第六章物質(zhì)觀的革命量子論

第六章物質(zhì)觀的革命量子論第1頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

本章將對20世紀物質(zhì)觀革命中一系列重大發(fā)現(xiàn)做出介紹，包括能量量子化、光量子、原子核式模型、玻爾模型、物質(zhì)波、物質(zhì)波方程及波函數(shù)。圍繞這些重大發(fā)現(xiàn)，我們將看到量子物理學的先驅(qū)的杰出的洞察力、豐富的想像力和驚人的創(chuàng)造力；量子物理發(fā)展的艱難歷程；科學爭論如何推動量子物理發(fā)展；以及物理學家尋找物質(zhì)世界和諧統(tǒng)一的那種執(zhí)著精神。第2頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三§6-1開創(chuàng)物理學新時代的“量子”概念的提出

一、背景當力學、熱力學、統(tǒng)計物理和電動力學等取得一系列成就后，許多物理學家都認為物理學的大廈已經(jīng)建成，后輩們只要做一些零碎的修補工作就行了。兩朵烏云的出現(xiàn)，打破了物理學平靜而晴朗的天空。對這兩朵烏云的研究分別導致了相對論和量子論的誕生，它們是：第3頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三邁克爾孫-莫雷實驗：在實驗中沒測到預期的“以太風”，即不存在一個絕對參考系，也就是說光速與光源運動無關，光速各向同性→導致相對論的建立。黑體輻射實驗：用經(jīng)典理論無法解釋實驗結果→導致量子物理的誕生。

二、觀念的根本突破普朗克公式的導出1．什么是黑體輻射？為什么要研究它？熱輻射：物體內(nèi)的分子、原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁輻射的現(xiàn)象。第4頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三不同溫度下，輻射能量集中的波長范圍不同。

<600℃，物體的熱輻射波長在紅外和遠紅外波段。溫度的升高，物體熱輻射的能量逐漸增強，輻射波長趨向短波段。

600～700℃，物體開始呈現(xiàn)暗紅色，這表明輻射波段開始進入可見光區(qū)域。

物體溫度的繼續(xù)升高，輻射的波長進一步向短波方向移動，物體變得鮮紅，甚至白熱。第5頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三黑體：黑色的物體？不是！黑體是能100％吸收投射到它上面的電磁輻射而沒有任何反射的物體。有這樣的東西嗎？沒有！——只是個理想模型第6頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三一個密閉的空腔上開一個小孔，則此小孔就可近似地看成為黑體。只吸收，不反射。

研究它的輻射本領的好處是與空腔材料無關。黑體輻射第7頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

2．黑體輻射本領與輻射波長的關系

維恩位移定律，即不同溫度時，的極值位置不同第8頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

3．與隨變化的實驗曲線對應的理論公式（1）維恩根據(jù)實驗結果給出了一個經(jīng)驗公式維恩的經(jīng)驗公式：此式在較小時與實驗符合很好，大時則不好。第9頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

（2）瑞利-金斯根據(jù)經(jīng)典電動力學和統(tǒng)計物理導出了瑞利-金斯公式：此式在較大時能與實驗很好符合，而小時則根本不對。經(jīng)典理論無法解釋，這正是被稱為“烏云”的原因!第10頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

（3）普朗克普朗克將兩個公式綜合起來，湊出一個與整個實驗曲線符合的經(jīng)驗公式：當很小→→維恩公式普朗克第11頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三當很大→→瑞利-金斯公式稱為普朗克公式。其中，h是普朗克常數(shù)，c是光速，k是玻爾茲曼常數(shù)。黑體輻射第12頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

4.經(jīng)過兩個月奮斗，于1900年10月19日，在德國物理學會會議上報告了他在“能量量子化”的假設下，從理論上嚴格推導出的普朗克公式?！斑@一發(fā)現(xiàn)成為20世紀整個物理研究的基礎，從那時起，幾乎完全決定了物理學的發(fā)展”?！獝垡蛩固沟?3頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三普朗克的基本假設：在輻射場中有大量包含各種頻率的諧振子，一個頻率為的諧振子的能量不能是連續(xù)的，只能是能量元（又稱能量子）的整數(shù)倍，即，其中n只能取正整數(shù)。能量元，h為普朗克常數(shù)。這就是著名的“能量量子化”假設。與經(jīng)典理論是完全相抵觸第14頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

