量子力學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展

1、量子力學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展量子力學(xué)是描述微觀世界結(jié)構(gòu)、運動與變化規(guī)律的物理科學(xué)。它是20世紀(jì)人類文明發(fā)展的一個重大飛躍，量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了一系列劃時代的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)發(fā)明，對人類社會的進步做出重要貢獻。量子的誕生19世紀(jì)末正當(dāng)人們?yōu)榻?jīng)典物理取得重大成就的時候，一系列經(jīng)典理論無法解釋的現(xiàn)象一個接一個地發(fā)現(xiàn)了。德國物理學(xué)家維恩通過熱輻射能譜的測量發(fā)現(xiàn)的熱輻射定理。1900年德國物理學(xué)家普朗克為了解釋熱輻射能譜提出了一個大膽的假設(shè)：在熱輻射的產(chǎn)生與吸收過程中能量是以hV為最小單位，一份一份交換的。普朗克利用內(nèi)插法，將適用于短波的維恩公式和適用于長波的瑞利一金斯公式銜接起來在1900年提出了一個新的公式。

2、量子論就這樣隨著二十世紀(jì)開始由偉大的物理學(xué)家普朗克把它帶到我們這個世界來。雖然在圍繞原子論的爭論過程中，玻爾茲曼(18441966年)在反駁唯能論時說過怎么能說能量就不像原子那樣分立存在呢？”這樣的話，馬赫(18381916年)曾經(jīng)表明化學(xué)運動不連續(xù)性的觀點，但真正把能量不連續(xù)的概念引入物理學(xué)的是普朗克。因為能量不連續(xù)的概念與古典物理學(xué)格格不入，物理學(xué)界對它最初的反映是冷淡的。物理學(xué)家們只承認普朗克公式是同實驗一致的經(jīng)驗公式，不承認他的理論性的量子假說。普朗克本人也惴惴不安，因為他的量子假設(shè)是迫不得已的抓注一擲的舉動”他本想在最后的結(jié)果中令h-0,但卻發(fā)現(xiàn)根本辦不到。他其后多年試圖把量子假說納

3、入古典物理學(xué)框架之內(nèi)，取消能量的不連續(xù)性，但從未成功。只有愛因斯坦最早認識到普朗克能量子概念在物理學(xué)中的革命意義。1916年美國物理學(xué)家密著名科學(xué)家愛因斯坦經(jīng)過認真思考，于1905年提出了光量子說。立根發(fā)表了光電效應(yīng)實驗結(jié)果，驗證了愛因斯坦的光量子說。量子的青年時代雜亂的數(shù)字以及有趣的臺階想法從光譜學(xué)中，我們知道任何元素都產(chǎn)生特定的唯一譜線。這些譜線呈現(xiàn)什么規(guī)律以及為什么會有這些規(guī)律，卻是一個大難題。拿氫原子的譜線來說吧，這是最簡單的原子譜線了。它就呈現(xiàn)為一組線段，每一條線都代表了一個特定的波長。比如在可見光區(qū)間內(nèi)，氫原子的光譜線依次為：656，484，434，410，397，388，383，

4、380納米。這些數(shù)據(jù)無疑不是雜亂無章的，1885年，瑞士的一位數(shù)學(xué)教師巴爾末(JohannBalmer)發(fā)現(xiàn)了其中的規(guī)律，并總結(jié)了一個公式來表示這些波長之間的關(guān)系，這就是著名的巴爾末公式。將它的原始形式稍微變換一下，用波長的倒數(shù)來表示，則顯得更加簡單明了：尸R(1/2A2-1/nA2)1913年丹麥物理學(xué)家玻爾疑惑于盧瑟福原子行星模型的不穩(wěn)定，建了一所“諾貝爾獎幼兒園”的盧瑟福向他推薦了這個公式。在玻爾眼里，這無疑是一個晴天霹靂，它像一個火花，瞬間點燃了玻爾的靈感，所有的疑惑在那一刻變得順理成章了，玻爾知道，隱藏在原子里的秘密，終于向他嫣然展開笑顏。一個大膽的想法在玻爾的腦中浮現(xiàn)出來：如同具有

