簡述量子力學的發(fā)展.doc

簡述量子力學發(fā)展摘要:量子力學是研究微觀粒子運動規(guī)律的物理學科，屬于研究微觀粒子運動規(guī)律的分支。它的主要研究對象是分子、原子、凝聚態(tài)物質(zhì)，此外還有原子核結(jié)構(gòu)、性質(zhì)等基礎(chǔ)性理論。它同相對論共同構(gòu)成了現(xiàn)代物理學的理論基礎(chǔ)，量子力學除了在近代物理學方面起著基礎(chǔ)性作用，同時在化學等相關(guān)學科以及很多近現(xiàn)代技術(shù)中得到廣泛應用。通過量子力學的發(fā)展，人們對物質(zhì)結(jié)構(gòu)以及相互作用的原理的了解發(fā)生了質(zhì)的變化。通過量子力學，很多之前無法解釋的現(xiàn)象得到了真正的解釋，新的現(xiàn)象也被精準的預言出來，因為通過量子力學的精確計算，以及精確的實驗證明，很多之前無法觸及的領(lǐng)域漸漸清晰明朋。量子力學發(fā)展前景廣闊，在許多機器中，量子隧道的效應已經(jīng)發(fā)展成事實，如閃光存儲片中可以通過量子隧道效應完成清除存儲單元的工作。雖然量子力學主要是在物質(zhì)的原子范疇內(nèi)被廣泛應用，但是很多大型系統(tǒng)也正在或?qū)\用到量子效應。關(guān)鍵詞：量子力學;物理;微觀;發(fā)展;應用 一、舊量子論的產(chǎn)生和發(fā)展 由于人們在十六、十七世紀對機械運動的基本規(guī)律已有了比較系統(tǒng)、比較完整的了解，經(jīng)過伽里略、牛頓等科學家進行科學實驗和推理，從而產(chǎn)生了物理學;到了十八世紀，物理學迅速地向前發(fā)展，以牛頓力學為基礎(chǔ)，先后形成了熱學和分子運動論、電磁學理論。到了十九世紀中期，形成了完整的、系統(tǒng)的經(jīng)典物理學理論體系。運用這種經(jīng)典理論，人們成功地解釋了許多物理現(xiàn)象，解決了不少生產(chǎn)實際問題。由于經(jīng)典物理學在發(fā)展過程中幾乎沒有遇到什么重大難題，因而當時有許多物理學家錯誤地認為經(jīng)典物理學理論是物理學的“最終理淪”，往后沒有什么重大的工作可做了，只是解一下微分方程和對具體問題進行解釋。但是，也就是在物理學家舉杯慶賀經(jīng)典物理學取得輝煌成就的時候，在經(jīng)典物理學晴朗的天空中，不斷出現(xiàn)了幾朵“烏云”經(jīng)典理論無法解釋的實驗事實。其中最著名的是開耳芬稱之為“第一號烏云”的邁克爾遜莫雷實驗與“第二號烏云”的黑體輻射實驗，此外還有光電效應實驗和原子光譜的實驗規(guī)律等。當時大多數(shù)物理學家都希望并且相信，能用經(jīng)典物理學理論驅(qū)散這些“烏云”。結(jié)果發(fā)現(xiàn)上述的實驗事實，用經(jīng)典物理學理論無法解釋，號稱“完美無缺”的經(jīng)典物理學開始破產(chǎn)，人們在對“第一號烏云”的研究中，引出了狹義相對論，而在對“第二號烏云”的研究中，引出了量子理論。 人們從日常經(jīng)驗知道，一個物體(固體或液體)溫度升高時，會向四周放射熱量，這種現(xiàn)象叫做“熱輻射”。在十九世紀后半期，由于熱機廣泛使用，電照明的需要和冶金技術(shù)的變革，引起了熱輻射的研究，發(fā)現(xiàn)了絕對黑體(置于溫度恒定的熱槽中的開有一個小孔的金屬封閉空腔輻射能量隨波長而變化的實驗曲線。在這個實驗曲線面前，為了解答輻射能量分布隨不同的波長而異，許多物理學家都力圖從經(jīng)典物理學理論出發(fā)推導出黑體輻射的具體能譜分布公式，維恩、端利一金斯等就是其中的幾個。1893年，德國物理學家維恩(Wien)應用經(jīng)典物理學的熱學理論創(chuàng)立了一種黑體輻射能量的理論，他所提出的公式可以較準確地描述輻射能量在光譜紫端的分布情況，但不適用于波長較大的紅端。