量子物理发展简史

量子物理发展简史量子物理学发展的历史回顾本讲简要回顾量子物理学产生、发展到完善过程中一些标志性事件和代表人物，试图给出量子力学理论体系的发展脉络。量子物理学的发展阶段旧量子论时期量子力学的创建与完善时期量子力学向纵深发展旧量子论时期——1900年4月27日伦敦“动力学理论断言，热和光都是运动的方式。但现在这一理论的优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了……”（Thebeautyandclearnessofthedynamicaltheory,whichassertsheatandlighttobemodesofmotion,isatpresentobscuredbytwoclouds.）《在热和光动理论上空的19世纪乌云》LordKelvin(1824-1907)迈克尔逊－莫雷实验光速与参考系的运动无关黑体辐射普朗克的观点：组成黑体的分子、原子视为一系列的电磁振子，振子的能量不连续分布，只能取某一最小能量值（称为能量子）的整数倍；振子（黑体的分子、原子）辐射或吸收能量时，只能是能量子的整数倍，或者振子的能量是一份一份的辐射或吸收，即振子能量变化也是不连续的。经典物理学的信条之一就是一切过程和一切物理量都是连续的，连续性又是微积分的核心思想，而微积分是处理物理问题的基本数学工具。微积分的发明人莱布尼兹(1646年－1716年)曾明确指出：如果我们对连续性原理提出疑问，那么世界将会出现许多间隙，而这条间隙就会将这条具有充分理由的普遍原理推翻，结果迫使我们不得不乞求奇迹或纯粹的机遇来解释自然现象了。普朗克引入不连续的能量子突破了经典物理的连续性原理。正是这一点被认为是量子物理学诞生的标志！1905年，A.爱因斯坦提出光量子（光子）假说，成功的解释了光电效应，在此基础上，于1909年进一步提出光的波粒二象性理论。光电效应的历史(1)H.R.Hertz,1886，在用莱顿瓶放电的实验中，当紫外线照在火花隙的负极上，放电比较容易发生。W.Hallwach,1888，清洁而绝缘的锌板在紫外线照射下获得正电荷，而带负电的板在光照射下失掉其负电荷。J.J.Thomson,1899，阴极射线由电子组成光电效应的历史(2)PhillippLenard,1902，金属在紫外线照射下发射电子AlbertEinstein,1905，光量子假说RobertAndrewsMillikan,1916，验证爱因斯坦的光电效应量子公式，并精确测定了普朗克常量。外光电效应真空管光照射某种物质，致使部分电子逃逸物质表面。这些电子被称为光电子。光电倍增管(Photomultiplier)经典麦克斯韦尔理论的推论相比与蓝光，红光具有更长的周期，因而红光与电子的相互作用时间更长，这使得红光比蓝光更容易使电子逸出。若入射单色光的光强增强，则会有更多的电子逸出，且这些电子的能量也相应增大。由于弱光的能量相当小，因此在弱光的条件下，电子需要更多的时间才能逸出。入射波的能量将由上百万个电子分享。爱因斯坦光子假说光子仍保持频率及波长的概念。电磁场和物质相互交换的能量不是连续分布的，而是集中在一些叫光子(或光量子)的粒子上。hvE光子的能量E正比于其频率爱因斯坦公式(1)2021mmvmEhv脱出功电子动能金属中的电子吸收了光子的能量，一部分消耗在电子逸出功，另一部分变为光电子的动能。光电效应的解释截止频率ν0（红限）-只有当入射光频率νν0时，电子才能逸出金属表面，产生光电效应遏止电压-初动能及反向遏止电压与ν成正比效应瞬时性-电子吸收光子时间很短，只要光子频率大于截止频率，电子就能立即逸出金属表面，无需积累能量的时间，与光强无关1913年，N.玻尔(1885-1962)提出定态跃迁假设，建立了原子中电子运动的量子理论，成功解释了氢原子光谱结构。