量子力學發(fā)展簡史.ppt

1、量子力學發(fā)展簡史,物理科學學院應用物理 賈玉瑩（0610331）,概述,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上發(fā)展起來的，愛因斯坦提出光量子假說、運用能量子概念使量子理論得到進一步發(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，進行了開創(chuàng)性的工作，先后提出電子自旋概念，創(chuàng)立矩陣力學、波動力學，詮釋波函數(shù)進行物理以及提出測不準原理和互補原理。終于在1925年到1928年形成了完整的量子力學理論，與愛因斯坦的相對論并肩形成現(xiàn)代物理學的兩大理論支柱。,一、量子論的早期,1. 普朗克的能量子假設 2.光電效應的研究 3. 固體比熱的研究

2、 4.量子假說運用于原子模型,1 .普朗克的能量子假設,普朗克在黑體輻射的維恩公式和瑞利公式之間尋求協(xié)調(diào)統(tǒng)一，找到了與實際結(jié)果符合極好的內(nèi)插公式，迫使他致力于從理論上推導這一新定律。但是，他經(jīng)過幾個月的緊張努力也沒能從力學的普遍理論直接推出新的輻射定律。最后只好用玻爾茲曼的統(tǒng)計方法來試一試。他根據(jù)黑體輻射的測量數(shù)據(jù)計算出普適常數(shù)，后來人們稱這個常數(shù)為普朗克常數(shù)，也就是普朗克所謂的“作用量子”，而把能量元稱為能量子。,2.光電效應的研究,普朗克的出能量子假說具有劃時代的意義，但是，不論是他本人還是同時代人當時對這一點都沒有充分認識。愛因斯坦最早明確地認識到，普朗克的發(fā)現(xiàn)標志了物理學的新紀元.19

3、05年，愛因斯坦在其論文關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個試探性觀點中，發(fā)展了普朗克的量子假說，提出了光量子概念，并應用到光的發(fā)射和轉(zhuǎn)化上，很好地解釋了光電效應等現(xiàn)象。在那篇論文中，愛因斯坦總結(jié)了光學發(fā)展中微粒說和波動說長期爭論的歷史，提示了經(jīng)典理論的困境，提出只要把光的能量看成不是連續(xù)的，而是一份一份地集中在一起，就可以作出合理的解釋。與此同時，他還大膽地提出了光電方程，當時還沒有足夠的實驗事實來支持他的理論，因此，愛因斯坦稱之為“試探性觀點”。但他的光量子理論并沒有及時地得到人們的理解和支持，直到1916年，美國物理學家密立根對愛因斯坦的光電方程作出了全面的驗證，光量子理論才開始得到人們的承認。,3

4、. 固體比熱的研究,1906年，愛因斯坦將普朗克的量子假說應用于固體比熱，解釋了固體比熱的溫度特性并且得到定量結(jié)果。然而，這一次跟光電效應一樣，也未引起物理界的注意。不過，比熱問題很快就得到了能斯特的低溫實驗所證實。量子理論應用于比熱問題獲得成功，引起了人們的關(guān)注，有些物理學家相繼投入這方面的研究。在這樣的形式下，能斯特積極活動，得到比利時化學工業(yè)巨頭索爾威的資助，促使有歷史意義的第一屆索爾威國際物理會議的召開，討論的主題就是輻射理論和量子，這次會議在宣傳量子理論上起了很好的作用。,4.量子假說運用于原子模型,哈斯是奧地利的一位年表物理學家，他在研究黑體輻射時很早就注意到了量子論。湯姆生專門討

5、論原子結(jié)構(gòu)的書電與物質(zhì)和維恩的文章促使他運用量子公式來闡述原子結(jié)構(gòu)，這是將量子假說運用于原子結(jié)構(gòu)的最初嘗試。 丹麥人玻爾堅信盧瑟福的有核原子模型學說，為了證實其正確性，玻爾利用量子假說來解決原子的穩(wěn)定性問題。要描述原子現(xiàn)象，就必須對經(jīng)典概念進行一番徹底的改造，因為一致公認的經(jīng)典電動力學并不適于描述原子規(guī)模的系統(tǒng)行為。1913年，玻爾在他的第二篇論文中以角動量量子化條件作為出發(fā)點來處理氫原子的狀態(tài)問題，得到能量、角頻率和軌道半徑的量子方程。可見，玻爾的對應原理思想早在1913就有了萌芽，并成功地應用于原子模型理論。玻爾的原子理論完滿地解釋了氫光譜的巴耳末公式；從他的理論推算，各基本常數(shù)如e、m、