另一方面，英周物理學家端利和金斯川根據(jù)經(jīng)典電磁理淪和經(jīng)典統(tǒng)計理論的能量均分定理研究出了能夠，描述光譜紅端的輻射能量分布的方程，但卻完全不適用于紫端?？傊?，當時根據(jù)經(jīng)典物理學創(chuàng)立的最好理論只能解釋光譜的這一半或那一半的能量分布情況，而無法同時適用于整個光譜。這些理論在解釋黑體輻射能譜問題上的失玫，便開始動搖了人們對經(jīng)典物理學的迷信，迫使人們不得不提出一些新的假設(shè)。 量子力學是研究微觀粒子運動規(guī)律的物理學科，屬于研究微觀粒子運動規(guī)律的分支。它的主要研究對象是分子、原子、凝聚態(tài)物質(zhì)，此外還有原子核結(jié)構(gòu)、性質(zhì)等基礎(chǔ)性理論。它同相對論共同構(gòu)成了現(xiàn)代物理學的理論基礎(chǔ)，量子力學除了在近代物理學方面起著基礎(chǔ)性作用，同時在化學等相關(guān)學科以及很多近現(xiàn)代技術(shù)中得到廣泛應用。二十世紀初，物理學方面最大的突破一個是愛因斯坦提出的狹義相對論，另一個就是德國科學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，繼而在1925年到1926年，海森伯和薛定愕最終確立了量子力學，從而解決了原子物理等高深理論的基本問題，取得成功。隨后，量子力學向著兩個方向進一步發(fā)展，一個是更小的尺度應用，如原子以下的尺度，原子核物理學就是在其引導下廣泛發(fā)展的，進而發(fā)展為現(xiàn)在的基本粒子物理學。因此可以說，量子力學在人類對物質(zhì)世界認識方面起著至關(guān)重要的作用，促使人們的眼光從宏觀層次跨進微觀層次。而另一個發(fā)展方向就是更大尺度的應用，例如分子問題，即量子化學相關(guān)問題。此外還有固體物理和凝聚態(tài)物理的相關(guān)問題。從研究對象的尺度來說范圍也逐漸擴大，從固體物理到地球物理、行星物理，最后延伸到夭體物理和宇宙物理。二、德布羅意的物質(zhì)波假設(shè)一物質(zhì)的波粒二象性 在前面談到，為了解釋原子的分立的線狀光譜，需要假定原子具有分立的能級，即假設(shè)原子內(nèi)電子運動的某種不連續(xù)性。可是電子作為一種粒子，本身不能提供運動能量不連續(xù)性的根據(jù)，要進一步發(fā)展理論，必須從電子運動本性的探索入手。1923年法國青年物理學家德布羅意(L.deBroglei)第一個提出了這個想法，他大膽假定物質(zhì)粒子也有波動性。 德布羅意提出物質(zhì)波的假設(shè)不是偶然的。當時他正在他兄長莫里斯的X射線實驗室工作，因此，他對于那些在經(jīng)典物理學理論的框架中所無法解決的問題十分熟悉。同時，光的波粒二象性和舊的量子論給了他很大的啟示。如果承認光的波粒二象性，就是說承認原來以為只有波性的東西(如電磁波)竟可以有粒子性;反過來，原來只有粒子性的東西，為什么不可以有波性呢?德布羅意就是這樣把問題倒過來考慮，提出了這樣一個問題:“整個世紀來，在光學上，比起波動的研究方法來，是過于忽略了粒子的研究方法; 在物質(zhì)的理論上，是否發(fā)生了相反的錯誤呢?是不是我們把關(guān)于粒子的圖象想得太多，而過份忽略了波的圖象呢?”在他對問題作了這種根本性的考慮之后，他大膽提出了微觀粒子也具有波動性的假設(shè)。1923年他向法國科學院首次提出這個假設(shè)。