前言(量子力學(xué)周世勛)

1、0Chapt.1.緒論緒論The birth of quantum mechanics1前言 什么是量子力學(xué)；什么是量子力學(xué)； 為什么要學(xué)習(xí)量子力學(xué)；為什么要學(xué)習(xí)量子力學(xué)； 量子力學(xué)（一）量子力學(xué)（一）課程安排。課程安排。Chapt.1.緒論緒論The birth of quantum mechanics2量子力學(xué)是一門研究微觀粒子運動規(guī)律的科學(xué)量子力學(xué)是一門研究微觀粒子運動規(guī)律的科學(xué)一、量子力學(xué)的研究對象一、量子力學(xué)的研究對象研究對象的特點：研究對象的特點： 1) 微觀：對象線度小微觀：對象線度小, 活動范圍小活動范圍小 2) 物質(zhì)物質(zhì)(粒子粒子)除了具有粒子性除了具有粒子性, 還具有還具有

2、明顯的明顯的波動性波動性 3) 粒子的能量粒子的能量, 角動量等物理量取值分立角動量等物理量取值分立 完全脫離了經(jīng)典物理的模式完全脫離了經(jīng)典物理的模式Chapt.1.緒論緒論The birth of quantum mechanics3 宏觀、低速物體（原子尺度宏觀、低速物體（原子尺度10-6m，布朗顆粒，布朗顆粒 ） -牛頓力學(xué)牛頓力學(xué) 宏觀、高速物體宏觀、高速物體 -相對論相對論 低能、微觀物體（原子尺度低能、微觀物體（原子尺度10-10m=1 ） -量子力學(xué)量子力學(xué) 微觀世界微觀世界原子世界，即電子在不同的原子核外組原子世界，即電子在不同的原子核外組成各種原子及不同原子組成分子甚至晶體，

3、是原子物理學(xué)、成各種原子及不同原子組成分子甚至晶體，是原子物理學(xué)、分子物理學(xué)和化學(xué)的理論基礎(chǔ)。分子物理學(xué)和化學(xué)的理論基礎(chǔ)。 高能、微觀物體高能、微觀物體 -量子場論量子場論二、量子力學(xué)的研究范圍二、量子力學(xué)的研究范圍Chapt.1.緒論緒論The birth of quantum mechanics4三、量子力學(xué)的理論框架三、量子力學(xué)的理論框架 1 1三個重要概念三個重要概念 2 2五個基本原理和假設(shè)五個基本原理和假設(shè)四、量子力學(xué)的特征四、量子力學(xué)的特征 1 1拋棄了經(jīng)典的決定論思想，引入了拋棄了經(jīng)典的決定論思想，引入了概率波概率波。力學(xué)量可以不。力學(xué)量可以不連續(xù)地取值，且不確定。連續(xù)地取值，

4、且不確定。 2 2只有改變觀念，才能真正認(rèn)識到量子力學(xué)的本質(zhì)。它是人只有改變觀念，才能真正認(rèn)識到量子力學(xué)的本質(zhì)。它是人們的認(rèn)識們的認(rèn)識從決定論到概率論從決定論到概率論的一次巨大的飛躍。的一次巨大的飛躍。波波 函函 數(shù)數(shù)算算 符符表表 象象波函數(shù)假設(shè)波函數(shù)假設(shè)疊加原理疊加原理算符假設(shè)算符假設(shè)薛定諤方程薛定諤方程全同性原理全同性原理Chapt.1.緒論緒論The birth of quantum mechanics5五、量子力學(xué)的應(yīng)用前景五、量子力學(xué)的應(yīng)用前景 1 1深入到諸多領(lǐng)域深入到諸多領(lǐng)域 2 2派生出了許多新的學(xué)科派生出了許多新的學(xué)科 3 3前沿應(yīng)用前沿應(yīng)用 的發(fā)展都離不開它。的發(fā)展都離不

