1、量子物理学简介量子物理学简介 1986年诺贝尔物年诺贝尔物理学奖授于理学奖授于扫描隧道扫描隧道显微镜显微镜(STM)的发明的发明.这种仪器可用来显示这种仪器可用来显示物质表面的分子和原物质表面的分子和原子图像子图像;可用来移动、可用来移动、切割、拼装分子和原切割、拼装分子和原子子;可按照设计要求可按照设计要求将逐个原子组装成分将逐个原子组装成分子子,编织新材料编织新材料.这一切新成就应归这一切新成就应归功于功于量子力学理论量子力学理论.1一一.物质粒子的物质粒子的波粒二象性波粒二象性二二.原子能级原子能级和和量子跃迁量子跃迁三三.量子力学的某些应用量子力学的某些应用四四.向更深度的微观领域进军
2、向更深度的微观领域进军 反粒子反粒子和和真空真空量子力学和相对论是量子力学和相对论是2020世纪建立和世纪建立和发展起来的现代物理学的两大支柱发展起来的现代物理学的两大支柱2一一.物质粒子的波粒二象性物质粒子的波粒二象性 “波粒二象性波粒二象性”概念是量子力学的基础概念是量子力学的基础.“量子力学量子力学”极大地拓展了人类研究、认识、应用极大地拓展了人类研究、认识、应用自然的疆域自然的疆域;由它孕育并获得飞速发展的现代科技极大由它孕育并获得飞速发展的现代科技极大地改变了人们的工作和生活方式地改变了人们的工作和生活方式,极大地促进了人类社极大地促进了人类社会的发展会的发展.人们通过人们通过202
3、0世纪最初世纪最初2020余年的探索余年的探索发现发现,不能利用牛顿力学研究原子不能利用牛顿力学研究原子.后后来发现这完全是因为微观粒子具有明来发现这完全是因为微观粒子具有明显的波粒二象性显的波粒二象性.人们终于醒悟到人们终于醒悟到,为为了将物理学推广到微观领域了将物理学推广到微观领域,需要改变需要改变牛顿力学中的某些牛顿力学中的某些“旧旧”观念观念,根据实根据实验结果建立新概念验结果建立新概念,并在此基础上建立并在此基础上建立一种全新的物理理论一种全新的物理理论.1.1.物质波假设物质波假设;2.2.实验验证实验验证;3.3.什么是物质波什么是物质波31.1.物质波假设物质波假设 19211
4、921年的诺贝尔物理学奖受于爱因斯坦年的诺贝尔物理学奖受于爱因斯坦,表彰他表彰他19051905年提出年提出的光子说的光子说.光子是构成光或电磁场的基本粒子光子是构成光或电磁场的基本粒子,E=h,p=h/.E=h,p=h/.光不仅具有波动性光不仅具有波动性(1864),(1864),而且具有粒子性而且具有粒子性(1905)(1905).这使当时正在法国巴黎大学物理系攻读博士学位这使当时正在法国巴黎大学物理系攻读博士学位的德布罗意受到极大的启发和激励的德布罗意受到极大的启发和激励.他于是想他于是想,既然既然具有波动性的光或电磁场这样的客体会显示出粒子具有波动性的光或电磁场这样的客体会显示出粒子性
5、性,那么为什么我们通常看成是粒子的客体不会显示那么为什么我们通常看成是粒子的客体不会显示出波动的性质呢出波动的性质呢?42.2.实验验证实验验证判断德布罗意关于物质波的假设是否正确的最好办法判断德布罗意关于物质波的假设是否正确的最好办法是是:用实物粒子用实物粒子(如电子如电子)做干涉衍射实验做干涉衍射实验 光波波长光波波长0.50.5微米微米,电子的德布罗意波长确电子的德布罗意波长确万分之一微米万分之一微米!1927 1927年年,物理学家终于得到了电子束通过物理学家终于得到了电子束通过晶体所产生的干涉衍射图样晶体所产生的干涉衍射图样.56 其后数十年间其后数十年间,物理学家证实了电子、原子、
6、分子以物理学家证实了电子、原子、分子以及原子核等一切微观粒子都具有波动性及原子核等一切微观粒子都具有波动性.可见可见,不仅光和不仅光和电磁场具有波粒二象性电磁场具有波粒二象性,一切实物也都具有波粒二象性一切实物也都具有波粒二象性.波粒二象性是自然界中一切物质的普遍属性波粒二象性是自然界中一切物质的普遍属性.为什么宏观现象中没有发现物质波为什么宏观现象中没有发现物质波?p=h/:飞行子弹的德布罗意波长大约只有一亿飞行子弹的德布罗意波长大约只有一亿亿亿亿分子一米亿亿亿分子一米;原子中电子的德布罗意波长大约是百亿原子中电子的德布罗意波长大约是百亿分子一米分子一米(与原子的线度相同与原子的线度相同).