5．應用舉例（1）用維恩位移定律，可估計太陽的溫度。

太陽中最強的是黃光，即≈0.5μm，則可估計太陽表面溫度T≈5800K。（2）將輻射本領對各種求和，可得總輻射本領公式：

此式又稱斯忒藩-玻爾茲曼定律，其中常數(shù)為利用斯忒藩-玻爾茲曼定律，可估計太陽表面單位面積所輻射的功率約為W/m2。由此可見太陽能有得到利用的價值。第15頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

三、量子觀念在“非難”中得到發(fā)展

1．“能量子”vs.懷疑普朗克引入了“能量子”的假設，標志著量子物理學的誕生，具有劃時代的意義。但是由于這個假設對經(jīng)典物理學致命的打擊，所以他同時代的那些物理學家對這一觀念都表示疑惑不解，甚至懷疑。洛倫茲說：

“關于輻射量子問題的討論使科學家們都陷在死胡同里了?！睙o人問津第16頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

普朗克本人也由于受傳統(tǒng)的經(jīng)典觀念影響太深，對自己提出的“能量子”思想違反了經(jīng)典的連續(xù)性概念而煩惱和后悔。并一直試圖用連續(xù)性代替不連續(xù)性，回到經(jīng)典范疇。經(jīng)過十多年徒勞的努力后，他才相信能量子假設是正確的，作用量子h反映了新理論的本質(zhì)。年僅21歲的愛因斯坦，對于新生“量子嬰兒”，表現(xiàn)出熱情支持的態(tài)度。并于1905年提出了“光量子”假設，把量子看成是輻射粒子，賦予量子的實在性，并成功地解釋了光電效應實驗，捍衛(wèi)和發(fā)展了量子論，不愧為量子物理的一代先驅(qū)。第17頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三§6-2第一個鉆到原子中心的人—盧

瑟福

在介紹第三位量子物理的先驅(qū)者玻爾的工作以前，有必要先介紹盧瑟福，不僅因為盧瑟福的工作同樣是給了經(jīng)典物理一個致命的打擊，而且玻爾的工作正是建立在他的工作基礎上的。第18頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三一、湯姆孫的原子模型電子的發(fā)現(xiàn)者湯姆孫本人所提出的一種原子模型：原子的正電荷是均勻分布在整個原子球體內(nèi)，而電子是一個個嵌在其中，并保持整個原子的電中性。當時這種模型被稱之為“葡萄干布丁模型”。

1904年又作進一步假設：原子中電子是分布在一個個同心圓環(huán)上，作著旋轉，每個環(huán)中只能包含有限個電子。這是閃光點！第19頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三這個假設可解釋元素周期表。

葡萄干布丁模型

二、α粒子探針的奇跡盧瑟福1871年8月13日生于新西蘭一個蘇格蘭移民后裔家庭。1894年大學畢業(yè)，考入劍橋大學三一學院，成為J.J.湯姆孫第一個外國研究生。后來成為卡文迪許實驗室的第四任教授。第20頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三他發(fā)現(xiàn)了放射性規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了原子核式結構，首此實現(xiàn)了人工核反應，預言了中子等。被譽為“核物理之父”。他非常重視人才培養(yǎng)，被稱為培養(yǎng)人才的巨匠。反應堆的發(fā)明者——費米說，盧瑟福在科學史上被懷念，不僅因為他的貢獻，而且還因為“他作為教師這個字眼最高意義上的一個教師”。他提倡鼓勵學生思考問題，提出問題，自己解決問題。盧瑟福第21頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