5、開它。本世紀(jì)的三大熱門科學(xué)本世紀(jì)的三大熱門科學(xué)生命科學(xué)生命科學(xué)信息科學(xué)信息科學(xué)材料科學(xué)材料科學(xué)量子場論量子場論量子電動力學(xué)量子電動力學(xué)量子電子學(xué)量子電子學(xué)量子光學(xué)量子光學(xué)量子通信量子通信量子化學(xué)量子化學(xué) 研制量子計算機已成為科學(xué)工作者的目標(biāo)之一，人們期望它可研制量子計算機已成為科學(xué)工作者的目標(biāo)之一，人們期望它可以實現(xiàn)大規(guī)模的并行計算，并具有經(jīng)典計算機無法比擬的處理信息以實現(xiàn)大規(guī)模的并行計算，并具有經(jīng)典計算機無法比擬的處理信息的功能。的功能。以分解五百位的自然整數(shù)為例，目前最快的計算機需要用以分解五百位的自然整數(shù)為例，目前最快的計算機需要用幾十億年才能完成，而用量子計算機，同樣的重復(fù)頻度，一分鐘

6、就幾十億年才能完成，而用量子計算機，同樣的重復(fù)頻度，一分鐘就可以解決。可以解決。( (中國科技大學(xué)、香港中文大學(xué)，中國科技大學(xué)、香港中文大學(xué)，20092009年年1010月月2929日日) ) Chapt.1.緒論緒論The birth of quantum mechanics6六、量子力學(xué)產(chǎn)生的基礎(chǔ)六、量子力學(xué)產(chǎn)生的基礎(chǔ) 舊量子論誕生于舊量子論誕生于19001900年，量子力學(xué)誕生于年，量子力學(xué)誕生于19251925年。年。 1 1經(jīng)典理論經(jīng)典理論 十九世紀(jì)末、二十世紀(jì)初，經(jīng)典物理學(xué)成果累累，已經(jīng)發(fā)展到十九世紀(jì)末、二十世紀(jì)初，經(jīng)典物理學(xué)成果累累，已經(jīng)發(fā)展到了相當(dāng)完善的階段。了相當(dāng)完善的階段。

7、 2 2舊量子論舊量子論舊量子論舊量子論 = = 經(jīng)典理論經(jīng)典理論 + + 特殊假設(shè)特殊假設(shè)（與經(jīng)典理論矛盾）（與經(jīng)典理論矛盾） 舊量子論沒有擺脫經(jīng)典的束縛，無法從本質(zhì)上揭露微觀世界的舊量子論沒有擺脫經(jīng)典的束縛，無法從本質(zhì)上揭露微觀世界的規(guī)律，有很大局限性。但舊量子論為量子力學(xué)理論提供了線索，促規(guī)律，有很大局限性。但舊量子論為量子力學(xué)理論提供了線索，促進(jìn)了量子力學(xué)的快速誕生。進(jìn)了量子力學(xué)的快速誕生。 但同時發(fā)現(xiàn)了一些經(jīng)典物理學(xué)無法解釋的新的實驗現(xiàn)象，如但同時發(fā)現(xiàn)了一些經(jīng)典物理學(xué)無法解釋的新的實驗現(xiàn)象，如黑黑體輻射、光電效應(yīng)、康普頓散射、電子衍射體輻射、光電效應(yīng)、康普頓散射、電子衍射等。等。Ch

8、apt.1.緒論緒論The birth of quantum mechanics7七、量子力學(xué)的奠基人七、量子力學(xué)的奠基人獲獎人獲獎人獲獎時間獲獎時間獲獎工作獲獎工作普朗克普朗克19181918基本作用量子基本作用量子愛因斯坦愛因斯坦19211921光電效應(yīng)及數(shù)學(xué)物理方面的成就光電效應(yīng)及數(shù)學(xué)物理方面的成就玻爾玻爾19221922原子結(jié)構(gòu)與原子輻射原子結(jié)構(gòu)與原子輻射德布羅意德布羅意19291929電子的波動性電子的波動性海森堡海森堡19321932創(chuàng)立量子力學(xué)（矩陣力學(xué)），原子核由質(zhì)創(chuàng)立量子力學(xué)（矩陣力學(xué)），原子核由質(zhì)子和中子組成子和中子組成薛定格薛定格19331933創(chuàng)立量子力學(xué)（波動力學(xué)）創(chuàng)