7、).7历史回眸历史回眸 1924.11.德布罗意向巴黎大学理学院提交了一篇博士论文,题为量子理论的研究.在该文中,他提出了物质粒子具有波动性的假设.当时学位评审委员会不知道怎样对待这篇文章,就将它寄给了爱因斯坦.一向偏爱对称性的爱因斯坦被这篇论文深深地打动了.于是学位委员会通过了德布罗意的论文.5年后他成了第一位因学位论文而获得诺贝尔物理学奖的人.德布罗意原来喜欢文学,并于1910年获巴黎大学文学士学位.后来才喜欢上当时盛行的自然科学,经过学习,于1913年获理学学士.8应用应用:用用X X射线或电子、原子、分子束所得到的射线或电子、原子、分子束所得到的晶体的干涉衍射图样中包含了晶体微观结构晶
8、体的干涉衍射图样中包含了晶体微观结构(如原子间距及排列方式等如原子间距及排列方式等)的信息的信息,于是于是,固体固体和凝聚态物理学有了实验基础和凝聚态物理学有了实验基础,从而得到了飞从而得到了飞速发展速发展,并在此基础上形成了诸如新材料、半并在此基础上形成了诸如新材料、半导体和微电子、纳米技术、电子显微镜技术以导体和微电子、纳米技术、电子显微镜技术以及原子显示和操纵技术等及原子显示和操纵技术等.93.3.什么是物质波什么是物质波?物质的粒子性和波动性这两个概念怎样统一物质的粒子性和波动性这两个概念怎样统一体现在一个微观客体上体现在一个微观客体上?19271927年德国物理学家年德国物理学家玻恩
9、提出玻恩提出“概率假设概率假设”:”:物质波物质波(或德布罗意波或德布罗意波)是是“概率波概率波”在电子波的干涉实验在电子波的干涉实验中中,每秒大约有每秒大约有10001000个电子穿过两条狭缝个电子穿过两条狭缝.四幅照片嚗光时间分四幅照片嚗光时间分别是别是（a a）0.1s;0.1s;（b b）3s;3s;（c c）20s;20s;（d d）70s 70s 微观世界中充满了微观世界中充满了概率性概率性!10二二.原子能级和量子跃迁原子能级和量子跃迁 波粒二象性的三个重要结果是波粒二象性的三个重要结果是:原子能量状态的原子能量状态的“分立分立性性”;状态变化的状态变化的“跳跃性跳跃性”;”;位
10、置和动量位置和动量(能量能量)的的“不确不确定性定性”.”.1.1.原子能级原子能级(能量的分立性能量的分立性)驻波性驻波性11l=n/2,n=1,2,3,由于由于n n只能取分立的值只能取分立的值,因此原子中电因此原子中电子运动的半径子运动的半径r r、速度速度v,v,以及以及动量、能量动量、能量等常常只能具有分立的值等常常只能具有分立的值.“量子性量子性”;“”;“量子态量子态”;“”;“量子量子数数”.”.(与宏观世界的情景截然不同与宏观世界的情景截然不同)(p=h/);E=hp=h/);E=h12原子的能级原子的能级 原子中电子的驻波性引起了它的能量的分立性原子中电子的驻波性引起了它的
11、能量的分立性（E=hE=h）,因此因此,原子中电子的可能的能量值是分立原子中电子的可能的能量值是分立的的.21nIEnI=13.6eV13能级图能级图eVnE216.132.2.量子跃迁量子跃迁 由于原子中电子能量状态由于原子中电子能量状态的分立性的分立性,因此因此原子状态的原子状态的改变必然是改变必然是“跳跃式跳跃式”的的.氢原子产生辐射氢原子产生辐射.fiEEh薛定格薛定格(SchordingSchording)方程方程14原子光谱原子光谱15 我们对原子结构的认识就是指对原子的能级结构的认识我们对原子结构的认识就是指对原子的能级结构的认识.建立在波粒二象性基础上的量子力学首先应用于建立在