盧瑟福的研究生馬斯登和蓋革用粒子轟擊厚度為0.4μm的金箔，發(fā)現(xiàn)有1/20000的概率被反射回來，發(fā)生大角度散射——這是第一個有科學依據(jù)的原子模型的起點。用葡萄干布丁模型是無法解釋粒子被反射回來的現(xiàn)象。盧瑟福提出原子的“核式結構模型”：所有正電荷（Ze）和原子質(zhì)量都集中在原子中心一個非常小的體積內(nèi)，這就是原子核。原子中的電子繞核運動,靠靜電引力把整個原子結合在一起。并且通過理論推導給出了著名的“盧瑟福散射公式”,所計算出的粒子散射概率與實驗事實完全相符。第22頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三三、盧瑟福的“原子核式結構”模型的提出和遭遇

盧瑟福提出的原子核模型：

所有正電荷（Ze）和原子質(zhì)量都集中在原子中心一個非常小的體積內(nèi)，構成原子核；原子中的電子繞核運動。第23頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三但是任何重大發(fā)現(xiàn)的背后，往往又孕育著新的問題，甚至是一種災難。盧瑟福模型也不例外。主要問題是無法解釋原子的穩(wěn)定性和原子有一定的大小。因為按照經(jīng)典電磁學理論，當帶電粒子作加速運動時，會發(fā)射電磁波，放出能量。因此，繞核運動的電子輻射而損失能量最后導致落到原子核上。（這個過程非常短暫。）這樣的原子就都是不穩(wěn)定的了。后果不堪設想！有人開玩笑說，物理學家不知道為什么自己住的樓沒有倒塌掉！+第24頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三面對這樣的困難，盧瑟福還是勇敢地宣布了他的原子模型:

“關于所提的原子穩(wěn)定性問題，現(xiàn)階段尚未考慮進行研究……但是，我們的科學事業(yè)除了今天還有明天！”“顯然，原子的穩(wěn)定性與原子精細結構有關，并且與其中帶電粒子的運動有關。”

第25頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

四、盧瑟福預言核內(nèi)存在“中子”中子發(fā)現(xiàn)的重大意義在發(fā)現(xiàn)原子核后，科學家就在思考原子核的組成。在1920年以前，普遍認為是由質(zhì)子（氫核）和電子組成，當時電子和質(zhì)子是人們僅知的兩種基本粒子。隨著一些元素的同位素的發(fā)現(xiàn)，提出了一個問題，即為什么這些同位素的核電荷Ze相同，但質(zhì)量不同，且非常接近質(zhì)子質(zhì)量的整數(shù)倍？

第26頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三盧瑟福以他豐富的科學想象力提出了著名的中子假設：“在某些情況下，也許由一個電子更加緊密地與H（氫）核結合在一起，組成一個中性的雙子，這樣的原子也許有很新穎的特性?！薄耙忉屩卦氐慕M成，這種原子的存在，看來是必需的。”在1924年后，這種中性雙子被定名為中子。第27頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三在中子的發(fā)現(xiàn)上，約里奧-居里夫婦在舊的傳統(tǒng)觀念的影響下，錯失了機會。而相信盧瑟福的預言，一心在尋找中子的查德維克抓住了機遇，發(fā)現(xiàn)了中子，榮獲諾貝爾物理學獎。第28頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

1931年，著名的居里夫人的女兒和女婿——約里奧-居里夫婦在實驗室里觀測到一種

穿透力特別強的射線，它不帶電，也

看不見。約里奧-居里夫婦把它當成

是非常硬的短波γ射線。而看到這

個實驗結果，劍橋大學卡文迪許實

驗室的查德威克則激動地意識到：

這是中子！說：“他們真傻！看見

了中子還不知道！”查德威克

第29頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三盧瑟福“關于中子”的預言，為后來他的學生查德威克發(fā)現(xiàn)中子起了很關鍵的作用。查德威克是盧瑟福的學生，他設計實驗發(fā)現(xiàn)了中子，并用云室測定了中子的質(zhì)量。1935年，在諾貝爾獎評獎委員會上，有人認為應由約里奧-居里夫婦與查德威克共享這一年的獎金。盧瑟福說，給查德威克吧，約里奧-居里夫婦那么能干，他們以后還有機會。就在同一年，化學的諾貝爾獎評委員會把1935年諾貝爾化學獎授予約里奧-居里夫婦，表彰他們發(fā)現(xiàn)了人工放射性。第30頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三中子的發(fā)現(xiàn)是核物理發(fā)展史上的一個重大轉折點，使人們對原子核的研究進入一個嶄新階段。由于中子不帶電，容易進入核內(nèi)，所以用它作為研究原子核的炮彈，比帶電的粒子威力大得多，因此

