大學(xué)物理小論文

1、大學(xué)物理論文姓名學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師：論文題目：淺談量子力學(xué)摘要：量子理論是在普朗克為了克服經(jīng)典理論解釋黑體輻射規(guī)律的困難，引入能量子概念的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。愛因斯坦提出光量子假說、運(yùn)用能量子概念使量子理論得到進(jìn)一步發(fā)展。玻爾、德布羅意、薛定諤、玻恩、狄拉克等人為解決量子理論遇到的困難，進(jìn)行了開創(chuàng)性的工作，先后提出了不確定性原理和互補(bǔ)原理。終于在1925年到1928年形成了完整的量子力學(xué)理論，與愛因斯坦的相對(duì)論并肩形成現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱。關(guān)鍵詞：黑體輻射、普朗克量子假說、光量子理論、玻爾的原子理論淺談量子力學(xué)一、量子力學(xué)的初步19世紀(jì)末20世紀(jì)初，人們認(rèn)為經(jīng)典物理發(fā)展很完美的時(shí)候，一系列經(jīng)典理論無法

2、解釋的現(xiàn)象一個(gè)接一個(gè)的發(fā)現(xiàn)了。經(jīng)典力學(xué)時(shí)期物理學(xué)所探討的主要是用比較直接的實(shí)驗(yàn)研究就可以接觸到的物理現(xiàn)象的定理和理論。牛頓定理和麥克斯韋電磁理論在宏觀和慢速的世界中是很好的自然規(guī)律。而對(duì)于微觀世界的物理現(xiàn)象，經(jīng)典物理學(xué)就顯得無能為力，很多現(xiàn)象沒發(fā)解釋。這些困難被看做是“晴朗天空的幾朵烏云”，正是這幾朵烏云引發(fā)了物理界的變革。下面簡(jiǎn)述這幾個(gè)困難：黑體輻射完全黑體在與熱輻射達(dá)到平衡時(shí)，輻射能量密度隨頻率變化會(huì)有一個(gè)曲線。韋恩從熱力學(xué)普遍理論考慮以及分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的得出一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)公式。但是韋恩公式并不是與所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合的很好。在長(zhǎng)波波段，韋恩公式與實(shí)驗(yàn)有嚴(yán)重偏離。瑞利和金斯根據(jù)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理

3、學(xué)也得出黑體輻射能量分布公式。他們得出的公式在長(zhǎng)波部分與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較符合，而在短波部分則完全不符。這促使普朗克在韋恩公式和瑞利-金斯的公式之間尋求協(xié)調(diào)統(tǒng)一，結(jié)果得出一個(gè)兩參數(shù)的普朗克公式，此公式不僅與實(shí)驗(yàn)符合的最好，而且形式最簡(jiǎn)單（韋恩公式除外）。普朗克提出這個(gè)公式后，許多實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家立即用它去分析了當(dāng)時(shí)最精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)符合的非常好。他們認(rèn)為，這樣簡(jiǎn)單的一個(gè)公式與實(shí)驗(yàn)如此符合，絕非偶然，在這公式中一定蘊(yùn)藏著一個(gè)非常重要但尚為被人們揭示出的科學(xué)原理。光電效應(yīng)直到電子發(fā)現(xiàn)后，人們才認(rèn)識(shí)到光電效應(yīng)是由于紫外線照射，大量電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)呈現(xiàn)下列幾個(gè)特點(diǎn)： 對(duì)于

4、任何一種金屬都有一個(gè)確定的臨界頻率。照射光頻率必須大于臨界頻率時(shí)，才能觀測(cè)到光電子從電極上逸出。 光電子的能量與照射光的頻率有關(guān)，而與光強(qiáng)度無關(guān)。光強(qiáng)度只影響到光電流的強(qiáng)度即單位時(shí)間從金屬電極單位面積上逸出的電子的數(shù)目。 當(dāng)入射光頻率大于臨界頻率時(shí)，不管光多微弱，只要光一照上，幾乎立刻觀測(cè)到光電子。這些都與經(jīng)典電磁理論是不相符的，經(jīng)典的電磁理論是無法解釋這些特點(diǎn)的。原子的線狀光譜及其規(guī)律人們擁有很多關(guān)于光譜的資料，對(duì)這些資料進(jìn)行整理與分析后，發(fā)現(xiàn)光譜線波長(zhǎng)有一定的規(guī)律且原子光譜是呈分離的線狀光譜而不是連續(xù)分布。這樣人們自然會(huì)提出疑問：原子的線狀光譜產(chǎn)生的機(jī)制是什么？這些譜線的波長(zhǎng)為什么有這樣簡(jiǎn)