9、立量子力學(xué)（波動力學(xué)）狄拉克狄拉克19331933電子的相對論性方程，預(yù)言正電子電子的相對論性方程，預(yù)言正電子泡利泡利19451945不相容原理不相容原理玻恩玻恩19541954波函數(shù)的統(tǒng)計解釋波函數(shù)的統(tǒng)計解釋Chapt.1.緒論緒論The birth of quantum mechanics8薛定格薛定格德布羅意德布羅意狄拉克狄拉克海森堡海森堡普朗克普朗克泡利泡利愛因斯坦愛因斯坦玻爾玻爾玻恩玻恩Chapt.1.緒論緒論The birth of quantum mechanics9現(xiàn)代著名的物理學(xué)家現(xiàn)代著名的物理學(xué)家Chapt.1.緒論緒論The birth of quantum mechan

10、ics101897年年 J. J Thomson 通過測定荷質(zhì)比，通過測定荷質(zhì)比， 確定了電子的存在。確定了電子的存在。1900年年 M. Plank 提出了量子化假說，提出了量子化假說， 成功地解釋了黑體輻射問題。成功地解釋了黑體輻射問題。1905年年 A. Einstein 將量子化概念明確為光子的概念，將量子化概念明確為光子的概念， 并解釋了光電效應(yīng)。同年創(chuàng)立了狹義相對論。并解釋了光電效應(yīng)。同年創(chuàng)立了狹義相對論。量子力學(xué)建立大事記量子力學(xué)建立大事記Chapt.1.緒論緒論The birth of quantum mechanics111924年年 L. de Brglie 提出了提出了“

11、物質(zhì)波物質(zhì)波”思想。思想。1913年年 N. Bohr 提出了原子結(jié)構(gòu)的量子化提出了原子結(jié)構(gòu)的量子化 理論（舊量子論）。理論（舊量子論）。1911年年 E. Rutherfold 確定了原子核式結(jié)構(gòu)。確定了原子核式結(jié)構(gòu)。1923年年 Compton散射證實了光子的基本公式散射證實了光子的基本公式hE /hp 的正確性，并證實在微觀碰撞過程的正確性，并證實在微觀碰撞過程中能量守恒、動量守恒成立。中能量守恒、動量守恒成立。Chapt.1.緒論緒論The birth of quantum mechanics121925年年 W. Heisenberg 建立了量子力學(xué)的建立了量子力學(xué)的 “矩陣形式矩陣

12、形式”。1926年年 E. Schrdinger 建立了量子力學(xué)的建立了量子力學(xué)的 “波動形式波動形式” 并證明了與并證明了與“矩陣形式矩陣形式”等價。等價。1927年年 Davission，Germer 電子衍射實驗。電子衍射實驗。1928年年 Dirac 建立了相對論量子力學(xué)（建立了相對論量子力學(xué)（ Dirac方程）。方程）。1927年年 Dirac 發(fā)展了電磁場的量子理論。發(fā)展了電磁場的量子理論。Chapt.1.緒論緒論The birth of quantum mechanics13八、為什么要學(xué)習(xí)量子力學(xué)？八、為什么要學(xué)習(xí)量子力學(xué)？ 1 1量子力學(xué)是近代物理兩大理論支柱之一，量子力學(xué)是

13、近代物理兩大理論支柱之一，開創(chuàng)了物理學(xué)的新時代。開創(chuàng)了物理學(xué)的新時代。 2 2微觀現(xiàn)象必須用量子力學(xué)去描述。微觀現(xiàn)象必須用量子力學(xué)去描述。 3 3對宏觀現(xiàn)象的研究也應(yīng)立足于量子力學(xué)。對宏觀現(xiàn)象的研究也應(yīng)立足于量子力學(xué)。 4 4存在著宏觀量子現(xiàn)象。存在著宏觀量子現(xiàn)象。 5 5考研需要?？佳行枰hapt.1.緒論緒論The birth of quantum mechanics14物理學(xué)物理學(xué)學(xué)學(xué)理理電動力學(xué)電動力學(xué)量子力學(xué)量子力學(xué)熱統(tǒng)力學(xué)熱統(tǒng)力學(xué)理論力學(xué)理論力學(xué)電電 工工 學(xué)學(xué)數(shù)字電路數(shù)字電路固體物理固體物理模擬電路模擬電路數(shù)理方法數(shù)理方法進(jìn)階課程進(jìn)階課程關(guān)聯(lián)課程關(guān)聯(lián)課程基礎(chǔ)課程基礎(chǔ)課程熱熱