5、一定勢能的人從某一層臺階上跳下來一樣。臺階數(shù)必須”是整數(shù)，就是我們的量子化條件。原子內(nèi)部只能釋放特定量的能量，說明電子只能在特定的勢能位置”之間轉(zhuǎn)換。也就是說，電子只能按照某些確定的”軌道運行，這些軌道，必須符合一定的勢能條件，從而使得電子在這些軌道間躍遷時，只能釋放出符合巴耳末公式的能量來。氫原子的光譜線代表了電子從一個特定的臺階跳躍到另外一個臺階所釋放的能量。因為觀測到的光譜線是量子化的，所以電子的臺階”（或者軌道）必定也是量子化的，它不能連續(xù)而取任意值，而必須分成底樓”一樓”二樓”等，在兩層樓”之間，是電子的禁區(qū)，它不可能出現(xiàn)在那里。正如一個人不能懸在兩級臺階之間漂浮一樣。如果現(xiàn)在電子在

6、三樓”它的能量用W3表示，那么當(dāng)這個電子突發(fā)奇想，決定跳到一樓”（能量W1）的期間，它便釋放出了W3-W1的能量。我們要求大家記住的那個公式再一次發(fā)揮作用，W3-W1=hvo所以這一舉動的直接結(jié)果就是，一條頻率為v的譜線出現(xiàn)在該原子的光譜上。這個理論雖然有許多成功之處，但對于進一步解釋實驗現(xiàn)象還有許多困難。玻爾所有的這些思想，轉(zhuǎn)化成理論推導(dǎo)和數(shù)學(xué)表達，并以三篇論文的形式最終發(fā)表。這三篇論文（或者也可以說，一篇大論文的三個部分），分別題名為論原子和分子的構(gòu)造（OntheConstitutionofAtomsandMolecules），單原子核體系（SystemsContainingOnlyaSi

7、ngleNucleus）和多原子核體系（SystemsContainingSeveralNuclei），于1913年3月到9月陸續(xù)寄給了遠在曼徹斯特的盧瑟福，并由后者推薦發(fā)表在哲學(xué)雜志（PhilosophicalMagazine）上。這就是在量子物理歷史上劃時代的文獻，亦即偉大的三部曲”玻爾原子理論以它簡單明晰的圖像解釋了氫原子分立光譜線，并以電子軌道態(tài)直觀地解釋了化學(xué)元素周期表，導(dǎo)致了72號元素鉛的發(fā)現(xiàn)，在隨后的短短十多年內(nèi)引發(fā)了一系列的重大科學(xué)進展。這在物理學(xué)史上是空前的。玻爾的科研思想與他的直覺相聯(lián)系在一起，他從不畏縮不前,也不遵循所謂嚴(yán)格的邏輯道路的方法.玻爾靈活的思維特點與思想方法在

8、今天已成為越來越多的人所理解和賞識由于量子論的深刻內(nèi)涵，隨后幾年中以玻爾為代表的哥本哈根學(xué)派對此進行了深入的研究，他們對對應(yīng)原理、矩陣力學(xué)、不相容原理、測不準(zhǔn)關(guān)系、互補原理。量子力學(xué)的幾率解釋等都做出了貢獻。這一時期可謂是量子力學(xué)發(fā)展的青年時期。從懵懂中逐漸揭露出事物的本質(zhì)，建立了許多模型的理論解釋。量子力學(xué)的黃金時期1923年4月美國物理學(xué)家康普頓發(fā)表了X射線被電子散射所引起的頻率變小現(xiàn)象，即康普頓效應(yīng)。按經(jīng)典波動理論，靜止物體對波的散射不會改變頻率。而按愛因斯坦光量子說這是兩個粒子”碰撞的結(jié)果。光量子在碰撞時不僅將能量傳遞而且也將動量傳遞給了電子，使光量子說得到了實驗的證明。在人們認識到光

