量子力學(xué)課程教學(xué)大綱

1、量子力學(xué)課程教學(xué)大綱、課程說明（一）課程名稱、所屬專業(yè)、課程性質(zhì)、學(xué)分；課程名稱：量子力學(xué)所屬專業(yè)：物理學(xué)專業(yè)課程性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課學(xué)分：4（二）課程簡介、目標(biāo)與任務(wù)；課程簡介：量子理論是20世紀(jì)物理學(xué)取得的兩個(gè)（相對論和量子理論）最偉大的 進(jìn)展之一，以研究微觀物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律為基本出發(fā)點(diǎn)建立的量子理論開辟了人 類認(rèn)識(shí)客觀世界運(yùn)動(dòng)規(guī)律的新途徑，開創(chuàng)了物理學(xué)的新時(shí)代。本課程著重介紹量子力學(xué)（非相對論）的基本概念、基本原理和基 本方法。課程分為兩大部分：第一部分主要是講述量子力學(xué)的基本原理（公 設(shè)）及表述形式。在此基礎(chǔ)上，逐步深入地讓學(xué)生認(rèn)識(shí)表述原理的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu), 如薛定川波動(dòng)力學(xué)、海森堡矩陣力學(xué)以及抽象

2、表述的希爾伯特空間的代數(shù)結(jié) 構(gòu)。本部分的主要內(nèi)容包括：量子狀態(tài)的描述、力學(xué)量的算符、量子力學(xué)中 的測量、運(yùn)動(dòng)方程和守恒律、量子力學(xué)的表述形式、多粒子體系的全同性原 理。第二部分主要是講述量子力學(xué)的基本方法及其應(yīng)用。在分析清楚各類基 本應(yīng)用問題的物理內(nèi)容基礎(chǔ)上，掌握量子力學(xué)對一些基本問題的處理方法。 本篇主要內(nèi)容包括：一維定態(tài)問題、氫原子問題、微擾方法對外場中的定態(tài) 問題和量子躍遷的處理以及彈性散射問題。課程目標(biāo)與任務(wù)：1 .掌握微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律、量子力學(xué)的基本假設(shè)、基本原理和基本方 法。2 .掌握量子力學(xué)的基本近似方法及其對相關(guān)物理問題的處理。3 . 了解量子力學(xué)所揭示的互補(bǔ)性認(rèn)識(shí)論及其對人類

3、認(rèn)識(shí)論的貢獻(xiàn)。（三）先修課程要求，與先修課與后續(xù)相關(guān)課程之間的邏輯關(guān)系和內(nèi)容銜接;本課程需要學(xué)生先修電磁學(xué)、光學(xué)、原子物理、數(shù)學(xué)物理方法 和線性代數(shù)等課程。電磁學(xué)和光學(xué)中的麥克斯韋理論最終統(tǒng)一 了光學(xué)和電磁學(xué)；揭示了任意溫度物體都向外輻射電磁波的機(jī)制，它是 19 世紀(jì)末人們研究黑體輻射的基本出發(fā)點(diǎn)，對理解本課程中的黑體輻射實(shí)驗(yàn)及紫外災(zāi)難由于一定的幫助。原子物理中所學(xué)習(xí)的關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的經(jīng)典與 半經(jīng)典理論及其解釋相關(guān)實(shí)驗(yàn)的困難是導(dǎo)致量子力學(xué)發(fā)展的主要?jiǎng)訖C(jī)之一。數(shù)學(xué)物理方法中所學(xué)習(xí)的復(fù)變函數(shù)論和微分方程的解法都在量子力學(xué)中 有廣泛的應(yīng)用。線性代數(shù)中的線性空間結(jié)構(gòu)的概念是量子力學(xué)希爾伯特 空間的理論基

4、礎(chǔ)，對理解本課程中的矩陣力學(xué)和表象變換都很有助益。（四）教材與主要參考書。1 錢伯初，理論力學(xué)教程，高等教育出版社；（教材）2 蘇汝鏗，量子力學(xué)，高等教育出版社；3 L. D. Landau and E. M. Lifshitz, Non-relativistic Quantum Mechanics;4 P. A. M. Dirac, The Principles of Quantum Mechanics, Oxford University Press 1958;二、課程內(nèi)容與安排第一章微觀粒子狀態(tài)的描述第一節(jié)光的波粒二象性第二節(jié)原子結(jié)構(gòu)的玻爾理論第三節(jié)微觀粒子的波粒二象性第四節(jié)量子力學(xué)的第