14、學(xué)學(xué)高等數(shù)學(xué)高等數(shù)學(xué)光光 學(xué)學(xué)原子物理原子物理力力 學(xué)學(xué)電電 磁磁 學(xué)學(xué)Chapt.1.緒論緒論The birth of quantum mechanics15理解量子理論的基本概念理解量子理論的基本概念掌握量子力學(xué)解決問題的基本思路和方法掌握量子力學(xué)解決問題的基本思路和方法本課程的教學(xué)目標(biāo)：本課程的教學(xué)目標(biāo)：本課程的教學(xué)章節(jié)：本課程的教學(xué)章節(jié)：第一章第一章 緒論緒論第二章第二章 波函數(shù)和薛定諤方程波函數(shù)和薛定諤方程第三章第三章 量子力學(xué)中的力學(xué)量量子力學(xué)中的力學(xué)量第四章第四章 態(tài)和力學(xué)量的表象態(tài)和力學(xué)量的表象第五章第五章 微擾理論微擾理論第六章第六章 散射散射第七章第七章 自旋與全同粒子自旋

15、與全同粒子Chapt.1.緒論緒論The birth of quantum mechanics16nI.I.緒論：緒論：量子力學(xué)的研究對象和方法特點。經(jīng)典物理學(xué)的困難，量量子力學(xué)的研究對象和方法特點。經(jīng)典物理學(xué)的困難，量子力學(xué)發(fā)展簡史，光的波粒二象性，子力學(xué)發(fā)展簡史，光的波粒二象性，BohrBohr的量子論，微觀粒子的波的量子論，微觀粒子的波粒二象性。粒二象性。nII.II.波函數(shù)和薛定諤方程：波函數(shù)和薛定諤方程：波函數(shù)的統(tǒng)計解釋，態(tài)迭加原理，薛定諤波函數(shù)的統(tǒng)計解釋，態(tài)迭加原理，薛定諤方程，一維定態(tài)問題。方程，一維定態(tài)問題。nIII.III.量子力學(xué)中的力學(xué)量：量子力學(xué)中的力學(xué)量：表示力學(xué)量的

16、算符，算符的本征值和本表示力學(xué)量的算符，算符的本征值和本征函數(shù)，動量算符和角動量算符，厄米算符本征函數(shù)的正交性，算征函數(shù)，動量算符和角動量算符，厄米算符本征函數(shù)的正交性，算符與力學(xué)量的關(guān)系，算符的對易關(guān)系，兩個力學(xué)量同時有確定值的符與力學(xué)量的關(guān)系，算符的對易關(guān)系，兩個力學(xué)量同時有確定值的條件，測不準(zhǔn)關(guān)系，力學(xué)量平均值隨時間的變化，對稱性與守恒律，條件，測不準(zhǔn)關(guān)系，力學(xué)量平均值隨時間的變化，對稱性與守恒律，電子在庫侖場中的的運動，氫原子。電子在庫侖場中的的運動，氫原子。本課程的主要內(nèi)容：本課程的主要內(nèi)容：nIV.IV. 態(tài)和力學(xué)量的表象：態(tài)和力學(xué)量的表象：態(tài)的表象，算符的矩陣表示，量子力學(xué)態(tài)的表

17、象，算符的矩陣表示，量子力學(xué)公式的矩陣表述，幺正變換。公式的矩陣表述，幺正變換。Chapt.1.緒論緒論The birth of quantum mechanics17nV. V. 微擾理論：微擾理論：定態(tài)微擾理論，變分法的基本原理及方法定態(tài)微擾理論，變分法的基本原理及方法，含時微含時微擾理論（躍遷幾率、光的發(fā)射和吸收、選擇定則）。擾理論（躍遷幾率、光的發(fā)射和吸收、選擇定則）。nVII.VII. 自旋與全同粒子體系：自旋與全同粒子體系：電子自旋，自旋算符和波函數(shù)，角動電子自旋，自旋算符和波函數(shù)，角動量耦合，自旋量耦合，自旋- -軌道耦合時哈密頓的處理方法。全同粒子的特性，軌道耦合時哈密頓的處理