中子的發(fā)現(xiàn)也為核能的利用打開了大門。第31頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三§6-3和諧的樂章——玻爾模型

物質(zhì)世界具有統(tǒng)一性在于它的物質(zhì)性，“統(tǒng)一”并不是主觀臆想。對統(tǒng)一性的追求是歷代科學家共同奮斗的壯麗目標。第32頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三一、行星模型的鑒賞家

誰是盧瑟福瀕臨失敗的原子模型的救星呢？不是他自己，而是尼爾斯·玻爾。后來，史學家問過玻爾：“當時是不是只有你一個人感興趣呢？”玻爾回答說：“是的，不過你們知道，我主要不是感興趣，我只是相信它。”玻爾（1885－1962），丹麥物理學家，哥本哈根學派的創(chuàng)始人，量子物理學的奠基者之一。1916年任哥本哈根大學物理學教授；1917年當選為丹麥皇家科學院院士；1922年榮獲諾貝爾物理學獎；1939年任丹麥皇家科學院院長；1944年玻爾在美國參加了和原子彈有關的理論研究；1947年丹麥政府為了表彰玻爾的功績，封他為“騎象勛爵”。第33頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

二、玻爾原子結構模型的基礎（科學背景）

1．普朗克和愛因斯坦提出了“量子化”概念

2．盧瑟福提出了“原子核核式結構”模型

3．描寫氫原子可見光譜線的波長的經(jīng)驗公式——巴耳末公式：第34頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

三、玻爾模型及其重新思維

1．玻爾模型的基本假設玻爾的目的：要解決盧瑟福原子模型的穩(wěn)定性問題及給出原子大小。在他所發(fā)表的劃時代的關于原子結構的論文中首先對氫原子提出了玻爾模型的兩個基本假定：

（1）定態(tài)條件假定→原子可以保持穩(wěn)定性作繞核圓周運動的電子只能處在一些分立的允許軌道上運動，且不存在能量輻射。也就是說電子只允許在一些有確定分立半徑和分立能量大小的“定態(tài)”軌道上運動。第35頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

（2）頻率條件假定當電子從一定態(tài)能量為的允許軌道躍遷到另一定態(tài)能量為的允許軌道時，會以電磁波形式釋放能量（當）

吸收能量（當）若，則所放出的電磁波所相應的光子能量為第36頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三討論與思考

玻爾提出這個公式受到了巴耳末公式的啟發(fā)，為什么這么說？上述兩個假定反映了玻爾的創(chuàng)新思維，其中包含了3個第一：第一個將量子化概念用到了原子結構第一個將原子光譜與原子結構定量聯(lián)系起來第一個將量子化、原子結構與原子光譜三者和諧地統(tǒng)一到他的原子模型上第37頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三玻爾在前人的基礎上首先對氫原子（或類氫原子）創(chuàng)造性地提出了兩個著名的基本假設：玻爾的這一假定，是歷史上首次把原子所輻射的光譜線的頻率定量地與原子結構，即與原子中的電子能級聯(lián)系了起來。第38頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三在上述兩個假定的基礎上，玻爾利用對應原理假定，還導出了電子作圓周運動時角動量也是量子化的，即有其中。又一次看到了普朗克常數(shù)h在對微觀世界描述中的重要性。在一些教材中，也將角動量量子化作為玻爾模型的第三個假定與前兩個放在一起。但請注意，前兩個更關鍵，更本質(zhì)。第39頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

2．和的計算公式

利用上述假定，玻爾得到了單電子原子體系的分立的軌道半徑和相應的分立的能量（1）玻爾軌道半徑同時可得在軌道上的速度第40頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三（2）玻爾軌道能量

En

eV對于氫原子（Z=1），有

eV第41頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三著名的玻爾半徑是指n=1時的氫原子電子軌道半徑

a0=0.0529nm

氫原子基態(tài)電子的能量為也就是電子的電離能為13.6eV

氫原子基態(tài)速度為第42頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三氫原子第一激發(fā)態(tài)：氫原子第二激發(fā)態(tài):氫原子的各能態(tài)第43頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三（3）躍遷放出的電磁波的波長為