12、波粒二象性基础上的量子力学首先应用于原子结构原子结构,其后又应用于其后又应用于分子分子和和原子核原子核领域领域,都取得了巨大成就都取得了巨大成就.量子力学曾被揶喻为量子力学曾被揶喻为“儿童力学儿童力学”.不同原子（如不同原子（如H H、HeHe、O O、CC）、）、分子（如分子（如H H2 2、COCO2 2、DNADNA）及原子核都具有及原子核都具有特定的能级结构特定的能级结构,因此具有因此具有特定的光谱特定的光谱(称称为为“特征光谱特征光谱”.”.于是我们可以通过量子力学理论的计算对于是我们可以通过量子力学理论的计算对它们的光谱结构作出预言它们的光谱结构作出预言;反之反之,通过精密的光谱实
13、验对理通过精密的光谱实验对理论进行检验论进行检验,提出修正提出修正.物理学家正是通过这样的实验和理物理学家正是通过这样的实验和理论的不断反复论的不断反复,对原子结构有了相当深入的认识对原子结构有了相当深入的认识.16历史回眸历史回眸:氢原子的氢原子的玻尔模型玻尔模型(1913)概率分布概率分布!173.3.不确定性不确定性 这个波包压缩到一半时这个波包压缩到一半时,它的位它的位置的不确定程度减小了置的不确定程度减小了,但与此同但与此同时发生的情况是时发生的情况是:它的波长（它的波长（）减小了减小了,动量（动量（p=h/p=h/）增加了增加了,因而它的动量的不确定程度增加因而它的动量的不确定程度
14、增加了了!可见可见,由于物质粒子的波动性由于物质粒子的波动性,微观粒子的位置愈确定微观粒子的位置愈确定,则它的动则它的动量量(及能量及能量)就愈不确定就愈不确定;反之亦然反之亦然.hpx局限在愈小空间局限在愈小空间内的微观粒子内的微观粒子,其能量愈大其能量愈大18三三.量子力学的某些应用量子力学的某些应用 1.1.原子光谱原子光谱 不同原子（如不同原子（如H H、HeHe、O O、CC）、）、分子（如分子（如H H2 2、COCO2 2、DNADNA）及原子核都具有及原子核都具有特定的能级结构特定的能级结构,因因此具有此具有“特征光谱特征光谱”.在天体物理学、化学、地学、材料科学等领域在天体物
15、理学、化学、地学、材料科学等领域,常通过光谱分析来辨认和量化物质的组分常通过光谱分析来辨认和量化物质的组分.在钢铁在钢铁和其他金属加工企业中和其他金属加工企业中,光谱分析常用于检验产品光谱分析常用于检验产品的质量的质量.光谱分析光谱分析也是了解太阳和遥远的恒星成也是了解太阳和遥远的恒星成分的唯一工具分的唯一工具.19 量子理论的最大成量子理论的最大成就之一是就之一是,为化学建立为化学建立了理论基础了理论基础.量子力学量子力学不仅解释了元素周期不仅解释了元素周期表表,而且孕育发展了化而且孕育发展了化学键理论、化学动力学键理论、化学动力学、量子化学等学科学、量子化学等学科.化学键理论的开拓者化学键
