現(xiàn)代科學(xué)基礎(chǔ)

1、19世紀(jì)末的世紀(jì)末的“三大發(fā)現(xiàn)三大發(fā)現(xiàn)”把人們的視野引向微觀領(lǐng)域。把人們的視野引向微觀領(lǐng)域。X 射線射線冷卻液冷卻液金屬靶金屬靶克魯斯克管克魯斯克管X射線裝置射線裝置倫琴夫人手指骨的倫琴夫人手指骨的X射線照片射線照片倫琴用它拍出了一張肉淡骨濃的手倫琴用它拍出了一張肉淡骨濃的手掌照片，有人用它鑒別古畫(huà)，一時(shí)掌照片，有人用它鑒別古畫(huà)，一時(shí)引起轟動(dòng)，倫琴將這具有非凡魅力引起轟動(dòng)，倫琴將這具有非凡魅力的射線命名為的射線命名為“X”射線。射線?，旣惉旣?居里居里 皮埃爾皮埃爾.居里居里 (18671934) (18591906) 波蘭裔物理學(xué)家波蘭裔物理學(xué)家 法國(guó)物理家法國(guó)物理家貝克勒爾貝克勒爾(185

2、21908) 法國(guó)物理學(xué)家法國(guó)物理學(xué)家Special Relativity研究研究 : 慣性系中物理規(guī)律及其變換慣性系中物理規(guī)律及其變換揭示揭示 : 時(shí)間、空間和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系時(shí)間、空間和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系一個(gè)參考系的描述一個(gè)參考系的描述 另一參考系的描述另一參考系的描述 變換變換或操作或操作伽利略對(duì)勻速直線運(yùn)動(dòng)船艙內(nèi)現(xiàn)象描述伽利略對(duì)勻速直線運(yùn)動(dòng)船艙內(nèi)現(xiàn)象描述問(wèn)題：?jiǎn)栴}：在不同的參在不同的參照系下看現(xiàn)照系下看現(xiàn)象不同，如象不同，如何了解自己何了解自己自身以外的自身以外的參照系下別參照系下別人對(duì)事物看人對(duì)事物看到的現(xiàn)象呢？到的現(xiàn)象呢？伽利略變換伽利略變換Galilean transformation伽利略坐

3、標(biāo)伽利略坐標(biāo)變換：變換：ttzzyyutxxzzyyxxvvvvuvv伽利略速度伽利略速度變換：變換：OOxyzxyzuutSS加速度變換為：加速度變換為：aa amFamF 伽利略變換伽利略變換不同慣性系中的觀察者所觀測(cè)到的具體力學(xué)現(xiàn)象可以不同，但所觀不同慣性系中的觀察者所觀測(cè)到的具體力學(xué)現(xiàn)象可以不同，但所觀測(cè)到的力學(xué)規(guī)律相同。測(cè)到的力學(xué)規(guī)律相同。伽利略變換中我們默認(rèn)了伽利略變換中我們默認(rèn)了絕對(duì)時(shí)間：絕對(duì)時(shí)間：絕對(duì)的、真正的和數(shù)學(xué)的時(shí)間自身在絕對(duì)的、真正的和數(shù)學(xué)的時(shí)間自身在流逝著，而且，其本性在均勻地、與任何其它外界流逝著，而且，其本性在均勻地、與任何其它外界事物無(wú)關(guān)地流逝著。事物無(wú)關(guān)地流逝

4、著。 牛頓牛頓時(shí)間先于運(yùn)動(dòng)存在。沒(méi)有時(shí)間，無(wú)法描述運(yùn)動(dòng)；而沒(méi)有物質(zhì)時(shí)間先于運(yùn)動(dòng)存在。沒(méi)有時(shí)間，無(wú)法描述運(yùn)動(dòng)；而沒(méi)有物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，時(shí)間照樣存在和流逝。運(yùn)動(dòng)，時(shí)間照樣存在和流逝。絕對(duì)空間：絕對(duì)空間：就其本質(zhì)而言，是與任何外界事物無(wú)關(guān)就其本質(zhì)而言，是與任何外界事物無(wú)關(guān)的，而且是永遠(yuǎn)相同和不動(dòng)的。的，而且是永遠(yuǎn)相同和不動(dòng)的。 牛頓牛頓空間先于運(yùn)動(dòng)存在，是盛放物質(zhì)的容器和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的舞臺(tái)。空間先于運(yùn)動(dòng)存在，是盛放物質(zhì)的容器和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的舞臺(tái)。：測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體長(zhǎng)度時(shí)，兩端坐標(biāo)必須同時(shí)記錄。測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體長(zhǎng)度時(shí)，兩端坐標(biāo)必須同時(shí)記錄。 因速度因速度 與參考系有關(guān)，所以經(jīng)伽利略變換后洛侖與參考系有關(guān)，所以經(jīng)伽利略變換后洛

