量子力学发展史.doc

计算机分子模拟论文-量子力学发展历程简史 学院：文学院 班级：法学11-1班 姓名：杜 鹃 学号：11103120 2012年11月28日量子力学发展历程简史摘要：量子力学是描写微观物质的一个物理学理论，与相对论一起被认为是现代物理学的两大基本支柱。只有量子力学才能描述原子核与电子的运动规律计算机科学最底层次就是量子力学层次，它也是其他更高层次计算的基础。量子力学的威力是人类之前建立的任何一个理论无法匹敌的。它完美地解释了经典力学无法解释的物理现象，并成功地预言了后来的许多实验发现。量子力学还把大量的其他理论融入自己的体系中。现代物理学的绝大多数基础理论，包括狭义相对论，都被量子力学纳入量子场论的范畴中。关键词：经典量子论 量子力学 普朗克常数 波函数 波粒二象性 玻尔模型引言：量子力学是描写微观物质的一个物理学理论，与相对论一起被认为是现代物理学的两大基本支柱，许多物理学理论和科学如原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学以及其它相关的学科都是以量子力学为基础。19世纪末，经典力学和经典电动力学在描述微观系统时的不足越来越明显。而后，量子力学始于20世纪初马克斯普朗克和尼尔斯玻尔的开创性工作，马克斯玻恩于1924年创造了“量子力学”一词。因其成功的解释了经典力学无法解释的实验现象，并精确地预言了此后的一些发现，物理学界开始广泛接受这个新理论。量子力学早期的一个主要成就是成功地解释了波粒二象性，此术语源于亚原子粒子同时表现出粒子和波的特性。只有量子力学才能描述原子核与电子的运动规律计算机科学最底层次就是量子力学层次，它也是其他更高层次计算的基础。量子力学的发展差不多分为两个理论阶段，其一是经典量子论，其二是现代量子力学的发展。世界上第一个量子理论：普朗克和黑体辐射。一 、经典量子论19世纪末，。其中，伦琴 1895年“X射线”，贝克勒尔1896年的“放射性”，汤姆孙1897年的“电子的发现”。这三大发现，揭开了近代物理发展的序幕。普朗克常数经典物理有一个关于黑体辐射问题的推论：当频率增大时，黑体辐射【6】将会释放出无限大的能量。，马克斯普朗克给出了一个能够解释黑体光谱实验现象的经验公式（利用数学插值法），但他不能使之和经典物理相协调。 他得出的结论是，和从前大家所普遍相信的不一样，经典物理并不适用于微观世界。普朗克，德国物理学家，量子力学的创始人，二十世纪最重要的物理学家之一，因发现能量量子而对物理学的进展做出了重要贡献，并在1918年获得诺贝尔物理学奖。1900年，普朗克为了解释黑体辐射现象，引入一个“离经叛道”的假设: 黑体吸收或发射辐射的能量必须是不连续的。这一重要事件后来被认为是量子革命的开端。普朗克为此获1918年诺贝尔物理学奖。普朗克最先提出了能量量子的概念,指出黑体是由谐振子构成, 能量为nhn (n=1,2,3, n 为谐振子的固有振动频率), 物体发射或吸收电磁辐射的过程, 是以不可分割的能量量子(hn)为单元不连续地进行的, h为普朗克常数, h=6.626*10-34Js。普朗克于会议上提出了能量量子化的假说： 1其中E是能量，是频率，并引入了一个重要的物理常数h普朗克常数，能量只能以不可分的能量元素（即量子）的形式向外辐射。这样的假说调和了经典物理学理论研究热辐射规律时遇到的矛盾。基于这样的假设，他并给出了黑体辐射的普朗克公式，圆满地解释了实验现象。这个成就揭开旧量子论与量子力学的序幕，因此12月14日成为了量子日，以作纪念。普朗克也此获得1918年诺贝尔物理学奖。