6、h和R（里德伯常數(shù)）之間取得了定量的協(xié)調(diào)。他闡明了光譜的發(fā)射和吸收，并且成功地解釋了元素的周期表，使量子理論取得了重大的進展。,二. 量子力學的建立與發(fā)展,1.德布羅意假說 2.電子自旋概念的提出 3.矩陣力學的創(chuàng)立 4.波動力學的創(chuàng)立 5.波函數(shù)的物理詮釋 6測不準原理和互補原理的提出,1.德布羅意假說,1923年9月10月間，德布羅意連續(xù)在法國科學院通報上發(fā)表了三篇有關(guān)波和量子的論文，提出實物料子也有波粒二象性，認為與運動粒子相應的還有一正弦波，兩者總保持相同的位相，后來他把這種假想的非物質(zhì)波稱為相波。他把相波概念應用到以閉合軌道繞核運動的電子，推出了玻爾量子化條件。德布羅意的博士論文得到

7、了答辯委員會的高度評價，認為很有獨創(chuàng)精神，但是人們總認為他的想法過于玄妙，沒有認真地加以對待。后來引起人們的注意是由于愛因斯坦的支持。當時他正在撰寫有關(guān)量子統(tǒng)計的論文，于是就在其中加了一段介紹德布羅意工作的內(nèi)容。這樣一來，德布羅意的工作立即得到大家注意。,2.電子自旋概念的提出,玻爾理論提出之后，最令人頭疼的事莫過于反常塞曼效應的規(guī)律無法解釋。為了解釋半量子數(shù)的存在，理論家費盡了心機，提出了種種假說。1924年，泡利通過計算發(fā)現(xiàn)，滿殼層的原子實應該具有零角動量，因此他斷定反常塞曼效應譜線只是由價電子引起，而與原子實無關(guān)。顯然價電子的量子論性質(zhì)具有“二重性”。他提出二重性實際上就是賦予電子以第四

8、個自由度，然而，泡利自己也無法說清二重性和第四個自由度的物理意義。這時，一位來自美國的物理學家克羅尼格對泡利的思想非常感興趣。他從模型的角度考慮，認為可以把電子的第四個自由度看成是電子暢敘有固有角動量，電子圍繞自己的軸在作自轉(zhuǎn)。根據(jù)這個模型，他還作了一番計算，得到的結(jié)果竟和用相對論推證所得相符。但泡利對他的想法持強烈反對態(tài)度，因而，克羅尼格不敢把自己的想法寫成論文發(fā)表。 半年后，荷蘭著名物理學家埃倫費斯特的兩個學生在不知道克羅尼格工作的情況下提出了同樣的想法，并寫成論文發(fā)表了。這得到了海森伯的贊同，不過，如何解釋雙線公式中多出的因子2，一時還得不到解答。玻爾試圖從相對論推出雙線公式，但仍然沒有

9、結(jié)果。終于，在1926年，在哥本哈根研究所工作的英國物理學家托馬斯才解決了這個問題。這樣一來，電子自旋的概念很快被物理學界普遍接受。,3.矩陣力學的創(chuàng)立,矩陣力學的創(chuàng)立者海森伯1924年到哥本哈根跟玻爾和克拉末斯合作研究光色散理論。在研究中，他認識到不僅描寫電子運動的偶極的振幅的傅里葉分量的絕對值平方?jīng)Q定相應輻射的強度，而且振幅本身的位相也是有觀察意義的。海森伯由這里出發(fā)，假設電子運動的偶極和多極電矩輻射的經(jīng)典公式在量子理論中仍然有效。然后運用玻爾的對應原理，用定態(tài)能量差決定的躍遷頻率來改寫經(jīng)典理論中電矩的傅里葉展開式。這樣，海森伯就不再需要電子軌道等經(jīng)典概念代之以頻率和振幅的二維數(shù)集。他當時