5、單的規(guī)律？原子的穩(wěn)定性盧瑟福的原子模型成功的解釋粒子的大角度偏轉(zhuǎn)，但它也是不完美的，還存在著一些問題：關(guān)于原子的穩(wěn)定性問題。由經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)，電子繞核做的是加速運(yùn)動(dòng)，電子的能量會(huì)越來越少從而電子減速，軌道半徑會(huì)不斷縮小，最后就會(huì)掉到原子核上去，并相應(yīng)發(fā)射出一個(gè)很寬的連續(xù)輻射譜，這與觀測(cè)到的原子的線狀光譜矛盾。此外，盧瑟福模型原子對(duì)于外界粒子的碰撞也是很不穩(wěn)定的。但現(xiàn)實(shí)世界表明，眾多原子穩(wěn)定地存在于自然界。固體與分子的比熱問題在溫度很低的時(shí)候能量均分定理不使用。量子理論就是在解決這些生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)同經(jīng)典物理學(xué)的矛盾中逐步建立起來的。二、早期量子論量子力學(xué)是在舊量子論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。舊量子論

6、包括普朗克的量子假說、愛因斯坦的光量子理論和玻爾的原子理論。8兀hv31普朗克的量子假說1900年，普朗克推導(dǎo)出一個(gè)關(guān)于黑體輻射的公式：卩=。這個(gè)公式稱為普朗克公式。此后他致力于找出這個(gè)公式的真正的物理意義：他根據(jù)玻爾茲曼的思想，作了如下假設(shè)：黑體是由帶電諧振子組成，這些諧振子的能量不能連續(xù)變化，只能取一些分立值。諧振子的最小能量為£=hv，這個(gè)最小能量稱為能量子，h稱為普朗克常數(shù)。諧振子的能量是能量子的整數(shù)倍。能量子概念的提出，實(shí)在是很震撼人心，它打破了經(jīng)典物理連續(xù)、平滑的概念。人們是很難接受的，連普朗克本人都感到困惑，它會(huì)帶來革命性的變革。愛因斯坦的光量子理論普朗克早期量子論文章

7、的知音很少，其中之一就是在伯爾尼專利局工作的一個(gè)年輕的專利審查員阿爾伯特愛因斯坦。愛因斯坦覺得，能量元素的假設(shè)是生動(dòng)，實(shí)在的，也令人驚駭，“似乎腳下的地板被拖走了，懸在那里，望哪里都看不見任何能建立它的基礎(chǔ)。”此后，愛因斯坦一生都致力于尋找“堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)”。沒等從概念上找到令人滿意的基礎(chǔ)，愛因斯坦便著手繼普朗克工作之后，發(fā)現(xiàn)再次使量子理論跨出偉大一步的原理了。愛因斯坦用同普朗克1900年文章類似的風(fēng)格，簡(jiǎn)短，聰明，多方面地討論，發(fā)展了光子的概念。熵概念和熱力學(xué)基本方程再次打開了通向量子王國(guó)之門，輻射場(chǎng)熵方程使得場(chǎng)就像是一個(gè)包含大量但是有限數(shù)目個(gè)獨(dú)立粒子的理想氣體，每個(gè)輻射量子一一按現(xiàn)在的說法就是

8、光子攜帶著總量由普朗克能量元素加給出的能量，其中v現(xiàn)在表示輻射頻率，如果有N個(gè)光子，那么總能量就是E=Nh。從這一方程，愛因斯坦得出結(jié)論，輻射場(chǎng)就像理想氣體一樣，包含N個(gè)獨(dú)立粒子光子，每個(gè)單獨(dú)光子的能量為加。毫無疑問，愛因斯坦確信這一思辨，但不知道世界上是不是還有人贊成他。這是1905年，普朗克的量子假說仍然還沒什么人注意，愛因斯坦卻將它用到了光和其他輻射場(chǎng)，跨出了普朗克自己十年之久都不愿意邁出的一步。愛因斯坦引用的最重要的實(shí)驗(yàn)證據(jù)就是“光電效應(yīng)”，即明亮的紫外光照到真空中制備的純凈金屬表面會(huì)產(chǎn)生電流。愛因斯坦認(rèn)為，只要認(rèn)為實(shí)驗(yàn)中的照明光就是粒子型光子的集合，光電效應(yīng)的這種奇特性質(zhì)就可以理解如