由不同的高激發(fā)態(tài)躍遷到相同的低激發(fā)態(tài)（或基態(tài)）得到的是同一譜線的光譜。第44頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三例對巴耳末譜線，是n=2不變，m=3，4，5，…

m=4，n=2

{與實驗符合很好}m=5，n=2

m=3，n=2躍遷光譜線第45頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

3．對多電子原子在玻爾論文中，還著重指出了多電子原子體系中，同樣包含了許多量子化的能級，只是其表示式不像單電子那樣可以方便寫出。玻爾并在論文中提到了可用高速電子轟擊原子來顯示原子中的量子態(tài)的存在。第46頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

4．玻爾模型的實驗驗證

除了光譜實驗能證明玻爾模型正確外，法國科學家夫蘭克和赫茲正是用電子轟擊多電子汞原子，成功證明了原子內(nèi)部能量的量子化。這是獨立于光譜實驗的另一種方法，極其重要。夫蘭克赫茲第47頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

四、玻爾模型的貢獻與困難

1．貢獻：給出了量子化的原子結構，成功地給出了對氫原子結構的定量描述，揭開了30年來令人費解的氫光譜之謎。

2．問題：在玻爾理論中卻同時存在著兩種不協(xié)調(diào)的概念——經(jīng)典的連續(xù)性和量子的不連續(xù)性。

面對這些困難，人們期待著新的物理思想的誕生。

五、哥本哈根精神

哥本哈根精神是玻爾研究所所倡導的，也是玻爾研究所能成為世界著名的“物理學界的朝拜圣地”，為近代物理發(fā)展做出一系列重大貢獻的關鍵所在。

第48頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三哥本哈根精神可以歸納為兩點：（1）科學國際主義在玻爾研究所成立的頭10年里，共有17個國家的63位物理學家來此研究。在玻爾擔任所長的40年中，共培養(yǎng)了10多位諾貝爾獎獲得者。（2）獨特的研究風格平等自由合作的討論氣氛和濃厚的學術氣氛。

討論與思考

“科學沒有國界，但科學家有祖國。”我們該如何理解這句話與哥本哈根精神中的科學國際主義之間的關系？

第49頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三§6-4德布羅意與物質(zhì)波

一、物質(zhì)波提出的背景

1．玻爾模型遇到根本困難，亟需突破

2．愛因斯坦的光量子論及光的波粒二象性思想得到國際科學界的承認德布羅意是愛因斯坦的狂熱崇拜者，認為他是“現(xiàn)代科學的牛頓”，他領悟了愛因斯坦深刻的思維方式，體會到“愛因斯坦的光的波粒二重性乃是遍及整個物理世界的一種絕對普遍現(xiàn)象”，并且勇敢地發(fā)展了愛因斯坦的思想。

3．德布羅意本人對量子物理研究感興趣，有相當好的研究基礎。他把量子理論研究作為他的博士論文方向。他發(fā)誓：“要盡我所能去理解那個神秘的量子?！钡?0頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

二、物質(zhì)波的提出

1．創(chuàng)新思維德布羅意把光的“波粒二象性”推廣到了所有物質(zhì)粒子，從而朝創(chuàng)造描寫微觀粒子運動的新的力學——量子力學邁進了革命性的一步。他認為輻射與粒子應是對稱的、平等的，輻射有波粒二象性，粒子同樣應有波粒二象性，即對微粒也賦予它們波性（周期性）。第51頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三德布羅意在1929年領諾貝爾獎時曾回憶當時提出物質(zhì)波時的想法：“在原子中電子穩(wěn)定運動的確立，引入了整數(shù)；到目前為止，在物理學中涉及整數(shù)現(xiàn)象只有干涉和振動的簡正模式，這一事實使我產(chǎn)生了這樣的想法：不能把電子簡單地視為微粒，必須同時賦予它們以周期性”。也就是說，必須要賦予電子波性。為此，他認為在玻爾模型中這些電子軌道的周長應該是電子波長的整數(shù)倍（駐波要求），也就是德布羅意把玻爾提出的定態(tài)與駐波聯(lián)系起來了。第52頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