尽管在后来的时间里，普朗克一直试图将自己的理论纳入经典物理学的框架之下，但他仍被视为近代物理学的开拓者之一。 爱因斯坦，德国科学家，20世纪犹太裔理论物理学家、思想家及哲学家，也是相对论的创立者。被誉为是“现代物理学之父”及二十世纪世界最重要科学家之一。1905年，爱因斯坦对光电效应提出了一个理论，解决了之前光的波动理论所无法解释的这个实验现象。他引入了光子，一个携带光能的量子的概念。 在光电效应中，人们观察到将一束光线照射在某些金属上会在电路中产生一定的电流。可以推断是光将金属中的电子打出，使得它们流动。然而，人们同时观察到，对于某些材料，即使一束微弱的蓝光也能产生电流，但是无论多么强的红光都无法在其中引出电流。根据波动理论，光强对应于它所携带的能量，因而强光一定能提供更强的能量将电子击出。然而事实与预期的恰巧相反。 爱因斯坦将其解释为量子化效应：电子被光子击出金属，每一个光子都带有一部分能量E，这份能量对应于光的频率：E=h 这里h是普朗克常数（6.626 x 10-34 J s）。以上两式是光的波粒二象性的数学表达式，它们将标志波动性质的频率和波长，通过一个普适常量普朗克常数，同标志粒子性质的能量和动量联系起来。体现：1、光既有粒子性又有波动性； 2、光在传播时显示出波动性，而在转移能量时显示出粒子性。 3、在任何一个特定的事例中，光要么显示出粒子性，要么显示出波动性，二这决不会同时出现。光束的颜色决定于光子的频率，而光强则决定于光子的数量。由于量子化效应，每个电子只能整份地接受光子的能量，因此，只有高频率的光子（蓝光，而非红光）才有能力将电子击出。约化普朗克常数（狄拉克常数）普朗克常数最初只是连接光的能量和频率的比例因子。为探索为何2和普朗克常数一起出现在了他推导出的数学表述中。德布罗意假设电子也如同光子那样具有频率，而其此频率必须满足电子在特定轨道稳定存在的驻波条件。这就是说，电子波圆周运动的轨迹必须光滑的衔接起来，波峰和波谷连续分布。中间不能有间断，周长的每一段都是振动的一部分，而且波形不能重叠。质量为m 的粒子，以速度 v 匀速运动时，一方面可以用能量E 和动量P 对它作粒子的描述，另一方面也可以用频率，波长作波的描述，其关系为： 此式称为德布罗意公式，这种波称为德布罗意波或物质波。 德布罗意关系=h/p,和量子关系E=h(及薛定谔方程)这两个关系式实际表示的是波性与粒子性的统一关系, 而不是粒性与波性的两分。德布罗意物质波是粒波一体的真物质粒子,光子,电子等的波动。3玻尔的原子模型 1887年，JJ汤姆生领导的一个研究小组发现了一种带着一个单位负电荷且质量极小的基本粒子并把它命名为电子。通过金箔实验，物理学家认识到物质的内部几乎是真空的，原子核只占了原子很小的一部分。这个事实清楚之后，就可以很自然的假设负电子在轨道上环绕着原子核运动，就像太阳系的行星那样。但这种简单的类比的后果就是：根据经典电动力学，电子在运动时会不断向外辐射电磁波，失去能量的电子最终将会坠入原子核中。以此推论，电子大约只能存在百分之一微秒。因此，20世纪初困扰物理学家们最大的问题就是：电子是如何保持稳定轨道的？1913年，为了解决这个问题，尼尔斯玻尔假设了电子的轨道是量子化的（不连续）。这就是著名的玻尔原子模型【7】。玻尔的基本假设是：电子只能占据原子核外的特定轨道，这些轨道能够在对单一元素的原子的光谱分析后得出。【1】波粒二象性玻尔指出了粒子说和波动说都不能独立的说明经实验观测到得光的特性。所有形式的电磁辐射都在一些实验中表现出波动性，却又在别的一些实验中表现出粒子性。