氢原子光谱-棱镜光谱仪SourceSlitPrismScreenBlueRed氢原子光谱里德伯公式里德伯公式22111~nnRHn=1,=2,3,4,…紫外区，赖曼系n=2,=3,4,5,…可见区，巴耳末系n=3,=4,5,6,…红外区，帕邢系,3,2,1;,3,2,1nnnnnnnn)eV6.13(HR卢瑟福的原子模型卢瑟福的有核模型原子中的正电荷集中在占原子大小万分之一的小范围内.玻尔的氢原子模型原子的稳定状态，即定态只可能是某些具有一定的分离值能量(E1,E2,E3,…)的状态。原子处于定态时是不辐射的。由于某种原因，电子可以从一个能级En跃迁到另外一个较低(高)的能级Em。此时，将发射(吸收)一个光子，光子的能量为mnEEh发射过程量子化条件和玻尔能级),3,2,1(nnL1421814212202202022nemrerevmEennnen144022220nevnemrnen42022rervmnvrmLee玻尔能级2nREneV6.13422022emRe理论值和里德伯常数一致量子物理学的三大最基本的假设能量量子化微观粒子具有波粒二象性微观粒子状态变化具有定态跃迁性质普朗克、爱因斯坦、玻尔也因此被公认为旧量子论之父。追随玻尔的定态跃迁理论和1916年玻尔提出的对应原理**，将其应用范围由氢原子扩展到复杂原子体系，最终导致1925年海森堡矩阵力学形式的量子力学的建立；二、高级阶段--量子力学建立与完善期(1925-1930)沿着爱因斯坦光的波粒二象性理论发展，直接导致1924德布罗意的物质波理论以及1926年薛定谔波动力学（以薛定谔方程为代表）形式的量子力学的诞生；对应原理对应原理是玻尔在研究氢原子问题时提出来的。在大量子数极限下，量子理论的结果应当趋近于经典物理学的结果，或者说“量子理论和经典理论有形式上的相似”。---对应原理量子力学理论可以成功的描述微观世界的物体（例如原子以及基本粒子），而宏观的物体（例如弹簧、电阻等）则可以用经典力学和经典电动力学所描述。矛盾在于，同一个物理世界，仅仅因为物体大小的不同，就需要不同的两个理论来描述，这显然是荒谬的。这一矛盾就是玻尔阐述对应原理的初衷，即在系统“大”的情况下，经典物理学可以认为是量子物理学的一个近似。例如，当量子数很大时，原子中电子的相邻轨道比较接近，它们的绕转频率几乎相同，根据经典电动力学，这时发光频率应当等于电子的绕转频率。这种量子数很大，且以普朗克常数h表征的分立效应不明显而接近连续的极限时，应当适用经典物理学的描述。对应原理一直是以玻尔为首的哥本哈根学派的一重要的个指导思想，至今也是量子力学中的一个指导性原则**，正是在对应原理的指引下，在1925年的夏天，海森堡创建了量子力学的第一种数学程式---矩阵力学。海森堡矩阵力学的创立当物理学家试图解决原则性难题时，必须考虑的是可观察量——爱因斯坦《论运动学与力学关系的量子理论再解释》在这篇论文中，海森堡有两个基本的观点：①可观察性原则这个原则要求,在理论上应该抛弃那些原则上不可观测的量,而直接采用可以观测量来建立理论。对于原子结构这个微观系统海森堡认为“电子在原子中的轨道是观察不到的（因而缺乏严格的物理基础）,但是从原子发出来的光,….,则我们可以直接求出其频率及振幅。知道了振动数(频率)和振幅的全体,那就等于是在迄今的物理学中知道了电子的轨道。”海森堡甚至对玻尔的旧量子论提出了怀疑,他指出“…电子的周期性轨道可能根本就不存在。直接观测到的,不过是分立的定态能量和谱线强度,也许还有相应的振幅与相位,但绝不是电子的轨道。唯一的出路是建立新型的力学,其中分立的定态概念是基本的,而电子轨道概念看来是应当抛弃的。”因此，基于上述原则，海森堡在论文中只考虑了光谱线频率和决定谱线强度的振幅等可观察量。