討論與思考：

如果不是整數(shù)倍，電子能是“定態(tài)”運動嗎？物質(zhì)波第53頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

2．著名的德布羅意關系式

1924年11月，德布羅意正式提出了所有物質(zhì)粒子都具有波粒二重性的假設，他認為“任何物體伴隨以波，而且不可能將物體的運動與波的轉播分開”；并且從理論上導出了粒子動量p與伴隨著的波的波長之間的關系式：這就是著名的德布羅意關系式。例如動能Ek=10eV的電子，其德布羅意波長第54頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三上述計算中，已用了組合常數(shù)hc=1240eV?nm。

可見這個電子的波長已與原子半徑相仿，所以在原子、分子那樣的微觀世界中，電子的波長就顯示出來了。動能越大，電子波長就越短，科學家正是利用短波長的高能電子束代替可見光，制成了電子顯微鏡。第55頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三20世紀30年代，電子顯微鏡誕生了。電子顯微鏡是利用高速運動的電子束代替光線來觀察物體的細微結構的，放大倍數(shù)比光學顯微鏡高許多，可以達到幾十萬倍。電子顯微鏡大大開闊了人們的視野，使人們看到了細胞更細微的結構電子顯微鏡第56頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三美國橡樹嶺國家實驗室的研究人員正在以創(chuàng)記錄的分辨率清楚地觀察原子世界，因為他們研究出的電子顯微鏡能夠能分辨出硅晶體的單個、啞鈴形狀的原子。電子顯微鏡下的原子世界能看清原子的電子顯微鏡

第57頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

3．駐波條件與玻爾的角動量量子化條件完全等價要想量子數(shù)為n，軌道半徑為的圓周軌道上形成駐波←

德布羅意提出的駐波條件所以第58頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三4．物質(zhì)波概念的提出令人驚訝在論文答辯時，物質(zhì)波概念的新穎，使答辯委員會不知如何評價，但也不敢輕易否定，有人問他：有沒有辦法驗證這一觀點？他回答：“通過電子在晶體上的衍射實驗，應當有可能觀察到這種假定的波動的效應?！?/p>

他哥哥實驗室中的一位實驗物理學家道維勒試圖用陰極射線管做這個實驗，沒有成功！放棄了。 為此，他的導師郎之萬將論文副本寄給了愛因斯坦。第59頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

“厚幕的一角被德布羅意揭開了。M.德布羅意的弟弟做了一項很有意義的工作……我相信，這是對物理之謎中最棘手的一個謎投下了第一道微弱的光芒?！?/p>

——愛因斯坦

愛因斯坦沒想到我提出的波粒二象性觀念，在德布羅意手里發(fā)展得如此豐富，竟擴展到了運動的粒子。

第60頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三四、電子波動性的實驗驗證

道維勒為什么沒有做成呢？后來分析是電子的速度不夠大，作為靶子的云母晶體吸收了空中游離的電荷。如果改變實驗條件認真做下去，是會成功的。

3年后的1927年，美國物理學家戴維孫和英國物理學家G.P.湯姆孫（J.J.湯姆孫的兒子）分別發(fā)現(xiàn)了晶體的電子衍射，完全證實了電子的波性。

第61頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三戴維孫G.P.湯姆孫

電子在晶體中衍射實驗示意圖第62頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三戴維孫-革末的實驗裝置極其精巧。整套裝置僅長5英寸、高2英寸，密封在玻璃泡里，經(jīng)反復烘烤與去氣，真空度達10-6Pa。散射電子用一雙層的法拉第桶（叫電子收集器）收集，送到電流計測量。收集器內(nèi)外兩層之間用石英絕緣，加有反向電壓，以阻止經(jīng)過非彈性碰撞的電子進入收集器；收集器可沿軌道轉動，使散射角在20°～90°的范圍內(nèi)改變。第63頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三他們做了大量的測試工作，最后綜合了幾十組曲線，肯定這是電子束打到鎳晶體發(fā)生的衍射現(xiàn)象。于是，他們進一步作定量比較。然而，不同加速電壓下，電子束的最大值所在的散射角總與德布羅意公式計算的結果相差一些。他們發(fā)現(xiàn)，如果理論值乘0.7，與電子衍射角基本相符。文章發(fā)表不久，依卡特（Eckart）指出，這是電子在晶體中的折射率不同所致。至此，電子衍射的現(xiàn)象終于被人們確認。第64頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三戴維孫（左）手持電子衍射管，右為他的助手革末