以此为根据，玻尔阐明了对应原理，此原理针对一些相对应的概念，如波动性和粒子性，位置和动量等。1924年，德布罗意推广了玻尔的模型和理论。 提出“物质波”假说，认为和光一样，一切物质都具有波粒二象性。根据这一假说，电子也会具有干涉和衍射等波动现象，这被后来的电子衍射试验所证实。德布罗意受爱因斯坦的“光子学说”的启发, 大胆假设电子具有波动性。特别的是，只有环绕原子核形成驻波时，电子才能被观测到。“驻波”的波形无法前进，因此无法传播能量。1924年11月，德布罗意在其博士论文里首次提出所有物质粒子具有波粒二象性的假设。1927年，C.J.戴维孙和L.H.革末做了晶体对电子的衍射实验。电子衍射的发现证实了L.V.德布罗意提出的电子具有波动性的设想，构成了量子力学的实验基础。证明了德布罗意关于所有的物质粒子都具有波粒二象性假设的真实性。同年，海森伯提出“不确定关系”。它反映了微观粒子运动的基本规律，是物理学中一个极为重要的关系式，它包括多种表示形式。由于粒子的波动性，它在客观上不能同时具有确定的坐标位置位置和相应的动量。不确定关系式是物质粒子波粒二象性【8】的反映。其物理意义：微观粒子的位置和动量不能同时准确地测定。二，现代量子力学的发展完整的量子论1932年诺贝尔物理学奖获得者，维尔纳海森堡在1925年建立起了完整的量子力学理论。【2】薛定谔波动方程奥地利理论物理学家，量子力学的奠基人之一。1933年和英国物理学家狄拉克共同获得了诺贝尔物理学奖，被称为量子物理学之父。1925年，基于德布罗意的物质波模型，埃尔温薛定谔假设电子就是那样环绕原子核的波，然后对电子的行为进行了数学分析。他并没有把电子比作绕行星转动的卫星，而是直接把它们看作在原子核周围的某种波，并且指出描述各个电子的波函数都是互不相同的。而这种波函数所遵守的方程被命名为薛定谔方程【9】，以纪念他为量子力学做出的贡献。1926年,薛定谔首次建立了微观粒子的波动方程,标志着新量子时代到来，之后这一领域取得了辉煌的成就，并对其它化学学科激起了层层千浪。特别是随着计算机的高速发展，可以快速、简便地获得大量微观电子结构，从而能为化学研究提供丰富的信息。 薛定谔建立了描述微观粒子运动状态的波函数所满足的方程 薛定谔方程： 薛定谔方程是量子力学中的基本方程，已知 U 求解方程得到描述粒子运动状态的波函数。它分别从三个性质出发描述了波函数：1. 轨道的名称表明了粒子波的能量高低（离原子核越近能量越低）。 2. 轨道的形状，球形或者其他。 3. 轨道的倾角，决定了电子对z轴的磁矩。这三种特性被归纳成描述电子量子态的波函数 。量子态代表着电子的这些特性，它适时的描述了电子的状态。这三个被波函数描述的特性分别被称之为电子的量子数。【3】1926年5月，薛定谔证明了海森堡的矩阵力学和他的波动力学对电子性质和行为的预测结果是相同的；而它们在数学上也是等价的。不确定性原理 海森堡又提出了著名的“不确定性原理【10】”（又称“海森堡测不准原理”），在一个量子力学系统中，一个运动粒子的位置和它的动量不可被同时确定，位置的不确定性和动量的不确定性是不可避免的，它们的乘积不小于（为普朗克常数），这些误差对于人类来说虽然是微小的，但是在原子研究中并不能被忽略。其物理意义是微观粒子的位置和动量不能同时准确地测定。由于粒子的波动性，它在客观上不能同时具有确定的坐标位置位置和相应的动量。因此可以这样说，不确定关系式，它反映了微观粒子运动的基本规律，是物理学中一个极为重要的关系式。自牛顿以来的经典物理学告诉我们，如果我们知道某一时刻行星和恒星的位置和运动状态，我们就能够预测它们在未来任何时刻运动状态。