5、侖茲力將發(fā)生變化，茲力將發(fā)生變化，經(jīng)典電磁定律不具有伽利略變換的經(jīng)典電磁定律不具有伽利略變換的不變性。不變性。v1. 伽利略變換不是經(jīng)典電磁定律的對(duì)稱操作伽利略變換不是經(jīng)典電磁定律的對(duì)稱操作帶電粒子受力：帶電粒子受力：BvqEqF洛侖茲力洛侖茲力電場(chǎng)力電場(chǎng)力sinqvBF 洛侖茲力：洛侖茲力：垂直于垂直于 決定的平面決定的平面vB,19世紀(jì)末電磁學(xué)有了很大發(fā)展世紀(jì)末電磁學(xué)有了很大發(fā)展1865年麥克斯韋年麥克斯韋( Maxwell)總結(jié)出電磁場(chǎng)方程組總結(jié)出電磁場(chǎng)方程組;預(yù)預(yù)言了電磁波的存在言了電磁波的存在, 并算出它等于光速并算出它等于光速; 這就意味著這就意味著電磁光本質(zhì)的統(tǒng)一。電磁光本質(zhì)的統(tǒng)

6、一。1888年赫茲年赫茲(Hertz)在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了電磁波的存在。在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了電磁波的存在。由麥克斯韋電磁理論由麥克斯韋電磁理論與參考系選擇無(wú)關(guān)與參考系選擇無(wú)關(guān)一個(gè)速度怎能與參考系選擇無(wú)關(guān)呢？一個(gè)速度怎能與參考系選擇無(wú)關(guān)呢？C究竟是指對(duì)究竟是指對(duì)誰(shuí)的速度？讓科學(xué)家大傷腦筋。誰(shuí)的速度？讓科學(xué)家大傷腦筋。 邁克耳孫邁克耳孫（1852 1931年）美國(guó)年）美國(guó)物理學(xué)家。主要從事物理學(xué)家。主要從事光學(xué)和光譜學(xué)光學(xué)和光譜學(xué)方面方面和氣象學(xué)方面的研究，獲得了和氣象學(xué)方面的研究，獲得了1907年的年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。 1887年他與莫雷合作，進(jìn)行了著名年他與莫雷合作，進(jìn)行了著名的的邁克

7、耳孫邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)?zāi)讓?shí)驗(yàn)，這是一個(gè)最重，這是一個(gè)最重大的否定性實(shí)驗(yàn)，它動(dòng)搖了經(jīng)典物理學(xué)大的否定性實(shí)驗(yàn)，它動(dòng)搖了經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)。的基礎(chǔ)。 莫雷莫雷1L2Lu以太風(fēng)以太風(fēng)沿地球公轉(zhuǎn)方向沿地球公轉(zhuǎn)方向L L1 1=L=L2 2=11m,=11m,裝置浮于水銀面裝置浮于水銀面實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)?zāi)康模簷z測(cè)地球：檢測(cè)地球相對(duì)以太運(yùn)動(dòng)速度。相對(duì)以太運(yùn)動(dòng)速度。牽連牽連相對(duì)相對(duì)絕對(duì)絕對(duì)vvv光線光線1、2相遇，出現(xiàn)因地相遇，出現(xiàn)因地球相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的干涉條球相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的干涉條紋。紋。 將裝置轉(zhuǎn)動(dòng)將裝置轉(zhuǎn)動(dòng)90度，通度，通過(guò)計(jì)算，干涉條紋應(yīng)過(guò)計(jì)算，干涉條紋應(yīng) 移動(dòng)移動(dòng)大約大約0.37條。條。但反復(fù)實(shí)驗(yàn)，卻得到意

