量子力学的发展进程

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1、量子力学的发展进程黑体 2014摘要：简述了量子力学的发展进程。量子力学是近代物理学的重要组成部分,是 研究微观粒子（分子、原子、原子核、基本粒子等）运动规律的一种基础理论。它 是本世纪二十年代在总结大量实验事实和旧量子论的基础上建立起来的。它的发 展曾经引起物理思想上的巨大变革,它产生的影响,绝不局限于物理学和化学这 两门学科,而且还涉及人类认识本身的种种基本问题。因此对它的发展进程进行 研究有着特别的重要意义。笔者想在这篇文章中对量子力学的发展进程作一简要 的回顾,并就自己在学习周世勋量子力学教程这门课程中一些疑惑和感想做 一说明。关键词：量子力学；进程；学习心得The developme

2、nt process of quantum mechanicsAbstract:Briefly describes the development process of quantum mechanics. It is an important part of modern physics, quantum mechanics is the study of microscopic particles (molecules, atoms, nuclei, elementary particles, etc.) a basic theory of the motion law. It is in

3、 the 20 s of this century in summing up a lot of experimental facts and the old quantum theory established on the basis of it. Its development has caused physical and ideological change, the impact of it, not limited to the physics and chemistry, the two subjects, but also the basic problem of human

4、 cognition itself. So the study of its development process has a special significance. In this article the development process of quantum mechanics makes a brief review of, and in their learning Zhou Shixun in the course of the quantum mechanics course some doubts and thoughts.Key words:Quantum mech

5、anics; Process; The learning目录一 正文1 引言42量子力学的发展进程42.1 旧量子论的建立 62.2 量子力学的建立92.3 量子力学的发展 113 学习量子力学的一些感想14参考文献 161引言初学者在对量子力学这门课程学习的过程当中，始终有很多疑惑，量子到底 是什么，这门课程为什么叫做量子力学。量子力学是怎么产生的，其产生的的原 因是什么呢，什么是旧量子论，以及量子力学的建立、百年发展过程是怎样的， 而这篇文章很好的解决了这些问题，应该对初学者大有益处。2量子力学的发展进程“谁不惊异于量子理论谁就没有理解它”尼尔斯 玻尔（1885 年1962 年）谈到量子力

6、学，首先我们要清楚两个问题。其一，什么是量子力学；其二， 量子力学的研究对象是什么。量子力学是反映微观粒子（分子、原子、原子核、 基本粒子等）运动规律的理论，其研究对象是微观粒子。量子力学可以解释原子 和亚原子的各种现象。其次，我们就会谈到量子力学的诞生和发展。从而具体的认识量子力学这一 伟大的理论体系。那么要认识其发展，先让我们了解以量子力学为中心的部分年表：1859 热辐射定律（基尔霍夫）1864 电磁学基本公式（麦克斯韦）1869 元素周期表（门捷列夫）1879 热辐射定律（斯泰潘）1884 氢的巴耳末光谱线系（巴耳末）1890 光谱线公式（里德伯）1893 辐射位移定律（维恩）1895

7、 黑体（维恩）1896 热辐射公式（维恩） 放射线（贝克勒尔） 电子（汤姆逊）1900 辐射公式（瑞利） 辐射公式（普朗克） 量子假说（普朗克）1904 原子模型（汤姆逊）1905 光量子假说（爱因斯坦） 狭义相对量（爱因斯坦）1907 比热的理论（爱因斯坦）1913 原子构造理论（玻尔）1914能级的证实（弗兰克赫兹）X线光谱定律（莫塞莱）1915 广义相对论（爱因斯坦）1918 对应原理（玻尔）1923 康普顿效应（康普顿） 物质波（德布罗意）1925 不相容原理（泡利） 自旋（乌伦贝克古兹密特）1926 波动力学（薛定谔） 矩阵力学（海森伯） 几率解释（玻恩）1927 不确定性原理（海森

8、伯） 电子波的确认（戴维孙革末） 并协原理（玻尔） 共价键结合的理论（海特勒伦敦）1928 电子的相对论方程 光的量子论（狄拉克） 蜕变理论（盖莫夫）1929 量子电动力学（海森伯 泡利） 康普顿散射理论（克莱因）1930 正电子的理论（狄拉克） 量子力学的争论（爱因斯坦 玻尔）1947 氢原子的能级（兰姆 雷瑟夫） 新离子的发现（罗切斯特 巴特勒）1949 原子核的壳层模型（迈尔 简生） 原子钟（美国标准局）1954 微波激射（汤斯）1956 宇宙不守恒（李政道 杨振宁）1957 超导理论（巴丁 库泊 施里弗）从上面的年表可以整体的看出量子力学这一理论的出现并不突兀。当问题解 决不了了，就会