18、方法。全同粒子的特性，玻色子與費米子，全同粒子體系的波函數(shù)，泡利原理，兩個電子玻色子與費米子，全同粒子體系的波函數(shù)，泡利原理，兩個電子的自旋波函數(shù)。的自旋波函數(shù)。nVI.VI. 散射：散射：散射過程的一般描述，散射截面，分波法，玻恩近似，散射過程的一般描述，散射截面，分波法，玻恩近似，方形勢阱與勢壘所產(chǎn)生的散射方形勢阱與勢壘所產(chǎn)生的散射。本課程的主要內(nèi)容：本課程的主要內(nèi)容：Chapt.1.緒論緒論The birth of quantum mechanics181. 微觀粒子的狀態(tài)描述方法：波函數(shù)微觀粒子的狀態(tài)描述方法：波函數(shù)2. 微觀粒子的運動規(guī)律：薛定諤方程微觀粒子的運動規(guī)律：薛定諤方程本課

19、程的核心問題：本課程的核心問題：3. 微觀粒子力學(xué)量的表示方法：算符微觀粒子力學(xué)量的表示方法：算符Chapt.1.緒論緒論The birth of quantum mechanics19教教 材材量子力學(xué)教程（第二版）量子力學(xué)教程（第二版） 周世勛周世勛 原著原著 高等教育出版社高等教育出版社 普通高等教育普通高等教育“十一五十一五”國家級規(guī)劃教材國家級規(guī)劃教材本課程的教材和參考書目：本課程的教材和參考書目：Chapt.1.緒論緒論The birth of quantum mechanics20重點參考書目重點參考書目: :選擇參考書目選擇參考書目: :1.量子力學(xué)教程（第3版）曾謹(jǐn)言 科學(xué)出

20、版社 2014年2. 量子力學(xué)（第2版）蘇汝鏗. 高等教育出版社，2002年1.1. 曾謹(jǐn)言曾謹(jǐn)言. . 量子力學(xué)（卷量子力學(xué)（卷I I）第四版第四版. .科學(xué)出版社，科學(xué)出版社，20072007年。年。2.2. 喀興林喀興林. .量子力學(xué)與原子世界量子力學(xué)與原子世界山西科學(xué)技術(shù)出版社山西科學(xué)技術(shù)出版社 ，20002000年。年。3.3. 錢伯初、曾謹(jǐn)言錢伯初、曾謹(jǐn)言. .量子力學(xué)習(xí)題精選與剖析量子力學(xué)習(xí)題精選與剖析。4.4. 喀興林喀興林. . 高等量子力學(xué)高等量子力學(xué) 高等教育出版社。高等教育出版社。5.5. 曾謹(jǐn)言曾謹(jǐn)言. .量子力學(xué)導(dǎo)論量子力學(xué)導(dǎo)論 1994 1994年年本課程的教材和

21、參考書目：本課程的教材和參考書目：Chapt.1.緒論緒論The birth of quantum mechanics21學(xué)學(xué) 習(xí)習(xí) 方方 法法學(xué)習(xí)量子力學(xué)，其困難在于我們在接受它時：學(xué)習(xí)量子力學(xué)，其困難在于我們在接受它時：A. 發(fā)現(xiàn)它與我們熟悉的經(jīng)典物理學(xué)中的習(xí)慣或概發(fā)現(xiàn)它與我們熟悉的經(jīng)典物理學(xué)中的習(xí)慣或概念念不一致不一致；B. 量子力學(xué)中的新概念量子力學(xué)中的新概念不是直觀不是直觀的；的；C. 處理問題時，與經(jīng)典物理學(xué)在處理問題時，與經(jīng)典物理學(xué)在方法上方法上截然不同。截然不同。它的重要性在狀態(tài)，算符和演化。它的重要性在狀態(tài)，算符和演化。Chapt.1.緒論緒論The birth of qua