8、但反復(fù)實(shí)驗(yàn)，卻得到意想不到的想不到的 “零結(jié)果零結(jié)果”。由此，愛(ài)因斯坦懷疑伽由此，愛(ài)因斯坦懷疑伽俐略變換有錯(cuò)，且沒(méi)有俐略變換有錯(cuò)，且沒(méi)有以太，這種奇怪介質(zhì)。以太，這種奇怪介質(zhì)。根據(jù)根據(jù)光既然是波，就光既然是波，就應(yīng)該在某介質(zhì)中應(yīng)該在某介質(zhì)中傳播，這介質(zhì)稱傳播，這介質(zhì)稱為為以太。以太。邁克耳遜邁克耳遜莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果震撼整個(gè)物理界，按照菲涅耳莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果震撼整個(gè)物理界，按照菲涅耳的靜止以太說(shuō)，地球上應(yīng)存在至少每秒三十公里的以太流。的靜止以太說(shuō)，地球上應(yīng)存在至少每秒三十公里的以太流。人們還不敢放棄以太概念。開(kāi)始對(duì)此努力解釋。人們還不敢放棄以太概念。開(kāi)始對(duì)此努力解釋。1889年愛(ài)爾蘭物理學(xué)家年愛(ài)

9、爾蘭物理學(xué)家斐茲杰諾斐茲杰諾提出，運(yùn)動(dòng)的物體可能因?yàn)樘岢?，運(yùn)動(dòng)的物體可能因?yàn)橐蕴L(fēng)壓縮而變短。以太風(fēng)壓縮而變短。1892年年11月荷蘭月荷蘭洛倫茲洛倫茲也獨(dú)立地提出收縮假說(shuō)。也獨(dú)立地提出收縮假說(shuō)。1895年，洛倫年，洛倫茲提出一個(gè)坐標(biāo)變換，并導(dǎo)出了電磁理論在該變換下不變。茲提出一個(gè)坐標(biāo)變換，并導(dǎo)出了電磁理論在該變換下不變。彭加勒彭加勒最早敏銳地覺(jué)察到物理學(xué)的危機(jī)。熱情地接受了洛倫最早敏銳地覺(jué)察到物理學(xué)的危機(jī)。熱情地接受了洛倫茲的理論從數(shù)學(xué)上給洛倫茲理論以更為簡(jiǎn)潔的形式。把洛倫茲的理論從數(shù)學(xué)上給洛倫茲理論以更為簡(jiǎn)潔的形式。把洛倫茲的坐標(biāo)與時(shí)間變換式命名為茲的坐標(biāo)與時(shí)間變換式命名為洛倫茲變換洛倫茲

10、變換，并指出光具有不，并指出光具有不變的速度。否定絕對(duì)時(shí)空。到變的速度。否定絕對(duì)時(shí)空。到1900年，彭加勒手頭已經(jīng)具備年，彭加勒手頭已經(jīng)具備了建造相對(duì)論的所有必需的材料。了建造相對(duì)論的所有必需的材料。提出提出”思維經(jīng)濟(jì)思維經(jīng)濟(jì)”提出提出”洛侖茲變換洛侖茲變換”19世紀(jì)末最偉世紀(jì)末最偉大的科學(xué)家大的科學(xué)家物理定律在所有的慣性系中都是相同的，即所有慣物理定律在所有的慣性系中都是相同的，即所有慣性系對(duì)運(yùn)動(dòng)的描述都是等效的。性系對(duì)運(yùn)動(dòng)的描述都是等效的。注：該原理既具有對(duì)稱性美學(xué)價(jià)值，平權(quán)意識(shí)，又具有經(jīng)濟(jì)注：該原理既具有對(duì)稱性美學(xué)價(jià)值，平權(quán)意識(shí)，又具有經(jīng)濟(jì)思維的特點(diǎn)。后者是說(shuō)在不同的參照系中，現(xiàn)象可有多

11、種不思維的特點(diǎn)。后者是說(shuō)在不同的參照系中，現(xiàn)象可有多種不同而一般規(guī)律不變，以不變應(yīng)萬(wàn)變。同而一般規(guī)律不變，以不變應(yīng)萬(wàn)變。注：這有可靠的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。光速不變是邁克爾孫的最好解釋。注：這有可靠的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。光速不變是邁克爾孫的最好解釋。真空中的光速是常量，它與光源或觀察者的的運(yùn)動(dòng)狀真空中的光速是常量，它與光源或觀察者的的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)，即不依賴于慣性系的選擇。態(tài)無(wú)關(guān)，即不依賴于慣性系的選擇。討論一個(gè)從討論一個(gè)從t=0 x=0發(fā)出的光發(fā)出的光子在子在系和系和系（在系（在t=0時(shí)時(shí)系與系與系重合，系重合，以以V沿沿X軸方軸方向運(yùn)動(dòng)。）中向運(yùn)動(dòng)。）中的情況，根據(jù)：的情況，根據(jù)：1、時(shí)空均勻性時(shí)空均勻性： x=