9、下：他假設(shè)了光子向金屬中電子轉(zhuǎn)移能量的一個(gè)簡(jiǎn)單機(jī)制：“根據(jù)入射光由大小加組成的觀點(diǎn)，可以設(shè)想光用以下方式發(fā)射電子，由于光子穿透金屬體的表面層，他們的能量也轉(zhuǎn)換，至少部分地轉(zhuǎn)換成電子的動(dòng)能。最簡(jiǎn)單的方式是設(shè)想這是一個(gè)光子將全部能量釋放給一個(gè)電子的過程，我們也就假設(shè)這就是真實(shí)發(fā)生的事件。愛因斯坦就是這樣利用普朗克的量子假說提出光量子概念從而解決了光電效應(yīng)問題。玻爾的原子量子論1911年，英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福提出了一個(gè)嶄新的原子結(jié)構(gòu)模型：原子內(nèi)部的大部分空間都是空虛的，它的中心有一個(gè)體積小，質(zhì)量很大，帶正電荷的核，帶負(fù)電的電子則以某種方式運(yùn)動(dòng)于核外的空間中。這個(gè)原子模型看起來更像一個(gè)微型的太陽系，原子

10、核是太陽，電子是圍繞太陽運(yùn)行的行星。一個(gè)新的原子模型建立了，但還不完善，還有許多問題，尤其在電磁理論方面面臨著嚴(yán)重的困難。經(jīng)典的麥克斯韋電磁理論預(yù)言，電子繞原子核運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于電荷異性相吸，將會(huì)不可避免地相互靠近并釋放出輻射能量，最后原子的能量越來越小，電子最終落到原子核上消失。換句話說，盧瑟福描述的原子是不可能穩(wěn)定存在超過1秒的，以此構(gòu)成的物質(zhì)世界根本就不可能存在。現(xiàn)在，盧瑟福模型需要更好的解釋，它在需要一種叫做量子化的理論解釋。在盧瑟福原子模型與麥克斯韋電磁理論遭遇到無法調(diào)和的矛盾時(shí)，年輕的玻爾面臨著一次學(xué)術(shù)信仰的抉擇，憑借對(duì)科學(xué)的遠(yuǎn)見卓識(shí)，玻爾選擇了盧瑟福原子模型。玻爾把普朗克-愛因斯坦的

11、概念創(chuàng)造性的運(yùn)用來解決原子結(jié)構(gòu)和原子光譜的問題，提出了他的原子的量子論。主要包括兩個(gè)方面：原子能夠而且只能夠穩(wěn)定地存在于與離散的能量相對(duì)應(yīng)的一系列狀態(tài)中。這些狀態(tài)稱為定態(tài)。因此原子能量的任何改變，只能在兩個(gè)定態(tài)之間以躍遷的方式進(jìn)行。原子在兩個(gè)定態(tài)之間躍遷時(shí)，吸收或發(fā)射的輻射的頻率是唯一的。普朗克的能量量子論，愛因斯坦的光量子論和玻爾的原子量子論，構(gòu)成我們常說的早期量子論。從歷史順序看這似乎是一脈相承，甚至是順理成章的，可是事實(shí)上他們?nèi)烁饔歇?dú)到之處。雖然早期量子論未能完全從經(jīng)典物理學(xué)的觀念脫穎而出成為一個(gè)完整的理論體系，但是它為量子力學(xué)的建立打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。三、量子力學(xué)的不斷發(fā)展量子力學(xué)和相