22、ntum mechanics22 如何學(xué)好量子力學(xué)如何學(xué)好量子力學(xué) 1) 自覺擺脫經(jīng)典的束縛自覺擺脫經(jīng)典的束縛 注重實驗事實注重實驗事實 2) 處理好形象與抽象的關(guān)系處理好形象與抽象的關(guān)系 3) 對應(yīng)關(guān)系對應(yīng)關(guān)系 新理論是在原有的理論基礎(chǔ)上發(fā)展起新理論是在原有的理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，所以在極限情況下可以回到來的，所以在極限情況下可以回到原有的原有的理論，但量子范圍內(nèi)的很多概念找不到經(jīng)理論，但量子范圍內(nèi)的很多概念找不到經(jīng)典的對應(yīng)，是一個全新的領(lǐng)域。典的對應(yīng)，是一個全新的領(lǐng)域。Chapt.1.緒論緒論The birth of quantum mechanics23http:/ 在線閱讀在線閱讀 國

23、人寫的一本關(guān)于量子力學(xué)的科普書，講述了國人寫的一本關(guān)于量子力學(xué)的科普書，講述了量子力學(xué)發(fā)展過程中那些激動人心的事件。作者是量子力學(xué)發(fā)展過程中那些激動人心的事件。作者是一位不愿透露身份的神秘人物。剛開始只是作為連一位不愿透露身份的神秘人物。剛開始只是作為連載，發(fā)在論壇上，沒想到引起了轟動，現(xiàn)已出版。載，發(fā)在論壇上，沒想到引起了轟動，現(xiàn)已出版。網(wǎng)上隨處可見。內(nèi)容非常豐富，尤其值得一提的是，網(wǎng)上隨處可見。內(nèi)容非常豐富，尤其值得一提的是，最后幾章由量子力學(xué)引發(fā)的對宇宙的思考，最后幾章由量子力學(xué)引發(fā)的對宇宙的思考， 一定會一定會讓你對這個世界有全新的認(rèn)識。讓你對這個世界有全新的認(rèn)識。Chapt.1.緒論

24、緒論The birth of quantum mechanics24Chapt.1.緒論緒論The birth of quantum mechanics25Chapt.1.緒論緒論The birth of quantum mechanics26 但是，最讓他傷心的，無疑是玻爾也轉(zhuǎn)向了他的對立面。玻爾，那個他視為嚴(yán)師、但是，最讓他傷心的，無疑是玻爾也轉(zhuǎn)向了他的對立面。玻爾，那個他視為嚴(yán)師、慈父、良友的玻爾，那個他們背后稱作慈父、良友的玻爾，那個他們背后稱作“量子論教皇量子論教皇”的玻爾，那個哥本哈根軍團(tuán)的的玻爾，那個哥本哈根軍團(tuán)的總司令和精神領(lǐng)袖，現(xiàn)在居然反對他！這讓海森堡感到無比的委屈和悲傷。

25、后來，當(dāng)總司令和精神領(lǐng)袖，現(xiàn)在居然反對他！這讓海森堡感到無比的委屈和悲傷。后來，當(dāng)玻爾又一次批評他的理論時，海森堡甚至當(dāng)真哭出了眼淚。對海森堡來說，玻爾在他玻爾又一次批評他的理論時，海森堡甚至當(dāng)真哭出了眼淚。對海森堡來說，玻爾在他心目中的地位是獨一無二的，失去了他的支持，海森堡感覺就像在河中游水的小孩子心目中的地位是獨一無二的，失去了他的支持，海森堡感覺就像在河中游水的小孩子失去了大人的臂膀，有種孤立無援的感覺。失去了大人的臂膀，有種孤立無援的感覺。 不過，現(xiàn)在玻爾已經(jīng)去挪威度假了，他大概在滑雪吧？海森堡記得玻爾的滑雪水不過，現(xiàn)在玻爾已經(jīng)去挪威度假了，他大概在滑雪吧？海森堡記得玻爾的滑雪水平拙劣得很