9、具有波動和微粒的二象性之后，為了解釋一些經(jīng)典理論無法解釋的現(xiàn)象，法國物理學(xué)家德布羅意于1923年提出微觀粒子具有波粒二象性的假說。德布羅意認為：正如光具有波粒二象性一樣，實體的微粒（如電子、原子等）也具有這種性質(zhì)，即既具有粒子性也具有波動性。這一假說不久就為實驗所證實。德布羅意的波粒二象性假設(shè)：E=?3,p=h/人其中？=h/2n，可以由E=p22m得到入=V（h2mE）。光不僅僅是電磁波，也是一種具有能量動量的粒子。1924年美籍奧地利物理學(xué)家泡利發(fā)表了不相容原理”原子中不能有兩個電子同時處于同一量子態(tài)。這一原理解釋了原子中電子的殼層結(jié)構(gòu)。這個原理對所有實體物質(zhì)的基本粒子（通常稱之為費米子，

10、如質(zhì)子、中子、夸克等）都適用，構(gòu)成了量子統(tǒng)計力學(xué)費米統(tǒng)計的基點。不相容原理促使烏倫貝克和高斯密特,在1925年提出電子自旋的設(shè)想從而使長期得不到解釋的光譜精細結(jié)構(gòu)，反常塞曼效應(yīng)和斯特恩一蓋拉赫實驗等難題迎刃而解這使除了已有的與經(jīng)典力學(xué)量（能量、角動量及其分量）對應(yīng)的三個量子數(shù)之外引進第四個量子數(shù)。這個量子數(shù)后來稱為自旋”是表述基本粒子一種內(nèi)在性質(zhì)的物理量。量子力學(xué)體系的最終建立1925年，德國物理學(xué)家海森伯和玻爾，建立了量子理論第一個數(shù)學(xué)描述矩陣力學(xué)。由于微觀粒子具有波粒二象性，微觀粒子所遵循的運動規(guī)律就不同于宏觀物體的運動規(guī)律，描述微觀粒子運動規(guī)律的量子力學(xué)也就不同于描述宏觀物體運動規(guī)律的經(jīng)

11、典力學(xué)。當(dāng)粒子的大小由微觀過渡到宏觀時，它所遵循的規(guī)律也由量子力學(xué)過渡到經(jīng)典力學(xué)。量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)的差別首先表現(xiàn)在對粒子的狀態(tài)和力學(xué)量的描述及其變化規(guī)律上。在量子力學(xué)中，粒子的狀態(tài)用波函數(shù)描述，它是坐標(biāo)和時間的復(fù)函數(shù)。為了描寫微觀粒子狀態(tài)隨時間變化的規(guī)律，就需要找出波函數(shù)所滿足的運動方程。這個方程是薛定諤在1926年首先找到的，被稱為薛定諤方程。它給出了量子論的另一個數(shù)學(xué)描述一一波動力學(xué)。后來，物理學(xué)家把二者將矩陣力學(xué)與波動力學(xué)統(tǒng)一起來，統(tǒng)稱量子力學(xué)。當(dāng)微觀粒子處于某一狀態(tài)時，它的力學(xué)量（如坐標(biāo)、動量、角動量、能量等）一般不具有確定的數(shù)值，而具有一系列可能值，每個可能值以一定的幾率出現(xiàn)。當(dāng)粒

12、子所處的狀態(tài)確定時，力學(xué)量具有某一可能值的幾率也就完全確定。這就是1927年，海森伯得出的測不準(zhǔn)關(guān)系，原理的公式表達如下：xp?/2同時玻爾提出了并協(xié)原理，對量子力學(xué)給出了進一步的闡釋。量子力學(xué)和狹義相對論的結(jié)合產(chǎn)生了相對論量子力學(xué)。經(jīng)狄拉克、海森伯和泡利等人的工作發(fā)展了量子電動力學(xué)。1928年狄拉克提出電子的相對論性運動方程一一狄拉克方程，奠定了相對論性量子力學(xué)的基礎(chǔ)20世紀(jì)30年代以后形成了描述各種粒子場的量子化理論一一量子場論，它構(gòu)成了描述基本粒子現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)。1925年，海森堡基于物理理論只處理可觀察量的認識，拋棄了不可觀察的軌道概念，并從可觀察的輻射頻率及其強度出發(fā)，和玻恩、約爾丹