玻爾理論中的定態(tài)假設(shè)和量子化條件中出現(xiàn)的整數(shù)，還啟示他考慮到原子內(nèi)部實物物體的力學與某些波動現(xiàn)象之間的聯(lián)系，因為在波動現(xiàn)象(如干涉、駐波)中都出現(xiàn)過整數(shù)數(shù)字，因此他設(shè)想原子內(nèi)部是一穩(wěn)定的駐波系統(tǒng)。在1923、1924年的論文中，德布羅意將他的這個設(shè)想應用到玻爾的原子理論中去，并用位相波在閉合軌道上的駐波形式解釋了玻爾的量子化條件。德布羅意在回憶自己提出微觀粒子具有波粒二象性的概念時寫到: “在1923年，兒乎已經(jīng)清楚，玻爾理論以及舊量子論僅僅是經(jīng)典概念與某種允許更深入地研究量子現(xiàn)象的嶄新觀點之間的中間環(huán)節(jié)。在舊量子論中，量子化條件在某種意義上純粹是以外部的方式加在經(jīng)典理論的結(jié)果_L。實質(zhì)上分立的量子特性(用所謂的量子數(shù)的整數(shù)表示)一與舊的動力學(不論是牛頓的、還是愛因斯坦的)所描述的運動的連續(xù)性處于尖銳的矛盾之中。很顯然，要求建立新的力學，在那里量子的觀念應包含在結(jié)構(gòu)自身的基礎(chǔ)之二而不是象舊量子論那樣，最后附加在它上面?！比?、量子力學的產(chǎn)生和發(fā)展 定博(E.Schrdinger)根據(jù)德布羅意關(guān)于物質(zhì)波假設(shè)的關(guān)系式，并以經(jīng)一典波為線索，得到了一個著名的物質(zhì)微粒波的波動方程薛定謬方程，亦即波動力學的基本方程式。薛定謬利用他的波動方程式，首先對氫原子、后來又對諧振子、固定軸轉(zhuǎn)動等間題進行理論上的計算，發(fā)現(xiàn)由計算得到的能級與實驗結(jié)果精確地符合，并使人們清楚看出，微觀粒子的能級不連續(xù)這一事實原來是波動方程式得解的必要條件，而對研究對象在原則仁不存在任何限制。以后人們還把薛定謬方程式用于其他微觀體系，也得到了好的結(jié)果.無數(shù)的實驗事實證明薛定謬方程是正確的。 在1926年，薛定得還發(fā)現(xiàn)矩陣力學在數(shù)學上與波動力學足等價的波動力學是從內(nèi)容上對經(jīng)典物理進行革命，提出了微粒具有波粒二象性以及用波函數(shù)來描述微粒的狀態(tài)這一新的概念，并用波動方程式描寫微粒的運動規(guī)律，采用的是具體的和形象的表達法。而矩陣力學是從形式上對經(jīng)典力學進行改造，把在經(jīng)典力學中用數(shù)(或函數(shù))表示的物理量改用矩陣來表示并規(guī)定某些對易關(guān)系與運算法則，采用的是抽象的和形式的表達法。這樣就統(tǒng)一了量子力學。在薛定謬的工作發(fā)表不久，玻恩根據(jù)電予散射的理想實驗，提出了量子體系波函數(shù)的幾率解釋:波函數(shù)的模方在某一點的數(shù)值能確定粒子在這一點出現(xiàn)的幾率。這種解釋在歷史上第一次指出了物質(zhì)的波粒二重性間的真實聯(lián)系。這樣量子力學的基礎(chǔ)就完備了，量子力學正式誕生了。量子力學誕生之后，經(jīng)過越來越多的實踐證明，它是比泊量子論更深刻而精確地反映了微觀粒子運動規(guī)律的理論。 量子力學建立后的五十余年來，量子理論有了進一步的發(fā)展，內(nèi)容更加豐富，并且被應用于小至基本粒子，大到中子星、黑洞的研究，取得了許多重大的成就。在應用中，量子力學的原理得到許多補充，處理問題的方法也有很大發(fā)展。它的發(fā)展主要表現(xiàn)在以下三個方面: 第一，對于微觀粒子的運動速度遠小于光速的情況，以薛定得波動方程為主要內(nèi)容的非相對論量子力學完全適用。五十余年來，把非相對論量子力學用于討論原子、分子、固體以及原子核的性質(zhì)等方面都取得了極大的成果。