戴維孫所用的電子衍射管

戴維孫－革末實驗小故事

第65頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三電子雙縫干涉實驗圖樣

世界十大最美麗的實驗之榜首第66頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三§6-5描寫物質(zhì)波動的方程及波函數(shù)的統(tǒng)計解釋

一、薛定諤波動方程

德布羅意提出了物質(zhì)波的概念，可是沒告訴大家這種波滿足什么樣的運動方程，是如何隨時間變化的。

電子的波動性與粒子性又是如何完美統(tǒng)一起來的？第67頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三1926年，薛定諤完成了波動方程的建立

薛定諤方程薛定諤第68頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三是物質(zhì)波的波函數(shù)，m、e是電子質(zhì)量和電荷，E是電子運動總能量，r是電子離原子核的距離，h是普朗克常數(shù)，是二階偏導符號。

薛定諤由此方程成功地求解得到了氫原子中電子運動的分立能量公式，與玻爾模型中所給出的一致。第69頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三請注意：在這里量子化能級是薛定諤方程的自然結果，不必去規(guī)定某些量子化條件了?？上М敃r薛定諤自己也沒有認識到他所提出的波函數(shù)的真正意義。薛定諤：“要是必須承認這該死的量子躍遷，我真后悔卷入到量子理論中來。”玻爾：“但是，我們大家卻全都感謝你，你的波動力學代表了一次巨大的進步。”

——1926年10月，于哥本哈根

第70頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

1944年，薛定諤出版了《生命是什么？——活細胞的物理學觀》一書。書中薛定諤試圖用熱力學、量子力學和化學理論來解釋生命的本性，引進了非周期性晶體、負熵、遺傳密碼、量子躍

遷式的突變等概念。這本書使許多

青年物理學家開始注意生命科學中

提出的問題，引導人們用物理學、

化學方法去研究生命的本性，使薛

定諤成了今天蓬勃發(fā)展的分子生物

學的先驅(qū)。生命是什么？

第71頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

薛定諤的《生命是什么？——活細胞的物理觀》

（1）生命以負熵為主。（2）遺傳是以密碼形式通過染色體來傳遞的。（3）生命體系中存在量子躍遷現(xiàn)象，X射線照射可以引起遺傳的突變，就是證據(jù)。薛定諤的《生命是什么？》一書，使克里克放棄了研究基本粒子的計劃，而選擇了“原來根本不打算涉獵的生物學”。使“部分由于原子彈而對物理學失去興趣”的威爾金斯“為控制生命的高度復雜的分子結構所打動”，而“第一次對生物學產(chǎn)生了濃厚的興趣。”使感到自己“深深地為發(fā)現(xiàn)基因的奧秘所吸引”而投身對它的研究。

第72頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三可見《生命是什么？》在上個世紀的生物學革命中的作用確實非同凡響。后來，克里克和沃森發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結構。DNA雙螺旋結構

第73頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三誠然，薛定諤在生物學領域并非行家，他所具有的“只是第二手的和不完全的知識”，但如威爾金斯所說，他的著作所以有影響的理由之一，就是他“是作為一個物理學家寫作，如果他作為一個正式的大分子化學家來寫，或許就不會有同樣的功效。”正是從一個有深邃眼光的理論物理學家的角度，他對生命物質(zhì)和遺傳機制等問題發(fā)表了精湛見解，開拓了一種新的研究途徑。第74頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

二、波函數(shù)的統(tǒng)計解釋

表示電子于t時刻在空間x點被測到的概率密度。直到1927年，玻恩才對波函數(shù)作出了正確的統(tǒng)計解釋，并且利用統(tǒng)計性把波與粒子兩個截然不同的經(jīng)典概念完美地聯(lián)系了起來。