12、(x+vt) 2、相對(duì)性原理相對(duì)性原理： x=(x-vt)3、光速不變?cè)砉馑俨蛔冊(cè)恚簒=ct x=ct2211cvyOxPSvOySxzZ xcvttzzyyvtxx2 xcvttzzyyt vxx2 211 cv 2、說(shuō)明、說(shuō)明將正變換中的速度反號(hào)，并將帶撇的與將正變換中的速度反號(hào)，并將帶撇的與不帶撇的量相互交換，即得到逆變換；不帶撇的量相互交換，即得到逆變換；當(dāng)當(dāng)vc 時(shí)，時(shí)， 0，洛侖茲變換，洛侖茲變換伽利伽利略變換式；略變換式； =v/c 1，所以，所以v1當(dāng)當(dāng)很大時(shí)，因很大時(shí)，因ex1+x 則則 維恩公式維恩公式瑞利瑞利-瓊斯公式瓊斯公式普朗克能量子假說(shuō)普朗克能量子假說(shuō) 輻射物體

13、中包含大量諧振子其的能量可取值只輻射物體中包含大量諧振子其的能量可取值只能是某一最小能量單元能是某一最小能量單元 的整數(shù)倍，即：的整數(shù)倍，即：E=n , n=1,2,3,.叫能量子，叫能量子，n為量子數(shù)。為量子數(shù)。頻率為頻率為n n 的諧振子，最小能量為：的諧振子，最小能量為：其中其中h=6.626 10-34 Js為為普郎克常數(shù)普郎克常數(shù)振子只能一份一份地按不連續(xù)方式輻射或吸收能量。振子只能一份一份地按不連續(xù)方式輻射或吸收能量。 普朗克假說(shuō)不僅圓滿地解釋了絕對(duì)黑體的輻射普朗克假說(shuō)不僅圓滿地解釋了絕對(duì)黑體的輻射問(wèn)題，還解釋了固體的比熱問(wèn)題等等。它成為現(xiàn)代問(wèn)題，還解釋了固體的比熱問(wèn)題等等。它成為

14、現(xiàn)代理論的重要組成部分。理論的重要組成部分。=hn n實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)裝置UGKA 當(dāng)光照射到金屬表面當(dāng)光照射到金屬表面時(shí)，金屬中有電子逸出的時(shí)，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象叫現(xiàn)象叫光電效應(yīng)。光電效應(yīng)。為了解釋為了解釋光電效應(yīng)，愛(ài)因斯光電效應(yīng)，愛(ài)因斯坦把坦把光束又看成是由微粒構(gòu)成光束又看成是由微粒構(gòu)成的粒子流，這些粒子流叫做的粒子流，這些粒子流叫做光光量子量子，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱光子光子。在真空中，。在真空中，光子以光速光子以光速c 運(yùn)動(dòng)。一個(gè)頻率運(yùn)動(dòng)。一個(gè)頻率為為n的光子具有能量的光子具有能量=hvWmvh 221n n愛(ài)因斯坦方程愛(ài)因斯坦方程光子能量光子能量電子逸出后最大動(dòng)能電子逸出后最大動(dòng)能電子逸出功電子

15、逸出功hp 密立根密立根1916年的實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了光子論的正確性，并求得年的實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了光子論的正確性，并求得 h=6.57 10-34 焦耳焦耳秒。光的波動(dòng)性（秒。光的波動(dòng)性（p） 和粒子性（和粒子性（ ） 是通過(guò)普朗克常數(shù)聯(lián)系在一起的。是通過(guò)普朗克常數(shù)聯(lián)系在一起的。2mchnchchmn2光子的靜止光子的靜止質(zhì)量為零。質(zhì)量為零。mcp 光既具有粒子性，又具有波動(dòng)性，即具有波粒二象性光既具有粒子性，又具有波動(dòng)性，即具有波粒二象性康普頓（康普頓（18921962）從）從1918年年起做起做X射線散射實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)散射射線散射實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)散射光波長(zhǎng)變長(zhǎng)。證明了光子不僅有光波長(zhǎng)變長(zhǎng)。證明了光子不僅有能量而