13、一起建立起矩陣力學(xué)；1926年，薛定諤基于量子性是微觀體系波動性的反映這一認識，找到了微觀體系的運動方程，從而建立起波動力學(xué)，其后不久還證明了波動力學(xué)和矩陣力學(xué)的數(shù)學(xué)等價性；狄拉克和約爾丹各自獨立地發(fā)展了一種普遍的變換理論，給出量子力學(xué)簡潔、完善的數(shù)學(xué)表達形式。量子力學(xué)在低速、微觀的現(xiàn)象范圍內(nèi)具有普遍適用的意義。它是現(xiàn)代物理學(xué)基礎(chǔ)之一，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的表面物理、半導(dǎo)體物理、凝聚態(tài)物理、粒子物理、低溫超導(dǎo)物理、量子化學(xué)以及分子生物學(xué)等學(xué)科的發(fā)展中，都有重要的理論意義。量子力學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展標(biāo)志著人類認識自然實現(xiàn)了從宏觀世界向微觀世界的重大飛躍。量子力學(xué)是在舊量子論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。舊量子論包括

14、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。1900年，普朗克提出輻射量子假說，假定電磁場和物質(zhì)交換能量是以間斷的形式（能量子）實現(xiàn)的，能量子的大小同輻射頻率成正比，比例常數(shù)稱為普朗克常數(shù)，從而得出黑體輻射能量分布公式，成功地解釋了黑體輻射現(xiàn)象。1905年，愛因斯坦引進光量子（光子）的概念，并給出了光子的能量、動量與輻射的頻率和波長的關(guān)系，成功地解釋了光電效應(yīng)。其后，他又提出固體的振動能量也是量子化的，從而解釋了低溫下固體比熱問題。1913年，玻爾在盧瑟福有核原子模型的基礎(chǔ)上建立起原子的量子理論。按照這個理論，原子中的電子只能在分立的軌道上運動，原子具有確定的能量，它所處的這種狀態(tài)

15、叫定態(tài)”,而且原子只有從一個定態(tài)到另一個定態(tài)，才能吸收或輻射能量。這個理論雖然有許多成功之處，但對于進一步解釋實驗現(xiàn)象還有許多困難。在人們認識到光具有波動和微粒的二象性之后，為了解釋一些經(jīng)典理論無法解釋的現(xiàn)象，法國物理學(xué)家德布羅意于1923年提出微觀粒子具有波粒二象性的假說。德布羅意認為：正如光具有波粒二象性一樣，實體的微粒（如電子、原子等）也具有這種性質(zhì)，即既具有粒子性也具有波動性。這一假說不久就為實驗所證實。德布羅意的波粒二象性假設(shè)：E=?3，p=h/入，其中？=h/2n，可以由E=p2/2m得到入=V（h2/2mE）由于微觀粒子具有波粒二象性，微觀粒子所遵循的運動規(guī)律就不同于宏觀物體的運

16、動規(guī)律，描述微觀粒子運動規(guī)律的量子力學(xué)也就不同于描述宏觀物體運動規(guī)律的經(jīng)典力學(xué)。當(dāng)粒子的大小由微觀過渡到宏觀時，它所遵循的規(guī)律也由量子力學(xué)過渡到經(jīng)典力學(xué)。量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)的差別首先表現(xiàn)在對粒子的狀態(tài)和力學(xué)量的描述及其變化規(guī)律上。在量子力學(xué)中，粒子的狀態(tài)用波函數(shù)描述，它是坐標(biāo)和時間的復(fù)函數(shù)。為了描寫微觀粒子狀態(tài)隨時間變化的規(guī)律，就需要找出波函數(shù)所滿足的運動方程。這個方程是薛定諤在1926年首先找到的，被稱為薛定諤方程。當(dāng)微觀粒子處于某一狀態(tài)時，它的力學(xué)量（如坐標(biāo)、動量、角動量、能量等）一般不具有確定的數(shù)值，而具有一系列可能值，每個可能值以一定的幾率出現(xiàn)。當(dāng)粒子所處的狀態(tài)確定時，力學(xué)量具有某一可