如把量子力學運用于原子，可以說明多電子原子的電子殼層結(jié)構(gòu)，解釋元素周期表。把它運用于分子，不僅能夠解釋分子的各種能級、分子的結(jié)構(gòu)和分子光譜的特性，更能說明原子結(jié)合成分子的化學鍵的本質(zhì)和特性。把它運用于固體，形成了固體能帶理論，在這種理論指導下，產(chǎn)生了半導體材料，發(fā)明了品體管，使電子工業(yè)技術(shù)獲得了新的發(fā)展。應用它處理光的發(fā)射和吸收問題，形成了光的受激發(fā)射理論，在這種理論指導下，60年代初產(chǎn)生了激光技術(shù)。應用它，還可以解釋金屬的低溫超導現(xiàn)象和液態(tài)氦的低溫超流現(xiàn)象。應用量子力學理論處理原子、分子、固體和原子核等問題，主要的是處理“多體問題”，這是目前非相對論量子力學研究的中心問題之一，在這方面的理論和方法還正在繼續(xù)向前發(fā)展著。 第二，把量子力學推廣到相對論速度和波動場的領(lǐng)域，建立相對論量子力學。薛定謬方程僅在非相對論的近似下才是有效的，但它不適用于粒子速度接近于光速時所發(fā)生的一系列現(xiàn)象。不久有人提出一種相對論性的方程，現(xiàn)在稱之為克萊因-一戈登方程，但這個方程是個關(guān)于時間的二階微分方程，帶來了一些困難。1929年，狄拉克根據(jù)他對自由電子的研究，提出了一個符合相對論要求的線性波動方程狄拉克方程。這個方程運用于氫原子成功地解釋了氫光譜的精細結(jié)構(gòu)，并且不需要附加什么條件就導出了電子的自旋及自旋引起為了解決由玻爾理論的困難所暴露出來的經(jīng)典物理學的根本局限性，出現(xiàn)了矩陣力學和波動力學。 第三，關(guān)于量子力學理論他物理解釋，“是這門學科中禪在著的一個重要問題。從量子力學產(chǎn)生至今50年來，對它的理論的物理解釋和哲學意義，在物理學界一直存在著嚴重的分歧和激烈的爭論。問題不在于目前量子力學理論是否正確，因為量子力學的正確已為大量實驗事實所驗證。爭論的主要問題是:現(xiàn)行的量子力學理論能否完備地描述微觀世界或者說，波函數(shù)是精確地描寫了單個體系的狀態(tài)呢?還是只描寫由許多相同體系組成的統(tǒng)計系綜的狀態(tài)，是幾率波還是物質(zhì)波，統(tǒng)計性和決定論是什么關(guān)系?以及由測不準關(guān)系提出的測量問題、宏觀儀器和微觀現(xiàn)象、主觀和客觀的關(guān)系等等。不同學派圃繞這些根本性問題，進行了長達半個世紀的辯論，許多著名的物理學家、哲學家和數(shù)學家都卷入了這場爭論，出現(xiàn)了百家爭鳴的局面。但在這些學派中，以玻爾、海森堡為代表的哥本哈根學派對量子力學的解釋占居統(tǒng)治地位，為天多數(shù)物理學家所接受。四、從量子力學發(fā)展史中褥到的啟示 我們研究自然科學發(fā)展史，主要凰的之一，應該是從科學發(fā)展的歷史中，總結(jié)經(jīng)驗教訓，為我們實現(xiàn)四個現(xiàn)代化，幾為今后的科學研究提供方法梅方面的指導。在這里，我想就對量子力學的產(chǎn)生與發(fā)展的回顧所受到的啟示，量子力學的發(fā)展史充分說明實驗研究故重要性，我犯在自然科學的研究工作中，在加強基礎(chǔ)理論研究的同時，也要對實驗研究給以屬夠的重視。兩者不可偏廢。 從上面的剖析可看出，在量子力學的發(fā)展史中，實驗研究和理論研究都起了非常重要的作用。雖然正確的理論對科學實驗有能動的指導作用，但是實踐是一切理論活動的基礎(chǔ)。新釣實駿手段能向人們揭示新的現(xiàn)象、提出新的問題，導致新的假說和理論的、出現(xiàn);而理論的預言也一定要通過實驗的檢驗才能決定成敗。這一基本律規(guī)將不會因科學技術(shù)發(fā)達的程度而