16、且有動(dòng)量，并且光子與微能量而且有動(dòng)量，并且光子與微觀粒子的作用服從能量守恒和動(dòng)觀粒子的作用服從能量守恒和動(dòng)量守恒定律。實(shí)驗(yàn)的具體操作主量守恒定律。實(shí)驗(yàn)的具體操作主要是他的助手吳有訓(xùn)完成的。要是他的助手吳有訓(xùn)完成的。光子n0電子碰撞前光子n）電子碰撞后原子結(jié)構(gòu)探索原子結(jié)構(gòu)探索1897年，年，J.J.湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子，從而提湯姆孫發(fā)現(xiàn)了電子，從而提出出原子中的正電荷和原子質(zhì)量均勻地分布原子中的正電荷和原子質(zhì)量均勻地分布在半徑為在半徑為1010- -1010mm的球體內(nèi)，的球體內(nèi)，電子浸于此球電子浸于此球體中，即體中，即“ “葡萄干蛋糕模型葡萄干蛋糕模型” ”。盧瑟福用懷疑這樣的模型，因此做了盧瑟福

17、用懷疑這樣的模型，因此做了粒子散射實(shí)驗(yàn)。粒子散射實(shí)驗(yàn)。盧瑟福的核式模型或稱盧瑟福的核式模型或稱行行星模型星模型,該模型可以該模型可以解釋解釋粒子的大角度散射問(wèn)題。粒子的大角度散射問(wèn)題。 但這樣的模型也是有問(wèn)題的?？傻@樣的模型也是有問(wèn)題的?？梢园央娮訄A周運(yùn)動(dòng)可看成是垂直方向以把電子圓周運(yùn)動(dòng)可看成是垂直方向振動(dòng)的合成。偶極振蕩要輻射電磁波振動(dòng)的合成。偶極振蕩要輻射電磁波，能量會(huì)逐漸減少，導(dǎo)致電子會(huì)落到，能量會(huì)逐漸減少，導(dǎo)致電子會(huì)落到原子核上。原子核上。 另外，偶極輻射電磁波，應(yīng)為連續(xù)光譜。但實(shí)際另外，偶極輻射電磁波，應(yīng)為連續(xù)光譜。但實(shí)際原子光譜是不連續(xù)的線光譜。原子光譜是不連續(xù)的線光譜。（Nie

18、ls henrik David Bohr，1885-1962） 在在1913年發(fā)表了年發(fā)表了論原子結(jié)構(gòu)與論原子結(jié)構(gòu)與分子結(jié)構(gòu)分子結(jié)構(gòu)等三篇論文，提出了在盧等三篇論文，提出了在盧瑟福原子有核模型基礎(chǔ)上的關(guān)于原子瑟福原子有核模型基礎(chǔ)上的關(guān)于原子穩(wěn)定性和量子躍遷的三條假設(shè)，從而穩(wěn)定性和量子躍遷的三條假設(shè)，從而圓滿地解釋了氫原子的光譜規(guī)律。玻圓滿地解釋了氫原子的光譜規(guī)律。玻爾的成功，使量子理論取得重大發(fā)展，爾的成功，使量子理論取得重大發(fā)展，推動(dòng)了量子物理的形成，具有劃時(shí)代推動(dòng)了量子物理的形成，具有劃時(shí)代的意義。玻爾于的意義。玻爾于1922年年12月月10日諾貝日諾貝爾誕生爾誕生100周年之際，在瑞典首

19、都接周年之際，在瑞典首都接受了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。受了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。定態(tài)假說(shuō)：定態(tài)假說(shuō)：電子在原子中，可以在一些特電子在原子中，可以在一些特定的圓軌道上運(yùn)動(dòng)，而不輻射電磁波，這定的圓軌道上運(yùn)動(dòng)，而不輻射電磁波，這時(shí)原子處于穩(wěn)定狀態(tài)（定態(tài)）并具有一定時(shí)原子處于穩(wěn)定狀態(tài)（定態(tài)）并具有一定的能量。的能量。其中其中n=1,2,3,.稱為主量子數(shù)稱為主量子數(shù)nhnmrvL 2量子化條件：量子化條件：電子以速度電子以速度v在半徑為在半徑為r的的圓周上繞核運(yùn)動(dòng)時(shí)，只的電子角動(dòng)量圓周上繞核運(yùn)動(dòng)時(shí)，只的電子角動(dòng)量L等等于于h/(2 )的整數(shù)倍的那些軌道才是穩(wěn)定的整數(shù)倍的那些軌道才是穩(wěn)定的的躍遷假設(shè)

