，最后附加在它上面。”三、量子力学的产生和发展 定博(E.Schrdinger)根据德布罗意关于物质波假设的关系式，并以经一典波为线索，得到了一个著名的物质微粒波的波动方程薛定谬方程，亦即波动力学的基本方程式。薛定谬
11、利用他的波动方程式，首先对氢原子、后来又对谐振子、固定轴转动等间题进行理论上的计算，发现由计算得到的能级与实验结果精确地符合，并使人们清楚看出，微观粒子的能级不连续这一事实原来是波动方程式得解的必要条件，而对研究对象在原则仁不存在任何限制。以后人们还把薛定谬方程式用于其他微观体系，也得到了好的结果.无数的实验事实证明薛定谬方程是正确的。 在1926年，薛定得还发现矩阵力学在数学上与波动力学足等价的波动力学是从内容上对经典物理进行革命，提出了微粒具有波粒二象性以及用波函数来描述微粒的状态这一新的概念，并用波动方程式描写微粒的运动规律，采用的是具体的和形象的表达法。而矩阵力学是从形式上对经典力学进
12、行改造，把在经典力学中用数(或函数)表示的物理量改用矩阵来表示并规定某些对易关系与运算法则，采用的是抽象的和形式的表达法。这样就统一了量子力学。在薛定谬的工作发表不久，玻恩根据电予散射的理想实验，提出了量子体系波函数的几率解释:波函数的模方在某一点的数值能确定粒子在这一点出现的几率。这种解释在历史上第一次指出了物质的波粒二重性间的真实联系。这样量子力学的基础就完备了，量子力学正式诞生了。量子力学诞生之后，经过越来越多的实践证明，它是比泊量子论更深刻而精确地反映了微观粒子运动规律的理论。 量子力学建立后的五十余年来，量子理论有了进一步的发展，内容更加丰富，并且被应用于小至基本粒子，大到中子星、黑
13、洞的研究，取得了许多重大的成就。在应用中，量子力学的原理得到许多补充，处理问题的方法也有很大发展。它的发展主要表现在以下三个方面: 第一，对于微观粒子的运动速度远小于光速的情况，以薛定得波动方程为主要内容的非相对论量子力学完全适用。五十余年来，把非相对论量子力学用于讨论原子、分子、固体以及原子核的性质等方面都取得了极大的成果。如把量子力学运用于原子，可以说明多电子原子的电子壳层结构，解释元素周期表。把它运用于分子，不仅能够解释分子的各种能级、分子的结构和分子光谱的特性，更能说明原子结合成分子的化学键的本质和特性。把它运用于固体，形成了固体能带理论，在这种理论指导下，产生了半导体材料，发明了品体
14、管，使电子工业技术获得了新的发展。应用它处理光的发射和吸收问题，形成了光的受激发射理论，在这种理论指导下，60年代初产生了激光技术。应用它，还可以解释金属的低温超导现象和液态氦的低温超流现象。应用量子力学理论处理原子、分子、固体和原子核等问题，主要的是处理“多体问题”，这是目前非相对论量子力学研究的中心问题之一，在这方面的理论和方法还正在继续向前发展着。 第二，把量子力学推广到相对论速度和波动场的领域，建立相对论量子力学。薛定谬方程仅在非相对论的近似下才是有效的，但它不适用于粒子速度接近于光速时所发生的一系列现象。不久有人提出一种相对论性的方程，现在称之为克莱因-一戈登方程，但这个方程是个关于
15、时间的二阶微分方程，带来了一些困难。1929年，狄拉克根据他对自由电子的研究，提出了一个符合相对论要求的线性波动方程狄拉克方程。这个方程运用于氢原子成功地解释了氢光谱的精细结构，并且不需要附加什么条件就导出了电子的自旋及自旋引起为了解决由玻尔理论的困难所暴露出来的经典物理学的根本局限性，出现了矩阵力学和波动力学。 第三，关于量子力学理论他物理解释，“是这门学科中禅在着的一个重要问题。从量子力学产生至今50年来，对它的理论的物理解释和哲学意义，在物理学界一直存在着严重的分歧和激烈的争论。问题不在于目前量子力学理论是否正确，因为量子力学的正确已为大量实验事实所验证。争论的主要问题是:现行的量子力学
16、理论能否完备地描述微观世界或者说，波函数是精确地描写了单个体系的状态呢?还是只描写由许多相同体系组成的统计系综的状态，是几率波还是物质波，统计性和决定论是什么关系?以及由测不准关系提出的测量问题、宏观仪器和微观现象、主观和客观的关系等等。不同学派圃绕这些根本性问题，进行了长达半个世纪的辩论，许多著名的物理学家、哲学家和数学家都卷入了这场争论，出现了百家争鸣的局面。但在这些学派中，以玻尔、海森堡为代表的哥本哈根学派对量子力学的解释占居统治地位，为天多数物理学家所接受。四、从量子力学发展史中褥到的启示 我们研究自然科学发展史，主要凰的之一，应该是从科学发展的历史中，总结经验教训，为我们实现四个现代化，几为今后的科学研究提供方法梅方面的指导。在这里，我想就对量子力学的产生与发展的回顾所受到的启示，量子力学的发展史充分说明实验研究故重要性，我犯在自然科学的研究工作中，在加强基础理论