不确定原理则告诉我们这对于亚原子世界是不适用的。我们不能同时精确测量出微观粒子位置和动量，对于粒子未来的运动状态，我们只能给出一种概率分布，该分布只能告诉我们在未来它处在这种状态的可能性。源自波粒二象性的不确定性原理的影响只在亚原子尺度时显现出来。尽管这些现象违背了我们的直觉，以不确定原理著称的量子力学仍然不断引领着科学技术的进步，如果没有它，我们也就不会拥有电子计算机，荧光灯以及医学影像设备。海森堡对建立量子力学做出重要贡献。波函数波函数【12】是描述微观粒子运动状态的函数称为微观粒子的波函数。波函数的表达式：波函数不能直接观测，玻恩说：是电子（或其他粒子）出现的几率密度，即波函数模的平方对应于微观粒子在某处出现的几率密度。 在某一时刻，粒子在空间某处的体积元dV 中出现的概率与该处波函数模的平方成正比： 波函数的物理意义： 表示t 时刻，粒子在空间x 处的单位体积内出现的概率。而微观粒子在各处出现的概率密度才具有明显的物理意义。波函数是描述微观粒子状态的函数，其模的平方对应于粒子出现的概率密度；而微观粒子运动所遵循的规律是薛定谔方程。波函数概念的形成正是量子力学完全摆脱经典观念、走向成熟的标志；波函数和概率密度，是构成量子力学理论的最基本的概念。玻恩对波函数所作出的几率解释，此解释赋予微观粒子运动规律以至量子理论以统计性特色，使非决定论成为量子物理的新思想方法。波函数的归一化条件，因为在整个空间发现粒子的总概率为100% 此式称为归一化条件 归一化的波函数对应的概率密度是相对概率而非绝对概率，亦即在所指定空间区域观察到粒子的概率占全空间概率的分数。 原子内电子不是如玻尔原子理论所假定的那样在一些分立的轨道上作圆周运动，而是处于不同量子态的电子在原子内各处都有一定的几率分布。【4】泡利不相容原理沃尔夫冈泡利奥地利物理学家，20世纪最重要的物理学家之一。他最突出的贡献在于对自旋（b）的研究。“泡利不相容原理【11】”表明了一个原子里的每一个费米子必然具有不相同的量子状态。它的一个非常重要的推论就是对任何原子，两个电子都不能具有同样的量子态。于1925年，泡利的“泡利不相容原理”也是近代量子力学的伟大发现之一。沃尔夫冈泡利给出了“泡利不相容原理”简单的表述：一个原子中没有两个量子数完全相同的电子。沃尔夫冈泡利的不相容原理是从他称做“量子自由度的双重值”的理论发展而来的。这个理论是为了解释氢原子光谱中成对出现的两根非常接近的谱线。这个现象意味着原子的磁矩比预先设想的要大。1925年初，乔治乌伦贝克和塞缪尔高德斯密特提出电子可能像地球那样绕自身的轴自转的假设，他们把这种特性称之为自旋。自旋能够解释多出来的那部分磁矩，并且让两个电子在不违反不相容原理的条件下占据同一个轨道成为了可能只需要它们自旋方向相反。这时就需要一个新的量子数来描述原子自旋的动量。就这样，我们就确定了电子具有四个量子数：n:主量子数l:角量子数m1:磁量子数m2:自旋量子数三，量子力学发展评述经典力学和量子力学相比，经典力学就是一个巨人国，而量子力学只相当于一个小人国。经典力学适用范围宏观、低速；而量子力学适用范围微观、高速。经典力学的状态描述位置、动量、牛顿的运动方程；量子力学状态描述波函数、薛定谔方程。但二者也有相似之处，他们的普遍适用规律是动量守恒定律，角动量守恒定律、能量守恒定律等。现代物理学的分支和相关边缘学科都是以量子力学为基础。毫无疑问，量子力学的威力是人类之前建立的任何一个理论无法匹敌的。它完美地解释了经典力学无法解释的物理现象，并成功地预言了后来的许多实验发现。