20、：躍遷假設(shè)：當(dāng)原子從從高能量當(dāng)原子從從高能量Ei的軌道躍遷到低能量的軌道躍遷到低能量Ef的的軌道上時(shí)，要發(fā)射能量為軌道上時(shí)，要發(fā)射能量為hn n 的光子：的光子：fiEEh n nn=1r =r1n=2r =4r1n=3r =9r1n=4r =16r16 54布喇開(kāi)系布喇開(kāi)系賴曼系賴曼系巴耳末系巴耳末系帕邢系帕邢系321氫原子的光譜圖氫原子的光譜圖2220402218421nhmeremvEnnn fiEEh n nfiifnnnnhme 118222204 n nn=1r =r1n=2r =4r1n=3r =9r1n=4r =16r1玻爾理論不能解釋復(fù)雜原子玻爾理論不能解釋復(fù)雜原子光譜，可見(jiàn)

21、原子理論與經(jīng)典光譜，可見(jiàn)原子理論與經(jīng)典理論還有更大不同理論還有更大不同 德布羅意原來(lái)學(xué)習(xí)歷史，后來(lái)德布羅意原來(lái)學(xué)習(xí)歷史，后來(lái)改學(xué)理論物理學(xué)。他善于用歷史的改學(xué)理論物理學(xué)。他善于用歷史的觀點(diǎn)，用對(duì)比的方法分析問(wèn)題。觀點(diǎn)，用對(duì)比的方法分析問(wèn)題。 1923年，德布羅意試圖把年，德布羅意試圖把粒子性和粒子性和波動(dòng)性波動(dòng)性統(tǒng)一起來(lái)。統(tǒng)一起來(lái)。1924年，在博士年，在博士論文論文關(guān)于量子理論的研究關(guān)于量子理論的研究中提中提出德布羅意波出德布羅意波,同時(shí)提出用電子在晶同時(shí)提出用電子在晶體上作衍射實(shí)驗(yàn)的想法。體上作衍射實(shí)驗(yàn)的想法。 愛(ài)因斯坦覺(jué)察到德布羅意物質(zhì)愛(ài)因斯坦覺(jué)察到德布羅意物質(zhì)波思想的重大意義，譽(yù)之為波

22、思想的重大意義，譽(yù)之為“揭開(kāi)揭開(kāi)一幅大幕的一角一幅大幕的一角”。德布羅意德布羅意 (Louis Victor due de Broglie, 1892-1960) 法國(guó)物理學(xué)家，法國(guó)物理學(xué)家，1929年諾貝爾物理年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者。學(xué)獎(jiǎng)獲得者。n nhE hP電子駐波電子駐波 德布德布羅意把原子定態(tài)與駐波聯(lián)系起來(lái)，即把能量量子羅意把原子定態(tài)與駐波聯(lián)系起來(lái)，即把能量量子化與有限空間駐波的波長(zhǎng)和頻率聯(lián)系起來(lái)。如電子繞原子化與有限空間駐波的波長(zhǎng)和頻率聯(lián)系起來(lái)。如電子繞原子一周，駐波應(yīng)銜接，所以圓周長(zhǎng)應(yīng)等于波長(zhǎng)的整數(shù)倍。一周，駐波應(yīng)銜接，所以圓周長(zhǎng)應(yīng)等于波長(zhǎng)的整數(shù)倍。nr 2ph 再根據(jù)德布再根據(jù)

23、德布羅意關(guān)系羅意關(guān)系得出角動(dòng)量量子化條件得出角動(dòng)量量子化條件nrhp 2 nnhrpL 2由于電子波長(zhǎng)比可見(jiàn)光波長(zhǎng)小由于電子波長(zhǎng)比可見(jiàn)光波長(zhǎng)小10-310-5數(shù)量級(jí)，數(shù)量級(jí)，從而從而可大大提高電子顯微鏡的分辨率?？纱蟠筇岣唠娮语@微鏡的分辨率。1932年，德國(guó)的魯斯卡研制成功電子顯微鏡。年，德國(guó)的魯斯卡研制成功電子顯微鏡。我國(guó)已制成我國(guó)已制成80萬(wàn)倍的電子顯微鏡，萬(wàn)倍的電子顯微鏡，分辨率為分辨率為14.4nm.n， 能分辨大個(gè)分子有著廣泛的應(yīng)用前景。能分辨大個(gè)分子有著廣泛的應(yīng)用前景。1 1、電子顯微鏡、電子顯微鏡2 2、掃描隧道顯微鏡、掃描隧道顯微鏡( (Scanning tunneling m

