对量子力学的认识.doc

对量子力学的认识量子力学是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科,它主要研究原子、分子、凝聚态物质,以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论,它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。经典力学奠定了现代物理学的基础,但对于高速运动的物体和微观条件下的物体,牛顿定律不再适用,相对论解决了高速运动问题;量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。量子力学是一个物理学的理论框架,是对经典物理学在微观领域的一次革命。它有很多基本特征,如不确定性、量子涨落、波粒二象性等,其基本原理包括量子态的概念,运动方程、理论概念和观测物理量之间的对应规则和物理原理。量子力学的关键现象有黑体辐射、光电效应、原子结构和物质衍射,前人正是在在这些现象的基础上建立了量子力学。爱因斯坦、海森堡、玻尔、薛定谔、狄拉克等人对其理论发展做出了重要贡献。黑体是一个理想化了的物体,它可以吸收所有照射到它上面的辐射,并将这些辐射转化为热辐射,这个热辐射的光谱特征仅与该黑体的温度有关。但从经典物理学出发得出的有关二者间关系的公式(维恩公式和瑞利公式)与实验数据不符(被称作“紫外灾变”)。1900年10月,马克斯·普朗克通过插值维恩公式和瑞利公式,得出了一个于实验数据完全吻合的黑体辐射的普朗克公式。但是在诠释这个公式时,通过将物体中的原子看作微小的量子谐振子,他不得不假设这些原子谐振子的能量,不是连续的,而是离散的。1900年,普朗克在描述他的辐射能量子化的时候非常地小心,他仅假设被吸收和放射的辐射能是量子化的。今天这个新的自然常数被称为普朗克常数来纪念普朗克的贡献。1905年,阿尔伯特·爱因斯坦通过扩展普朗克的量子理论,提出不仅仅物质与电磁辐射之间的相互作用是量子化的,而且量子化是一个基本物理特性的理论。通过这个新理论,他得以解释光电效应。海因里希·鲁道夫·赫兹和菲利普·莱纳德等人的实验,发现通过光照,可以从金属中打出电子来。同时他们可以测量这些电子的动能。不论入射光的强度,只有当光的频率,超过一个临限值后,才会有电子被射出。此后被打出的电子的动能,随光的频率线性升高,而光的强度仅决定射出的电子的数量。爱因斯坦提出了光的量子理论,来解释这个现象。光的量子的能量在光电效应中被用来将金属中的电子射出和加速电子。假如光的频率太小的话,那么它无法使得电子越过逸出功,不论光强有多大。照射时间有多长,都不会发生光电效应,而入射光的频率高于极限频率时,即使光不够强,当它射到金属表面时也会观察到光电子发射。20世纪初卢瑟福模型是当时被认为正确的原子模型。这个模型假设带负电荷的电子,像行星围绕太阳运转一样,围绕带正电荷的原子核运转。在这个过程中库仑力与离心力必须平衡。但是这个模型有两个问题无法解决。首先,按照经典电磁学,这个模型不稳定。按照电磁学,电子不断地在它的运转过程中被加速,同时应该通过放射电磁波丧失其能量,这样它很快就会坠入原子核。其次原子的发射光谱,由一系列离散的发射线组成,比如氢原子的发射光谱由一个紫外线系列(来曼系)、一个可见光系列(巴耳麦系)和其它的红外线系列组成。按照经典理论原子的发射谱应该是连续的。1913年,尼尔斯·玻尔提出了以他名字命名的玻尔模型,这个模型为原子结构和光谱线,给出了一个理论原理。玻尔认为电子只能在一定能量的轨道上运转。假如一个电子,从一个能量比较高的轨道,跃到一个能量比较低