量子力學(xué)發(fā)展簡史.ppt

1、量子力學(xué)發(fā)展簡史,物理科學(xué)學(xué)院應(yīng)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(chǔ)上發(fā)展起來的，愛因斯坦提出光量子假說、運(yùn)用能量子概念使量子理論得到進(jìn)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(jìn)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(xué)、波動力學(xué)，詮釋波函數(shù)進(jìn)行物理以及提出測不準(zhǔn)原理和互補(bǔ)原理。終于在1925年到1928年形成了完整的量子力學(xué)理論，與愛因斯坦的相對論并肩形成現(xiàn)代物理學(xué)的兩大理論支柱。,一、量子論的早期,1. 普朗克的能量子假設(shè) 2.光電效應(yīng)的研究 3. 固體比熱的研究

2、 4.量子假說運(yùn)用于原子模型,1 .普朗克的能量子假設(shè),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(shí)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(dǎo)這一新定律。但是，他經(jīng)過幾個(gè)月的緊張努力也沒能從力學(xué)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(jì)方法來試一試。他根據(jù)黑體輻射的測量數(shù)據(jù)計(jì)算出普適常數(shù)，后來人們稱這個(gè)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(yīng)的研究,普朗克的出能量子假說具有劃時(shí)代的意義，但是，不論是他本人還是同時(shí)代人當(dāng)時(shí)對這一點(diǎn)都沒有充分認(rèn)識。愛因斯坦最早明確地認(rèn)識到，普朗克的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志了物理學(xué)的新紀(jì)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(gè)試探性觀點(diǎn)中，發(fā)展了普朗克的量子假說，提出了光量子概念，并應(yīng)用到光的發(fā)射和轉(zhuǎn)化上，很好地解釋了光電效應(yīng)等現(xiàn)象。在那篇論文中，愛因斯坦總結(jié)了光學(xué)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(shí)，他還大膽地提出了光電方程，當(dāng)時(shí)還沒有足夠的實(shí)驗(yàn)事實(shí)來支持他的理論，因此，愛因斯坦稱之為“試探性觀點(diǎn)”。但他的光量子理論并沒有及時(shí)地得到人們的理解和支持，直到1916年，美國物理學(xué)家密立根對愛因斯坦的光電方程作出了全面的驗(yàn)證，光量子理論才開始得到人們的承認(rèn)。,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(yīng)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(yīng)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(shí)驗(yàn)所證實(shí)。量子理論應(yīng)用于比熱問題獲得成功，引起了人們的關(guān)注，有些物理學(xué)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(shí)化學(xué)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(yùn)用于原子模型,哈斯是奧地利的一位年表物理學(xué)家，他在研究黑體輻射時(shí)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(yùn)用量子公式來闡述原子結(jié)構(gòu)，這是將量子假說運(yùn)用于原子結(jié)構(gòu)的最初嘗試。 丹麥人玻爾堅(jiān)信盧瑟福的有核原子模型學(xué)說，為了證實(shí)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(jìn)行一番徹底的改造，因?yàn)橐恢鹿J(rèn)的經(jīng)典電動力學(xué)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(diǎn)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?？梢?，玻爾的對應(yīng)原理思想早在1913就有了萌芽，并成功地應(yīng)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(jìn)展。,二. 量子力學(xué)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(xué)的創(chuàng)立 4.波動力學(xué)的創(chuàng)立 5.波函數(shù)的物理詮釋 6測不準(zhǔn)原理和互補(bǔ)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(xué)院通報(bào)上發(fā)表了三篇有關(guān)波和量子的論文，提出實(shí)物料子也有波粒二象性，認(rèn)為與運(yùn)動粒子相應(yīng)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(yīng)用到以閉合軌道繞核運(yùn)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(jià)，認(rèn)為很有獨(dú)創(chuàng)精神，但是人們總認(rèn)為他的想法過于玄妙，沒有認(rèn)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(dāng)時(shí)他正在撰寫有關(guān)量子統(tǒng)計(jì)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(yīng)的規(guī)律無法解釋。為了解釋半量子數(shù)的存在，理論家費(fèi)盡了心機(jī)，提出了種種假說。1924年，泡利通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，滿殼層的原子實(shí)應(yīng)該具有零角動量，因此他斷定反常塞曼效應(yīng)譜線只是由價(jià)電子引起，而與原子實(shí)無關(guān)。顯然價(jià)電子的量子論性質(zhì)具有“二重性”。他提出二重性實(shí)際上就是賦予電子以第四