5、一公設(shè)：波函數(shù)5 教學(xué)方法與學(xué)時(shí)分配：課堂講授；6學(xué)時(shí)（二）內(nèi)容及基本要求主要內(nèi)容：主要介紹量子力學(xué)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)、研究對象和微觀粒子的基本特性及其狀 態(tài)描述?！局攸c(diǎn)掌握】：1 .量子力學(xué)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)：黑體輻射；光電效應(yīng)；康普頓散射實(shí)驗(yàn)；電子晶體衍射 實(shí)驗(yàn)；2 .微觀粒子的波粒二象性；3 .微觀粒子狀態(tài)的波函數(shù)描述?！玖私狻浚? .單電子單縫衍射實(shí)驗(yàn)和雙縫干涉實(shí)驗(yàn)；2 .玻爾互補(bǔ)原理?！倦y點(diǎn)】：1 .對微觀粒子的波粒二象性的理解；2 .對微觀粒子狀態(tài)的波函數(shù)描述及其幾率解釋的理解。第二章量子力學(xué)中的力學(xué)量第一節(jié)量子力學(xué)的第二公設(shè)：算符第二節(jié)量子力學(xué)的第三公設(shè)：測量 算符的本征值和本征函數(shù)第三節(jié)力學(xué)量

6、完全集算符的對易關(guān)系第四節(jié)海森堡不確定關(guān)系（一）教學(xué)方法與學(xué)時(shí)分配：課堂講授；8學(xué)時(shí)（二）內(nèi)容及基本要求主要內(nèi)容：主要介紹微觀粒子力學(xué)量的算符描述方法及其性質(zhì)；介紹量子系統(tǒng)的測 量結(jié)果及其不確定性?！局攸c(diǎn)掌握】：1 .算符表示力學(xué)量的線性性和厄米性；2 .算符本征值和本征態(tài)及其性質(zhì)；3 .量子系統(tǒng)的測量結(jié)果；4 .海森堡不確定關(guān)系?！菊莆铡浚? .如何求任意算符的本征解；2 .如何利用不確定關(guān)系估算量子系統(tǒng)基態(tài)能。【難點(diǎn)】：1 .厄密算符本征函數(shù)的正交性和完備性；2 .量子系統(tǒng)測量結(jié)果及其所伴隨的波包塌縮；3 .量子力學(xué)中的不確定關(guān)系及其物理意義和物理后果。第三章量子力學(xué)的動(dòng)力學(xué)和守恒量第一節(jié)

7、量子力學(xué)的第四公設(shè)：薛定詩方程第二節(jié) 力學(xué)量平均值隨時(shí)間的演化守恒量第三節(jié) 一維定態(tài)問題：無限深勢阱；有限深勢阱；瀏阱；一維諧振子;勢壘貫穿和掃描隧道顯微鏡（一）教學(xué)方法與學(xué)時(shí)分配：課堂講授；10學(xué)時(shí)（二）內(nèi)容及基本要求主要內(nèi)容：主要講授量子力學(xué)的動(dòng)力學(xué)演化方程 -薛定詩方程及其求解；講授定態(tài) 薛定詩方程及其典型的一維問題求法?！局攸c(diǎn)掌握】：1 .量子力學(xué)的動(dòng)力學(xué)演化：薛定詩方程及其求解方法；2 .幾類典型一維定態(tài)薛定諸方程的求法；【一般了解】：1 .理解守恒量和對稱性的關(guān)系；2 .無限深勢阱的應(yīng)用：量子點(diǎn)；3 .勢壘貫穿的應(yīng)用：掃描隧道顯微鏡及其發(fā)展【難點(diǎn)】：定態(tài)薛定詩方程和時(shí)間相關(guān)薛定諸方

8、程的求法。第四章 三維定態(tài)問題：氫原子和類氫原子第一節(jié) 中心力場的一般分析第二節(jié)自由粒子球面波解第三節(jié)氫原子定態(tài)能級(jí) 第四節(jié) 堿金屬原子能級(jí)（一）教學(xué)方法與學(xué)時(shí)分配：課堂講授；8學(xué)時(shí)（二）內(nèi)容及基本要求主要內(nèi)容：主要介紹三維定態(tài)薛定諸方程的球坐標(biāo)求法；介紹氫原子和堿金屬原子 能級(jí)結(jié)構(gòu)特征及其不同?！局攸c(diǎn)掌握】：氫原子能級(jí)結(jié)構(gòu)?！菊莆铡浚簤A金屬原子能級(jí)結(jié)構(gòu)中的量子數(shù)虧損?！倦y點(diǎn)】：氫原子能級(jí)結(jié)構(gòu)、其簡并度及其與玻爾氫原子模型的對比。第五章量子力學(xué)的表述形式第一節(jié)希爾伯特空間第二節(jié)態(tài)矢和算符第三節(jié)表象和表象變換第四節(jié) 幾種常見的表象：坐標(biāo)表象；動(dòng)量表象；能量表象；角動(dòng)量表象第五節(jié) 量子力學(xué)中的繪景