量子力学还把大量的其他理论融入自己的体系中。现代物理学的绝大多数基础理论，包括狭义相对论，都被量子力学纳入量子场论的范畴中。经典力学在人们生活中仍旧起作用，这是因为几乎所有的经典物理内容都可以被看做是量子物理和相对论的近似情况。广义相对论和相对论性量子力学联合起来的终极理论被誉为当代理论物理学的圣杯。也即，量子力学和相对论一起构成近代物理学的两大理论支柱。量子力学为在原子分子水平上揭示化学问题的本质奠定了牢固的理论基础。因为，化学反应基本过程是伴随着反应体系原子核的重排而发生的电子运动状态的改变，这些微观运动均服从薛定谔方程。然而尽管量子力学在预言和实用上取得了空前的成功，它的很多方面却一直在挑战着我们的直觉。量子力学所描述的微观物质的行为，和我们由日常经验所能想象的实在是相差甚远。例如薛定谔的猫。，1957年，吴健雄与她的合作者验证了杨振宁和李政道提出的“宇称不守恒”，几乎使提出不相容理论的泡利休克。但量子力学也不是“绝对真理”，理论物理学家曾谨言也在物理杂志所发表的量子物理学百年回顾一文中表达了他的看法：“迄今所有实验都肯定了量子力学的正确性，但这只表明：它在人类迄今实践所及的领域是正确的。量子力学并非绝对真理。量子力学并没有，也不可能关闭人们进一步认识自然界的道路。量子力学与广义相对论之间的矛盾并未解决。”著名物理学家费曼就曾说：“我敢肯定，现在没有一个人能够懂得量子力学。”但随着理论知识的发展，理论与实际的结合越来越紧密，希望能够为量子力学的发展开辟一条更广阔的路。（a）热辐射即物体因其自身温度而从物体表面发射出来的电磁辐射。如果有一个物体经过充分加热以后，会开始发射出光谱中红色端的光线而变得火红。再进一步加热物体时会使颜色发生变化，发射出波长较短（频率较高）的光线。而且这个物体既可以是完美的发射体，同时也可以是完美的吸收体。当物体处于冰冷状态时，看起来是纯粹的黑色，此时物体几乎不会发射出可见光，而且还会吸纳落在物体上的光线。这个理想的热发射体就被视为黑体，而黑体发出的辐射就称为黑体辐射。（b）在量子力学中，自旋是粒子所具有的内在性质，其运算规则类似于经典力学的角动量，并因此产生一个磁场。参考文献：【1】来自于修订于2012年11月19日量子力学入门经典力学“玻尔的原子模型篇”【2】来自于修订于2012年11月19日量子力学入门现代量子力学的发展“完整量子论”【3】来自于修订于2012年11月19日量子力学入门现在量子力学的发展”薛定谔波动方程”【4】源于赵联明博士的计算机分子模拟课件。【5】参考资料：马克斯普朗克个人发展简史；维尔纳海森堡个人发展简史；尼尔斯玻尔个人发展简史；马克斯玻恩个人发展简史；沃尔夫冈泡利个人发展简史；保罗狄拉克个人发展简史；埃尔温薛定谔个人发展简史；阿尔伯特爱因斯坦个人发展简史；德布罗意个人发展史【6】参考资料：维基百科黑体辐射修订于2012年10月13日【7】参考资料：维基百科玻尔原子模型国立交通大学物理系视听教学：玻尔模型；修订于2012年7月31日【8】参考资料：维基百科波粒二象性修订于2012年11月19日；国立交通大学物理系视听教学：量子力学导论【9】参考资料薛定谔方程修订于2012年10月18日【10】参考资料：维基百科不确定性原理修订于2012年11月13日【11】参考资料：维基百科泡利不相容原理Ford, Kenneth William. 101 Quantum Questions. Harvard University Press. 2012: pp.117. 修订于2012年9月16日【12】参考资料：维基百科波函数修订于2012年7月14日