16、理论的开拓者,诺贝尔化学奖获得者诺贝尔化学奖获得者鲍林说过鲍林说过,“化学没有化学没有那一部份的基本理论那一部份的基本理论是不依赖于量子原理是不依赖于量子原理的的”.202.2.受激发射和光的放大受激发射和光的放大(激光激光)自发辐射自发辐射(亿分之一秒亿分之一秒)与受激发射与受激发射(光放大光放大)红宝石激光器红宝石激光器粒子数反转粒子数反转2122233.3.固体的能带固体的能带 物理学家原来只知道导体和绝缘体物理学家原来只知道导体和绝缘体,只是在量子理论的指引下只是在量子理论的指引下,通过对原子的能级和固体的能带进行计算和分析后才发现了半导通过对原子的能级和固体的能带进行计算和分析后才发
17、现了半导体体,随后发明了晶体管和集成电路随后发明了晶体管和集成电路,从而才能使我们的社会进入信从而才能使我们的社会进入信息化时代息化时代.24254.4.扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜(STM)STM)26“互补原理互补原理”波粒二象性波粒二象性是一个确切的是一个确切的实验事实实验事实,微观世界的微观世界的概率性、不确定性概率性、不确定性,以及微观粒子状态的分立性以及微观粒子状态的分立性等都起源于此等都起源于此.按照物理学家按照物理学家玻尔玻尔的说法的说法,波和粒子两种概念在波和粒子两种概念在描述微观现象和解释实验时都是不可缺少的描述微观现象和解释实验时都是不可缺少的,是是“互补的互补的”.他认
18、为他认为,只有将这些既排斥、又互补只有将这些既排斥、又互补的概念汇集在一起的概念汇集在一起,才能对现象作出详尽无遗的才能对现象作出详尽无遗的描述描述.他常借助如下例子说明他的观点他常借助如下例子说明他的观点:银币有正银币有正反两面反两面,在任何时刻我们只能看到其中一面在任何时刻我们只能看到其中一面,不能不能同时看到两面同时看到两面;但只有当银币的正反两面都看到但只有当银币的正反两面都看到后后,才能说我们对此银币有了较完整的认识才能说我们对此银币有了较完整的认识.物质粒子的波粒二象性物质粒子的波粒二象性;原子能级和原子能级和量子跃迁量子跃迁;量子力学的某些应用量子力学的某些应用 27四四.向更深
19、度的微观领域进军向更深度的微观领域进军 -反粒子和真空反粒子和真空1.1.反粒子反粒子相对论和量子力学相结合的产物相对论和量子力学相结合的产物ee,电子电子和和“反电子反电子”理论预言理论预言:1927 1927年年,Dirac,“Dirac,“相对论性量子力学方程相对论性量子力学方程”28实验验证实验验证 19321932年年,美国物理学家安德森将一台能捕捉微观美国物理学家安德森将一台能捕捉微观粒子径迹的仪器粒子径迹的仪器“云室云室”安置在高山上安置在高山上.当带电当带电粒子进入充满蒸气的云室中时粒子进入充满蒸气的云室中时,在它经过的路经上在它经过的路经上就会产生雾滴就会产生雾滴,并触发照相
20、机进行拍摄并触发照相机进行拍摄.29 正电子与电子一样都是稳定粒子正电子与电子一样都是稳定粒子,但是一旦正电但是一旦正电子与电子相遇子与电子相遇,就会同时凐灭就会同时凐灭,并转化为光子并转化为光子;反之反之,在一定条件下在一定条件下,光子也能将能量注入真空光子也能将能量注入真空,并从其中并从其中产生正反电子对产生正反电子对 eeee2;230反物质反物质 正电子是电子的反粒子正电子是电子的反粒子 所有的粒子都存在相应的反粒子所有的粒子都存在相应的反粒子 反质子反质子（19551955）、）、反中子反中子（19561956）,反氘核反氘核（一个反质子与一个反中子的组合）（一个反质子与一个反中子的