9、：薛定詩繪景；海森堡繪景（一）教學(xué)方法與學(xué)時(shí)分配：課堂講授；10學(xué)時(shí)（二）內(nèi)容及基本要求主要內(nèi)容：主要介紹量子力學(xué)的抽象表述：希爾伯特空間、態(tài)矢和算符；介紹量子 力學(xué)的表象理論及其表象變換；介紹幾類典型的表象?！局攸c(diǎn)掌握】：1 .希爾伯特空間和態(tài)矢；2 .表象和表象變換、能量表象和角動(dòng)量表象?！菊莆铡浚毫孔恿W(xué)中的繪景及其物理等價(jià)性?！玖私狻浚鹤鴺?biāo)表象和動(dòng)量表象及其聯(lián)系?！倦y點(diǎn)】：1 .表象的物理意義；表象變換的物理目的；不同表象所反映出來的同一態(tài)矢的物 理相關(guān)性。2.利用能量表象和角動(dòng)量表象對具體問題進(jìn)行處理的方法。第六章量子力學(xué)的近似方法第一節(jié)定態(tài)微擾方法第二節(jié)變分法第三節(jié)WKB方法（一）

10、教學(xué)方法與學(xué)時(shí)分配：課堂講授；6學(xué)時(shí)（二）內(nèi)容及基本要求主要內(nèi)容：主要介紹定態(tài)微擾方法和變分法及其應(yīng)用。【重點(diǎn)掌握】：定態(tài)微擾方法對量子力學(xué)問題的求解。【一般了解】：變分法和WKEBT法對相關(guān)量子力學(xué)問題的求解。【難點(diǎn)】：理解量子力學(xué)的不可解問題及其近似方法；理解微擾近似方法的基本原 理和物理思想。第七章自旋第一節(jié)電子自旋第二節(jié)電子的總角動(dòng)量第三節(jié)原子的精細(xì)結(jié)構(gòu)：L-S耦合第四節(jié) 帶電粒子在電磁場中的運(yùn)動(dòng)：正常塞曼效應(yīng)；反常塞曼效應(yīng)；朗 道能級(jí)和量子霍爾效應(yīng)（一）教學(xué)方法與學(xué)時(shí)分配：課堂講授；10學(xué)時(shí)（二）內(nèi)容及基本要求主要內(nèi)容：主要介紹電子自旋及其所導(dǎo)致的堿金屬原子的精細(xì)結(jié)構(gòu)；介紹帶點(diǎn)粒子

11、在電磁場中運(yùn)動(dòng)的哈密頓量以及磁場導(dǎo)致的原子能級(jí)劈裂（塞曼效應(yīng)）?！局攸c(diǎn)掌握】：掌握電子的自旋的發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)和理論描述；掌握自旋軌道耦合導(dǎo)致的 原子能級(jí)的精細(xì)結(jié)構(gòu)；掌握磁場導(dǎo)致的原子能級(jí)劈裂的塞曼效應(yīng)； 掌握角動(dòng)量耦合規(guī)則【一般了解】：了解量子霍爾效應(yīng)及其最新進(jìn)展。【難點(diǎn)】：掌握微擾法對原子能級(jí)劈裂（精細(xì)結(jié)構(gòu)和塞曼效應(yīng)）的計(jì)算方法；掌握 自旋軌道耦合導(dǎo)致的原子能級(jí)劈裂的物理機(jī)制；掌握正常塞曼效應(yīng)和反常塞曼效應(yīng)能級(jí)分裂的特征第八章散射第一節(jié) 散射問題的一般描述第二節(jié)分波法第三節(jié)玻恩近似（一）教學(xué)方法與學(xué)時(shí)分配：課堂講授；4學(xué)時(shí)（二）內(nèi)容及基本要求主要內(nèi)容：簡要介紹散射問題的一般描述；介紹基于玻恩近似的

12、分波法對散射問題 的描述?！菊莆铡浚荷⑸鋯栴}的微觀描述?！倦y點(diǎn)】：分波法對平面波的球面波展開。第九章量子躍遷第一節(jié)含時(shí)微擾方法第二節(jié)周期性外場引起的量子躍遷第三節(jié)光的輻射和吸收第四節(jié)激光原理（一）教學(xué)方法與學(xué)時(shí)分配：課堂講授；6學(xué)時(shí)（二）內(nèi)容及基本要求主要內(nèi)容：主要介紹含時(shí)微擾方法及其對原子躍遷的處理；介紹原子躍遷選擇定則 的量子力學(xué)基礎(chǔ)?！局攸c(diǎn)掌握】：含時(shí)微擾方法和原子躍遷的選擇定則?！倦y點(diǎn)】：含時(shí)微擾方法對原子受激輻射的處理。第十章多粒子體系的全同性原理第一節(jié)量子力學(xué)的第五共設(shè)：全同性原理第二節(jié)玻色子系統(tǒng)波函數(shù)的對稱化 第三節(jié)費(fèi)米子系統(tǒng)波函數(shù)的反對稱化（一）教學(xué)方法與學(xué)時(shí)分配：課堂講授；4學(xué)時(shí)（二）內(nèi)容及基本要求主要內(nèi)容：主要介紹量子