1．愛因斯坦觀點的啟發(fā)“愛因斯坦的觀點又一次引導了我。他曾經(jīng)把光波解釋為光子出現(xiàn)的概率波，從而使離子和波的二象性成為可以理解的。這個觀點馬上可以推廣到波函數(shù)上：必須是電子（或者其他粒子）的概率波?！薄６鞯摹段疫@一代的物理學》第75頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

2．玻恩的統(tǒng)計解釋類似愛因斯坦把光波振幅的平方（）解釋為“光子密度的幾率量度”，玻恩認為描寫電子運動的波函數(shù)的模（是復數(shù)）的平方表示電子于t時刻在空間x點被測到的概率密度。這樣就自然地把粒子性和波性統(tǒng)一起來。請注意：波函數(shù)本身沒有直接可觀察的物理意義，只有才表示粒子在空間被測到的概率密度。不要誤解為點電子在x點“出現(xiàn)”的幾率密度！第76頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

三、對量子力學做出重要貢獻的其他物理學家

“物理學的原理有它的結構，這個結構有它的美和妙的地方。而各個物理學工作者，對于這個結構的不同的美和妙的地方，有不同的感受。因為大家有不同的感受，所以每位工作者就會發(fā)展他自己獨特的研究方向和研究方法，也就是說他會形成他自己的風格。”

——楊振寧《美與物理學》

第77頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三讓我們先來認識一位物理學家。他的才華，讓楊振寧想起唐朝詩人高適的詩：“靈性出萬象，風骨超常倫”。說讀他的文章讀起來很通順，就像“秋水文章不染塵”，沒有任何渣滓，直達深處，直達宇宙的奧秘。他的創(chuàng)見，讓丁肇中戲稱：一個天才和一個神經(jīng)不正常的人的距離是很小的。他就是保羅?狄拉克（PaulDirac）第78頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

狄拉克的杰出成就之一是，他把20世紀物理學的兩項偉大成就——相對論和量子力學結合起來，他寫出一個相對論性的量子力學方程，叫狄拉克方程。開創(chuàng)了相對論量子力學，時年26歲。

在相對論和量子力學里，質(zhì)量是

以平方項的形式出現(xiàn)的。m2可以

表示m×m，也可以表示為(－m)

×(－m)。這也許不會引起普通人

的注意，但狄拉克沒有放過它，

他問－m有物理上的意義嗎？（丁

肇中開玩笑的話就是由此而來）狄拉克第79頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三海森堡是20世紀另一位大物理學家。在他1925年發(fā)表的文章中給出了方程，引導出了量子力學的發(fā)展，開創(chuàng)了一個模糊前進的方向。因為當時物理學正進入一個非常時代：牛頓力學的基礎發(fā)生了動搖，“有許多關鍵性的實驗和大膽的決策，有許多錯誤的嘗試和不成熟的假設”,“對于那些參加者，那是一個創(chuàng)新的時代，自宇宙結構的新認識中，他們得到了激奮，也嘗到了恐懼?！焙Ｉふ窃谀莻€霧中摸索，摸到了前進方向，這也導致了他的文章有一個共同特點：朦朧、不清晰、有渣滓。與狄拉克的文章風格形成鮮明對比。但當你讀他的文章時，會為他的獨創(chuàng)力所驚嘆，盡管它讓你覺得問題還沒有做完，還要發(fā)展下去。第80頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

海森堡和狄拉克的風格之所以如此不同，關鍵在于他們所專注的物理學內(nèi)涵不同，注意的方向不同。狄拉克的靈感來自他對數(shù)學美的直覺欣賞；海森堡的靈感則來自他對實驗結果和唯象理論的認識?！傲Ｗ拥奈恢脺y定得越精確，它的動量就知道得越不精確，反之亦然。”

——海森堡，1927年海森堡第81頁，共88頁，2023年，2月20日，星期三

泡利不相容原理：一個原子中，任何兩個軌道電子的4個量子數(shù)不能完全相同。

泡利第82頁，共