21、组合）反氦核反氦核（两个反质子与一个反中子的组合）（两个反质子与一个反中子的组合）“反物质反物质”-”-它们的原子由反粒子构成它们的原子由反粒子构成.?312.2.真空不空真空不空什么是真空什么是真空?日常观念日常观念:真空是一无所有的空间真空是一无所有的空间.根据由大量精确实验支持的根据由大量精确实验支持的现代物理学现代物理学理论理论:真空实际上具有非常丰富的物理内容真空实际上具有非常丰富的物理内容,甚至可以说甚至可以说,“,“真空是物理的全部真空是物理的全部”.”.32 真空并不平静真空并不平静.真空中真空中尽管不存在尽管不存在“实粒子实粒子”,”,但但仍然可能存在各种仍然可能存在各种“虚
22、粒虚粒子子”的产生、凐灭和相互的产生、凐灭和相互转化转化.在一万亿分之一米线度的真空中在一万亿分之一米线度的真空中,存在相当于存在相当于2020对正、负电子对的对正、负电子对的能量涨落能量涨落,有可能有可能“凭空凭空”产生出产生出2020对正、负电子对对正、负电子对!依此类推依此类推,在更为细微的时空尺在更为细微的时空尺度上度上,能量的涨落更大能量的涨落更大,此时还可能产生质量更大的此时还可能产生质量更大的正反粒子对正反粒子对,如虚如虚子对、虚子对、虚介子对、虚质子对介子对、虚质子对,甚至虚夸克对甚至虚夸克对(统称为统称为“虚粒子对虚粒子对”)等等等等.真空涨落真空涨落 各种粒子的确可以各种粒
23、子的确可以“从虚无中产生从虚无中产生”.”.根据海森伯的根据海森伯的“不确定性原理不确定性原理”:”:在愈细微的时空中在愈细微的时空中,能量的不确性愈大能量的不确性愈大33 以往的经典物理学所以未能揭示出真空以往的经典物理学所以未能揭示出真空的这些性质的这些性质,只是因为我们考察得不够细只是因为我们考察得不够细致致.为了揭示真空的内涵为了揭示真空的内涵,必须在更细微的必须在更细微的尺度（尺度（11GeVGeV）进行考察进行考察.34小结小结 1.1.为了更好地认识和利用宏观为了更好地认识和利用宏观,必须深入认识和把握必须深入认识和把握微观微观.2.2.微观粒子的最基本特性是微观粒子的最基本特性
24、是“波粒二象性波粒二象性”,”,这是一这是一个确切的实验事实个确切的实验事实.微观世界的概率性、量子性、不确微观世界的概率性、量子性、不确定性均起源于此定性均起源于此.3.3.在波粒二象性观念上建立的在波粒二象性观念上建立的“量子力学量子力学”是人们是人们认识微观世界的物理学认识微观世界的物理学.20.20世纪其他自然科学以及高新世纪其他自然科学以及高新科技领域的发展都是建立在这个理论基础之上的科技领域的发展都是建立在这个理论基础之上的.4.4.相对论和量子力学相结合相对论和量子力学相结合,发现了发现了“反粒子反粒子”;”;因此因此,电磁场和实物粒子电磁场和实物粒子(如电子和正电子如电子和正电子)可以互相转化可以互相转化.5.5.愈细微时空中存在着愈强烈的能量涨落愈细微时空中存在着愈强烈的能量涨落,真空不空真空不空.真空中存在各种真空中存在各种“虚粒子虚粒子”的产生、凐灭和相互转化的产生、凐灭和相互转化.35谢谢 谢谢36