9、迫使新的东西应运而生。爱因斯坦提出的狭义相对论改变了牛顿 力学中的绝对时空观，指明了牛顿力学的适用范围。即只适用于速度v远小于光 速的物质的运动（Vc1 c = 2.998X108mS是真空中的光速）。量子力学则涉及 物质运动形式和规律的根本变革。20世纪前的经典物理学（经典力学、电动力学、 热力学与统计物理学等）。只适用于描述一般宏观条件下物质的运动，而对于微 观世界（ 原子和亚原子世界） 和一定条件下的某些宏观现象（例如极低温下的超 导、超流、玻色-爱因斯坦凝聚等），则只有在量子力学的基础上才能说明。正如我们所说任何重大科学理论的提出，都有其历史必然性。在时机成熟时 （实验技术水平、实验资

10、料的积累、理论的准备等）就会应运而生。但科学发展的 进程往往是错综复杂的，通向真理的道路往往是曲折的，究竟通过怎样的道路以 及在什么问题上首先被突破和被谁突破则往往具有一定的偶然性和机遇。2.1 旧量子论的建立量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的，旧量子论包括普朗克的量子假 说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论。在旧量子理论出现的时候，故事是这样开始的。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

11、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、瑞利-金斯等就是其中的几个。1893年德 国物理学家维恩，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瑞利和金斯，根据经典电磁理论和经典 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

12、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效，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。德国物理学家普朗克，在1900年解决了这个问题。他首先改进维恩公式， 凑合实验数据，得出了一个关于黑体辐射能量分布的公式。这个公式与实验曲线 符合得非常之好。人们称它为普朗克公式。为了给他的公式找出理论根据，普朗 克认为空腔壁是由许多带电的谐振子所组成，并认为频率为的辐射（即电磁波） 是由频率为的谐振子吸收和发射的。他还抛弃了经典物理学关于物质运动绝对 连续的观念，作出了一个大胆而有决定意义的假设，提出振子发射或吸收辐射的 过程是不连续

13、的。所辐射出来的能量是一份一份的，而不是连续的。每一个辐射 对应于一份能量，并用E = h来表示（h二6.61x10-27erg-s是普朗克常数）。他把 辐射的能量单位hu称为“能量子”普朗克“能量子”假设的深远意义不仅是解 决了黑体辐射问题，更重要的是它第一次揭示了微观物体与宏观物体有着根本不 同的性质。爱因斯坦在十九世纪八十年代发现了“光电效应”。所谓光电效应就是用紫 外光照射金属时会有电子从金属表面逸出，逸出的电子称为“光电子”。在这个 效应中人们发现光电子的能量与光的强度无关，而与光的频率有关。光的强度只 影响光电子数目的多少。当时根据经典电磁理论认为光是一种电磁波，当用这种 观点去解

14、释光电效应时却产生了严重的困难。按照光的波动观点当光波照射到金 属上时，会引起金属中电子的强迫振动。随着光波振幅的增大，电子振动的振幅 也会逐渐增大，增大到一定程度后就会使一些有足够能量的电子脱离金属，成为 光电子。由于波动强度与振幅的平方成正比，于是必然有：照射光的强度愈大， 光电子的能量也愈大。这样，经典物理学的理论与实验事实又发生了矛盾，为了 从理论上正确地解释光电效应。1905 年，爱因斯坦在普朗克能量子假设的启示 下产生了一个崭新的想法，提出了能量的不连续性表明电磁辐射有粒子结构。他 认为光不仅是一种波动，而且是一种粒子流。这些粒子称为“光量子”或“光子”。 在频率为u的光子流中，每

15、一个光子的能量都与频率成正比，亦即每个光子的能 量都是hu，应用爱因斯坦的光子假说，就能圆满地解释光电效应。因为频率越 高光子的能量越大，从金属中打出的电子能量也大。频率越低，光子的能量越小， 就打不出电子来。增加光的强度就是增加光子的数目，其结果只能增加光电子的 数目。爱因斯坦的光量子假设第一次揭示了光的微粒性。但真正证实光的微粒性 的实验，是康普顿在1922年所作的X射线散射实验。康普顿发现，被原子中电 子散射后的 X 射线的波长大于入射时的波长，而光的波动观点不能解释波长改变 的现象，只有把X射线看作是具有一定能量E、动量P的光子和静止的电子发生 弹性碰撞，才能解释散射后波长的改变。这就

16、十分鲜明地显示了光的粒子性。尽管黑体辐射、光电效应和康普顿效应揭示了光的微粒性，但不能因此否定 光的波动性。因此光具有波动和微粒的双重性质人们称为光的“波粒二象性”。 正是这种光的波粒二象性，对后来量子力学的建立起了重要作用。十九世纪末和 二十世纪初，科学家们除了探索光的波粒二象性外，还在探索原子的结构。1897 年英国科学家汤姆逊发现了比原子更小的粒子电子，为建立原子结构作出了 重大的贡献。此后科学家们设计了许多实验来确定原子的内部结构。 1910 年卢 瑟福和他的学生做了粒子被原子散射的实验。根据对实验结果进行的分析，卢 瑟福在 1911 年提出了原子的有核模型。他认为原子像一个小太阳系一样，原子 的中心有一个“小”而“重”的带正电的原子核，核外有若干个电子绕核运动。 但是当人们从卢瑟福的原子模型出发，用经典