物理学史 量子力学

物理学史论文

题 目：微观物理的工具——量子力学 学生姓名：崔利芳；吴丹丽；刘雯；谭奇

学生学号：08028037；~32; ~38; ~35. 学院名称：物理科学与技术学院 专业名称：物理学（师范） 指导教师：陈皓

二零一一年五月

微观物理的工具——量子力学

崔利芳；吴丹丽；刘雯；谭奇

沈阳师范大学物理学院, 沈阳110034

【文摘】本文介绍了量子力学产生的时代背景，介绍了早期的量子论及证明量子性的早期实验和解释，阐述了量子力学的建立、发展及应用。

【关键词】量子力学； 量子论 ；发展； 应用 ；微观物理

1 引言

量子力学是描述微观世界结构、运动与变化规律的物理科学。它是20世纪人类文明发展的一个重大飞跃，量子力学的发现引发了一系列划时代的科学发现与技术发明，对人类社会的进步做出重要贡献。

2时代背景

19世纪末正当人们为经典物理取得重大成就的时候，一系列经典理论无法解释的现象一个接一个地发现了。德国物理学家维恩通过热辐射能谱的测量发现的热辐射定理。德国物理学家普朗克为了解释热辐射能谱提出了一个大胆的假设：在热辐射的产生与吸收过程中能量是以hV为最小单位，一份一份交换的。这个能量量子化的假设不仅强调了热辐射能量的不连续性，而且与辐射能量和频率无关由振幅确定的基本概念直接相矛盾，无法纳入任何一个经典范畴。当时只有少数科学家认真研究这个问题。

著名科学家爱因斯坦经过认真思考，于1905年提出了光量子说。1916年美国物 理学家密立根发表了光电效应实验结果，验证了爱因斯坦的光量子说。

3早期量子论 3.1量子假说

1900年12月14日，德国的普朗克首次提出微观粒子的能量是量子化的概念，假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式(能量子)实现的，能量子的大小同辐射频率成正比，比例常数称为普朗克常数，从而得出黑体辐射能量分布公式，成功地解释了黑体辐射现象。引入“普朗克常数”h。获1918年诺贝尔奖。

3.2光量子理论

1905年，爱因斯坦引进光量子(光子)的概念，并给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长的关系，成功地解释了光电效应。其后，他又提出固体的振动能量也是量子化的，从而解释了低温下固体比热问题。获1921年的诺贝尔奖。

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3.3原子理论

1913年，丹麦的玻尔在卢瑟福有核原子模型的基础上建立了定态跃迁原子理论模型。获1922年诺贝尔奖。玻尔在卢瑟福有核原子模型的基础上建立起原子的量子理论。按照这个理论，原子中的电子只能在分立的轨道上运动，原子具有确定的能量，它所处的这种状态叫“定态”，而且原子只有从一个定态到另一个定态，才能吸收或辐射能量。这个理论虽然有许多成功之处，但对于进一步解释实验现象还有许多困难。

3.4德布罗意波

1924年，法国的德布罗意提出“一切实物粒子也具有波粒二象性”。获1929年诺贝尔奖。在人们认识到光具有波动和微粒的二象性之后，为了解释一些经典理论无法解释的现象，法国物理学家德布罗意于1923年提出微观粒子具有波粒二象性的假说。德布罗意认为：正如光具有波粒二象性一样，实体的微粒(如电子、原子等)也具有这种性质，即既具有粒子性也具有波动性。这一假说不久就为实验所证实。

由于观粒子具有波粒二象性，微观粒子所遵循的运动规律就不同于宏观物体的运动规律，描述微观粒子运动规律的量子力学也就不同于描述宏观物体运动规律的经典力学。当粒子的大小由微观过渡到宏观时，它所遵循的规律也由量子力学过渡到经典力学