8、個(gè)自由度，然而，泡利自己也無法說清二重性和第四個(gè)自由度的物理意義。這時(shí)，一位來自美國的物理學(xué)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(rèn)為可以把電子的第四個(gè)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(gè)模型，他還作了一番計(jì)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(qiáng)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(xué)家埃倫費(fèi)斯特的兩個(gè)學(xué)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(shí)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(xué)家托馬斯才解決了這個(gè)問題。這樣一來，電子自旋的概念很快被物理學(xué)界普遍接受。,3.矩陣力學(xué)的創(chuàng)立,矩陣力學(xué)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(rèn)識到不僅描寫電子運(yùn)動的偶極的振幅的傅里葉分量的絕對值平方?jīng)Q定相應(yīng)輻射的強(qiáng)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(shè)電子運(yùn)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(yùn)用玻爾的對應(yīng)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(dāng)時(shí)

10、并不知道這就是矩陣運(yùn)算，于是就向玻恩請教有沒有發(fā)表價(jià)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(xué)。 玻恩著手運(yùn)用矩陣方法為新理論建立一套嚴(yán)密的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。與數(shù)學(xué)家約丹聯(lián)名發(fā)表了論量子力學(xué)一文，首次給矩陣力學(xué)以嚴(yán)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(shí)間的定態(tài)微擾，導(dǎo)出了動量和角動量守定律，以及強(qiáng)度公式和選擇定則，從而奠定了量子力學(xué)的基礎(chǔ)。,4.波動力學(xué)的創(chuàng)立,愛因斯坦發(fā)表的關(guān)于量子統(tǒng)計(jì)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(diǎn)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(xué)和幾何光學(xué)的對比提出了對應(yīng)于波動光學(xué)的波動方程。這一組論文奠定了非相對論量子力學(xué)的基礎(chǔ)。薛定諤把自己的新理論稱為波動力學(xué)。,5.波函數(shù)的物理詮釋,波動力學(xué)提出后，人們普遍對薛提出的波動力學(xué)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(xué)一文對波函數(shù)進(jìn)行了詮釋，波動力學(xué)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(diǎn)引導(dǎo)了玻恩對波函數(shù)的詮釋，可見，愛因斯

12、坦在量子力學(xué)的發(fā)展中起了很重要的作用。,6.測不準(zhǔn)原理和互補(bǔ)原理的提出,測不準(zhǔn)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(yùn)動的基本規(guī)律， 海森伯在創(chuàng)立矩陣力學(xué)時(shí)，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(biāo)”、“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(biāo)的新物理意義，海森伯抓住云室實(shí)驗(yàn)中觀察電子徑跡的問題進(jìn)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(yuǎn)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(zhǔn)確軌道。因此，在量子力學(xué)中，一個(gè)電子

13、只能以一定的不確定性處于某一位置，同時(shí)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(zhǔn)原理是通過一些實(shí)驗(yàn)來論證的，他還通過對確定原子磁矩的斯特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)的分析得出結(jié)論：能量的準(zhǔn)確測定如何，只有靠相應(yīng)的對時(shí)間的測不準(zhǔn)量才能得到。,海森伯的測不準(zhǔn)原理得到了玻爾的支持，但玻爾不同意他的推理方式，認(rèn)為他建立測不準(zhǔn)關(guān)系所用的基本概念有問題。于是提出了互補(bǔ)原理。他指出，平常大家總認(rèn)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?yàn)閷υ芋w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(fù)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(bǔ)充的一些側(cè)面。波粒二象性正是互補(bǔ)性的一個(gè)重要表現(xiàn)。其他量子力學(xué)結(jié)論也可從這里得到解釋。,三 .關(guān)于量子力學(xué)完備性的爭論,玻恩、海森伯等人提出了量子力學(xué)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(zhǔn)原理和互補(bǔ)原理，雙方展開了一場長達(dá)半個(gè)世紀(jì)的大論戰(zhàn)，許多理論物理學(xué)家、實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家和哲學(xué)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(xué)派的長期爭論，才使得量子力