10、并不知道這就是矩陣運算，于是就向玻恩請教有沒有發(fā)表價值。玻恩經(jīng)過幾天思索才發(fā)現(xiàn)海森伯用來表示觀察量的二維數(shù)集正是線性代數(shù)中的矩陣，此后，海森伯的新理論就叫矩陣力學。 玻恩著手運用矩陣方法為新理論建立一套嚴密的數(shù)學基礎。與數(shù)學家約丹聯(lián)名發(fā)表了論量子力學一文，首次給矩陣力學以嚴格的表述。接著，玻恩、約丹、海森伯三人合作，系統(tǒng)地論述了本征值問題、定態(tài)微擾和含時間的定態(tài)微擾，導出了動量和角動量守定律，以及強度公式和選擇定則，從而奠定了量子力學的基礎。,4.波動力學的創(chuàng)立,愛因斯坦發(fā)表的關(guān)于量子統(tǒng)計理論的論文中提到了德布羅意的物質(zhì)波假說，這引起了薛定諤的注意，使他萌發(fā)了用新的觀點研究原子結(jié)論的想法。19

11、25年10月，薛定諤得到了一份德布羅意的博士論文，使他有可能深入地研究德布羅意的位相波思想。1926年16月間，薛定諤一連發(fā)表了四篇論文，題目都是量子化就是本征值問題，從經(jīng)典力學和幾何光學的對比提出了對應于波動光學的波動方程。這一組論文奠定了非相對論量子力學的基礎。薛定諤把自己的新理論稱為波動力學。,5.波函數(shù)的物理詮釋,波動力學提出后，人們普遍對薛提出的波動力學中的某些關(guān)鍵概念（如波函數(shù)）的物理意義還不明確。玻恩在1926年6月發(fā)表了散射過程的量子力學一文對波函數(shù)進行了詮釋，波動力學才為公眾普遍接受。愛因斯坦曾把光波振幅解釋為光子出現(xiàn)的幾率密度，這一觀點引導了玻恩對波函數(shù)的詮釋，可見，愛因斯

12、坦在量子力學的發(fā)展中起了很重要的作用。,6.測不準原理和互補原理的提出,測不準原理也叫不確定原理，是海森伯在1927年首先提出來的，它反映了微觀粒子運動的基本規(guī)律， 海森伯在創(chuàng)立矩陣力學時，對形象化的圖象采取否定態(tài)度。但他在表述中仍然需要“坐標”、“速度”之類的詞匯，這些詞匯已不再等同于經(jīng)典理論中的那些詞匯。為解釋這些詞匯坐標的新物理意義，海森伯抓住云室實驗中觀察電子徑跡的問題進行思考。他意識到電子軌道本身的提法有問題，人們看到的徑跡并不是電子的真正軌道，而是水滴串形成的霧跡，水滴遠比電子大，所以人們也許只能觀察到一系列電了的不確定的位置，而不是電子工業(yè)的準確軌道。因此，在量子力學中，一個電子

13、只能以一定的不確定性處于某一位置，同時也只能以一定的不確定性具有某一速度 ?？梢园堰@些不確定性限定在最小范圍內(nèi)，但不能等于零。這就是海森伯對不確定性的最初思考。海森伯的測不準原理是通過一些實驗來論證的，他還通過對確定原子磁矩的斯特恩-蓋拉赫實驗的分析得出結(jié)論：能量的準確測定如何，只有靠相應的對時間的測不準量才能得到。,海森伯的測不準原理得到了玻爾的支持，但玻爾不同意他的推理方式，認為他建立測不準關(guān)系所用的基本概念有問題。于是提出了互補原理。他指出，平常大家總認為可以不必干涉所研究的對象，就可以觀測該對象，但從量子理論看來卻不可能，因為對原子體系的作何觀測，都將涉及所觀測的對象在觀測過程中已經(jīng)有所改變，因此不可能有單一的定義，平常所謂的因果性不復存在。對經(jīng)典理論來說互相排斥的不同性質(zhì)在量子理論中卻成了互相補充的一些側(cè)面。波粒二象性正是互補性的一個重要表現(xiàn)。其他量子力學結(jié)論也可從這里得到解釋。,三 .關(guān)于量子力學完備性的爭論,玻恩、海森伯等人提出了量子力學的詮釋之后，遭到了愛因斯坦和薛定諤等人的批評，他們不同意對方提出的波函數(shù)的幾率解釋、測不準原理和互補原理，雙方展開了一場長達半個世紀的大論戰(zhàn)，許多理論物理學家、實驗物理學家和哲學家卷入了這場論戰(zhàn)，至今還未告結(jié)束。 正是由于以愛因斯坦為代表的EPR一派和以玻爾為代表的哥本哈根學派的長期爭論，才使得量子力