3.5 证实量子性的早期实验及解释

3.5.1 1914年弗兰克—赫兹实验证明了原子内部能级是分立 的，二人共享1925年诺贝尔奖。

3.5.2 1916年美国人密立根用实验证实了爱因斯坦方程的正 确性，获1923年诺贝尔奖。

3.5.3 1922年斯特恩—盖拉赫实验支持了玻尔的定态轨道原 子理论，并为“电子自旋”概念的提出提供了实验基础。 斯特恩获1943年诺贝尔奖。

3.5.4 1923年用康普顿用光的量子理论解释了“康普顿效应”， 获1927年诺贝尔奖。

3.5.5 1927年美国戴维逊—革末实验及英国的汤姆逊电子 衍射实验，证明了电子的波动性，戴维逊和汤姆逊 共享1937年诺贝尔奖。

4量子力学的建立与发展 4.1矩阵力学的创立

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1925年，德国海森堡（1932年诺贝尔奖）提出不确定原理：不可能同时精确地测量出粒子的动量和位置。量子理论跨越了牛顿力学中的死角，只有量子理论能处理原子和分子现象中的细节。同年，海森堡提出矩阵力学理论。

4.2波动力学的创立

1926年，奥地利物理学家薛定谔（1933年诺贝尔奖）提出量子力学的第二种形式——波动力学。在他的理论中，电子的运动状态由一个神秘的波函数来描述，它随时间的变化遵循一个连续的波动方程，即“薛定谔方程”。同年，薛定谔证明了矩阵力学和波动力学的等价性。此时，泡利也独立地发现了这种等价性。之后，狄拉克通过变换理论进一步把矩阵力学和波动力学统一起来。

4.3量子力学的发展

4.3.1 1928年，英国的狄拉克（1933年诺贝尔奖）解决了物质在高速运动时的量子理论，将量子论和相对论统一起来。

4.3.2 1930年以后，量子理论很好地解释了半导体的原理，为晶体管的出现奠定了基础。之后，量子理论在物理学、化学、半导体、微电子、芯片技术、生物学，医学等领域广泛的应用。

4.3.3 1944年，薛定谔在《生命是什么》一书中，试图把量子力学、热力学和生命科学的研究结合起来。

4.3.4 1948年，美国科学家约翰·巴丁、威兼·肖克利和瓦特·布拉顿根据量子理论发明了晶体管，共享1956年诺贝尔奖。

4.3.5量子理论提供了精确一致地解决关于原子、激光、X射线、超导性以及其他无数方面问题的能力。同时为量子医学提供了理论基础。

5人类迈入量子时代 5.1量子计算机：

是一类遵循量子力学规律进行高速数学和逻辑运算、存储及处理量子信息的物理装置。当某个装置处理和计算的是量子信息，运行的是量子算法时，它就是量子计算机。2007年2月15日，“全球第一台商用实用型量子计算机”在美国亮相。

5.2量子通信：

利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的通讯方式，是量子论和信息论相结合的新的研究领域。量子通信的神奇之处是真正做到了保密通信，其意义在于可实现无限距离完全保密通信,且可实现计算机的无限量级超级计算能力，目前中国已经率先达到应用阶段水平。 5.3量子密码术：

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是密码术与量子力学结合的产物，它并不用于传输密文，而是用于建立、传输密码本。根据量子力学的不确定性原理以及量子不可克隆定理，任何窃听者的存在都会被发现，从而保证密码本的绝对安全，也就保证了加密信息的绝对安全。 5.4其它应用：

量子力学模拟方法能预测材料中电子的行为。因此它是目前最直接最精确的用于计算材料和分子性质的理论手段。 5.5生活中的应用：

MP3、电脑、微波炉、医院的体检仪器等等。 20世纪以来，量子力学不断得到印证，也不断得到创新，相应理论似乎都对，但是也都不完善。它的历史本身就是一部争议不断的历史，也是一部人类目前受用最广泛的学科。

小结

到现在量子力学理论已经相当丰富，然而完善工作还在由世界各地的理论物理学家们继续进行着。在将来，或许会有更好的理论代替量子理论，这需要我们以后的理论工作进一步辛勤无私的奉献。

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