②对应原理把原子作为周期系统来分析电子动量p电子坐标x进一步,描写电子运动的其他力学量，如动能、角动量等都可以写成x和p的函数，而且力学量之间的乘法关系不可对易：xyyx（海森堡乘法规则）当海森堡发现这种奇怪的不对易的乘法关系之后深感不安，他坦率地承认：xy不等于yx这一事实，当时对我来说是很讨厌的。我认为在整个方案中这是惟一的困难，否则我将非常快活。玻恩开始也难以理解海森堡的乘法规则，经过几天的冥思苦想，他想起这正是大学时学过的矩阵的乘法运算规则，从而认出海森堡的数集就是矩阵元。他认识到了海森堡论文的重要性，立即推荐到《物理杂志》予以发表。当时海森堡已到英国剑桥访问去了，玻恩即刻着手运用矩阵方法为海森堡的理论建立严密的数学基础。但是当时的物理学家几乎都不熟悉矩阵运算，因此这方面的困难重重。几天后，玻恩见到两年前的助手泡利，表示希望他来同自己合作攻下这个难题，出乎意料的是，已经由于提出“不相容原理”等贡献而变得出名的泡利反应冷淡。一次偶然的机会，玻恩遇见了年轻的数学家约丹，请求合作。约丹正是这方面的内行，欣然应允。1925年9月，玻恩和约丹联名发表了《论量子力学》一文。在这篇文章中,他们不仅采用了海森堡的方式,把广义坐标q和广义动量p用矩阵表示,而且从量子化条件出发,利用对应原理,得出q和p的对易关系（称为“强量子条件”）为pqqpIi（I为单位矩阵）1925年底，玻恩、约丹和海森堡合作发表论文《关于量子力学Ⅱ》，把以前的结果推广到多自由度和有简并的情况，系统地论述了本征值问题、定态微扰和含时间的定态微扰，导出了动量和角动量守恒定律，以及强度公式和选择定则，还讨论了塞曼效应等问题，从而奠定了量子力学的基础。文章全面阐述了矩阵力学的原理与方法，宣告新的量子力学—矩阵力学诞生了。就好像把x变成2x一样，我们经常需要把(x,y)变成(2x+y,x-3y)之类的东西，这就叫做线性变换。于是才想到定义矩阵乘法，用于表示一切线性变换。几何上看，把平面上的每个点(x,y)都变到(2x+y,x-3y)的位置上去，效果就相当于对这个平面进行了一个“线性的拉扯”。爱因斯坦引力场方程（广义相对论）矩阵力学奠基之作论运动学与动力学关系的量子理论再解释，海森堡，1925关于量子力学I，波恩和约当，1925关于量子力学II，波恩、海森堡和约当，1925史称“一人文章”、“二人文章”、“三人文章”返回测不准原理德布罗意和物质波德布罗意1892年出生于法国的贵族家庭，其家族为法国王朝效力了二百多年，其父曾任法国的财政部长，其兄莫莱斯.德布罗意是一位研究X射线的知名物理学家。德布罗意大学时学的是中世纪历史，获巴黎大学文学学士学位。出于对物理学浓厚的兴趣，大学毕业后转攻理论物理，师从物理学名家朗之万，在后者的指导下攻读博士学位。由于提出物质波理论荣获1929年诺贝尔物理学奖。1923年9、10月间，德布罗意连续在《法国科学院报告》上发表了3篇重要的论文,公布了他的相位波理论。相位波理论，也就是现在通称的物质波理论，终于诞生了。在其第一篇论文《波和量子》中，德布罗意将光原子的波粒二象性理论推广到任意的实物粒子，尤其是电子。考虑一个静止质量为m0、速度v=cβ的粒子的运动。按爱因斯坦的相对论及光量子学说，粒子的能量2021mcWh（1）德布罗意将这个伴随运动粒子的由位相定义的虚设波称为位相波，现在称为德布罗意波或物质波**。.hiep---德布罗意公式随后,德布罗意将虚设波假设应用到原子中的电子上。德布罗意设想玻尔氢原子中稳定轨道的周长，必须能容纳整数个波长（即电子的位相波形成驻波）。也只有这样的轨道，才是稳定的轨道，从而成为现实的轨道。按德布罗意公式/hp则有2nhmvrnn—Bohr的量子化条件！按驻波思路，形成稳定轨道的条件：2rn2nnr1924年，德布罗意开始撰写博士论文《量子理论研究》，系统的阐述了他之前提出的位相波理论。虽然德布罗意的理论非常的新颖、大胆，当时并未受到物理学界的重视，德布罗意自己也说他的这些想法很