17、能值的幾率也就完全確定。這就是1927年，海森伯得出的測不準(zhǔn)關(guān)系，同時玻爾提出了并協(xié)原理，對量子力學(xué)給出了進一步的闡釋。量子力學(xué)和狹義相對論的結(jié)合產(chǎn)生了相對論量子力學(xué)。經(jīng)狄拉克、海森伯和泡利等人的工作發(fā)展了量子電動力學(xué)。20世紀(jì)30年代以后形成了描述各種粒子場的量子化理論一一量子場論，它構(gòu)成了描述基本粒子現(xiàn)象的理論基礎(chǔ)。量子力學(xué)是在舊量子論建立之后發(fā)展建立起來的。舊量子論對經(jīng)典物理理論加以某種人為的修正或附加條件以便解釋微觀領(lǐng)域中的一些現(xiàn)象。由于舊量子論不能令人滿意，人們在尋找微觀領(lǐng)域的規(guī)律時，從兩條不同的道路建立了量子力學(xué)。1925年，海森堡基于物理理論只處理可觀察量的認識，拋棄了不可觀察的

18、軌道概念，并從可觀察的輻射頻率及其強度出發(fā)，和玻恩、約爾丹一起建立起矩陣力學(xué)；1926年，薛定諤基于量子性是微觀體系波動性的反映這一認識，找到了微觀體系的運動方程，從而建立起波動力學(xué)，其后不久還證明了波動力學(xué)和矩陣力學(xué)的數(shù)學(xué)等價性；狄拉克和約爾丹各自獨立地發(fā)展了一種普遍的變換理論，給出量子力學(xué)簡潔、完善的數(shù)學(xué)表達形式。海森堡還提出了測不準(zhǔn)原理，原理的公式表達如下：xp?/2量子力學(xué)在低速、微觀的現(xiàn)象范圍內(nèi)具有普遍適用的意義。它是現(xiàn)代物理學(xué)基礎(chǔ)之一，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的表面物理、半導(dǎo)體物理、凝聚態(tài)物理、粒子物理、低溫超導(dǎo)物理、量子化學(xué)以及分子生物學(xué)等學(xué)科的發(fā)展中，都有重要的理論意義。量子力學(xué)的產(chǎn)生

19、和發(fā)展標(biāo)志著人類認識自然實現(xiàn)了從宏觀世界向微觀世界的重大飛躍關(guān)于量子力學(xué)的解釋涉及許多哲學(xué)問題，其核心是因果性和物理實在問題。按動力學(xué)意義上的因果律說，量子力學(xué)的運動方程也是因果律方程，當(dāng)體系的某一時刻的狀態(tài)被知道時，可以根據(jù)運動方程預(yù)言它的未來和過去任意時刻的狀態(tài)。但量子力學(xué)的預(yù)言和經(jīng)典物理學(xué)運動方程（質(zhì)點運動方程和波動方程）的預(yù)言在性質(zhì)上是不同的。在經(jīng)典物理學(xué)理論中，對一個體系的測量不會改變它的狀態(tài)，它只有一種變化，并按運動方程演進。因此，運動方程對決定體系狀態(tài)的力學(xué)量可以作出確定的預(yù)言。但在量子力學(xué)中，體系的狀態(tài)有兩種變化，一種是體系的狀態(tài)按運動方程演進，這是可逆的變化；另一種是測量改變體系狀態(tài)的不可逆變化。因此，量子力學(xué)對決定狀態(tài)的物理量不能給出確定的預(yù)言，只能給出物理量取值的幾率。在這個意義上，經(jīng)典物理