12、對(duì)論是構(gòu)成近代物理學(xué)的兩大理論支柱。量子力學(xué)自20世紀(jì)初建立起來隨著實(shí)踐的發(fā)展而不斷發(fā)展，物理學(xué)建立了研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的三個(gè)分支學(xué)科，即原子物理、原子核物理和粒子物理。粒子物理的基本理論，則是量子場(chǎng)論。量子電動(dòng)力學(xué)和量子色動(dòng)力學(xué)都屬于量子場(chǎng)論的內(nèi)容。量子電動(dòng)力學(xué)是關(guān)于電子和光子的理論，而量子色動(dòng)力學(xué)是關(guān)于夸克和膠子的理論。在量子電動(dòng)力學(xué)中，電子和正電子通過光子的虛交換而相互作用。在量子色動(dòng)力學(xué)中，夸克和反夸克通過膠子的虛交換而相互作用。粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為物質(zhì)的基本組成單元是三代輕子和夸克，其中輕子有電子、卩子、T子、電子中微子、卩中微子、T中微子，夸克有上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、頂夸

13、克、底夸克。輕子和夸克之間存在四種基本相互作用，即引力（由引力子g傳遞，目前尚未發(fā)現(xiàn)）、電磁相互作用（光子Y傳遞）、弱相互作用（由中間玻色子傳遞）和強(qiáng)相互作用（由膠子G傳遞）。標(biāo)準(zhǔn)模型理論至今成功地經(jīng)受了所有實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，取得了很高的成就，但是，該理論涉及參數(shù)太多（約19個(gè)），至今不能理解這些主觀參數(shù)的起源。我們需要注意的是，電磁相互作用、弱相互作用和強(qiáng)相互作用已經(jīng)得到統(tǒng)一，稱為GrandUnifiedTheories。但是，引力相互作用和這三種相互作用尚未統(tǒng)一起來，目前這種努力還在進(jìn)行之中。量子力學(xué)的建立大事年表量子力學(xué)的建立大事年表一年份1884189319001902事件巴末爾發(fā)現(xiàn)氫光譜的

14、經(jīng)驗(yàn)公式維恩發(fā)現(xiàn)黑體輻射的位移定律瑞利提出古典輻射定律普朗克引進(jìn)量子假設(shè)勒納德發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)定律年份1905191119131921事件愛因斯坦提出光量子論，解釋光電效應(yīng)，揭示了微觀客體的波粒二象性盧瑟福提出有核原子模型波爾提出原子結(jié)構(gòu)理論，用量子躍遷假說解釋原子光譜斯特恩和蓋拉赫證實(shí)原子磁矩的量子化年份1923192519261927事件德布羅意創(chuàng)立物質(zhì)波理海森堡創(chuàng)立量子理薛定諤建立波動(dòng)力學(xué)，并海森堡提出測(cè)不準(zhǔn)原理論論（矩陣力學(xué)）泡利提出不相容原理證明與矩陣力學(xué)是等價(jià)的年份192819291931事件狄拉克提出相對(duì)論行量子力學(xué)，并預(yù)言陽電子的存在海森堡和泡利提出相對(duì)論性量子場(chǎng)論泡利提出中

15、微子假說總結(jié)心得在學(xué)習(xí)量子力學(xué)章節(jié)時(shí)，對(duì)其發(fā)展史產(chǎn)生了濃厚的興趣。課本以黑體輻射問題開篇，進(jìn)而引出普朗克的量子假說f愛因斯坦的光量子論。同時(shí)在分析盧瑟福原子結(jié)構(gòu)模型時(shí)，結(jié)合氫原子光譜，引出玻爾理論（定態(tài)假設(shè)、軌道量子化假設(shè)、躍遷假設(shè)），并對(duì)氫原子光譜進(jìn)行補(bǔ)充和解釋。在有了16章早期量子論的鋪墊后，開始了量子力學(xué)的學(xué)習(xí)。德布羅意波知識(shí)的學(xué)習(xí)引發(fā)了我一系列的思考，戴維遜-革末實(shí)驗(yàn)讓我對(duì)德布羅意波有了較為透徹的理解。在量子力學(xué)的學(xué)習(xí)過程中，薛定諤方程的學(xué)習(xí)尤為地重要。學(xué)科基礎(chǔ)課-數(shù)學(xué)物理方程對(duì)薛定諤方程進(jìn)行了詳細(xì)的講解，從固有值問題分析薛定諤方程。因有數(shù)理方程的鋪墊，較快地理解了大學(xué)物理中關(guān)于薛定諤方程的詳述。通過大學(xué)物理的學(xué)習(xí)，讓我對(duì)量子力學(xué)有了一定的了解，為下學(xué)期的專業(yè)課-