24、icroscopy)1981年，德國(guó)的賓尼希和瑞士的羅雷爾制成了掃描隧道年，德國(guó)的賓尼希和瑞士的羅雷爾制成了掃描隧道顯微鏡，他們兩人因此與魯斯卡共獲顯微鏡，他們兩人因此與魯斯卡共獲1986年的諾貝爾物年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。其理學(xué)獎(jiǎng)金。其橫向分辨率可得橫向分辨率可得0.1nm，縱向分辨率可得縱向分辨率可得0.001nm ，它在納米材料、生命科學(xué)和微電子學(xué)中起著，它在納米材料、生命科學(xué)和微電子學(xué)中起著不可估量的作用。不可估量的作用。隧道顯微鏡隧道顯微鏡原理原理：隧道電流：隧道電流 i 與樣品和針尖間的距與樣品和針尖間的距離離S關(guān)系極為敏感。關(guān)系極為敏感。SAUei下圖是鑲嵌了下圖是鑲嵌了48個(gè)個(gè)F

25、e原子的原子的Cu表面的掃描表面的掃描隧道顯微鏡照片。隧道顯微鏡照片。48個(gè)個(gè)Fe 原子形成原子形成“電電子圍欄子圍欄”，圍欄中的，圍欄中的電子形成駐波：電子形成駐波： 海森伯（海森伯（W. K. W. K. HeisenbergHeisenberg，1901-1901-19761976）德國(guó)理論物理學(xué)德國(guó)理論物理學(xué)家。他于家。他于1925年創(chuàng)立了年創(chuàng)立了矩陣量子力學(xué)矩陣量子力學(xué)，于，于1927年（年（25歲）提出了歲）提出了不確不確定關(guān)系定關(guān)系。奠定了量子力。奠定了量子力學(xué)的基礎(chǔ)。為此，他于學(xué)的基礎(chǔ)。為此，他于1932年獲得諾貝爾物理年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。學(xué)獎(jiǎng)金。 經(jīng)典力學(xué)，粒子的運(yùn)動(dòng)具有

26、決定性的規(guī)律，經(jīng)典力學(xué)，粒子的運(yùn)動(dòng)具有決定性的規(guī)律，有嚴(yán)格的因果關(guān)系，表現(xiàn)在可同時(shí)用確定的坐有嚴(yán)格的因果關(guān)系，表現(xiàn)在可同時(shí)用確定的坐標(biāo)與確定的動(dòng)量來(lái)描述宏觀物體的運(yùn)動(dòng)。標(biāo)與確定的動(dòng)量來(lái)描述宏觀物體的運(yùn)動(dòng)。 在量子概念下，電子和其它物質(zhì)粒子的衍在量子概念下，電子和其它物質(zhì)粒子的衍射實(shí)驗(yàn)表明，粒子束所通過(guò)的圓孔或單縫越窄射實(shí)驗(yàn)表明，粒子束所通過(guò)的圓孔或單縫越窄小，則所產(chǎn)生的衍射圖樣的區(qū)域越大。小，則所產(chǎn)生的衍射圖樣的區(qū)域越大。OCDxyxA2電子衍射pxpy p縫屏幕電子hpxx 量子力學(xué)簡(jiǎn)介量子力學(xué)簡(jiǎn)介 量子力學(xué)在發(fā)展過(guò)程中經(jīng)歷了兩條迥異的道路。量子力學(xué)在發(fā)展過(guò)程中經(jīng)歷了兩條迥異的道路。 第一條

27、道路是直接從觀測(cè)到的原子譜線出發(fā)，引入矩第一條道路是直接從觀測(cè)到的原子譜線出發(fā)，引入矩陣的數(shù)學(xué)工具，建立了陣的數(shù)學(xué)工具，建立了。這是以粒子為主的理論，。這是以粒子為主的理論，它強(qiáng)調(diào)觀測(cè)到的分立性，跳躍性，同時(shí)又堅(jiān)持以數(shù)學(xué)為唯它強(qiáng)調(diào)觀測(cè)到的分立性，跳躍性，同時(shí)又堅(jiān)持以數(shù)學(xué)為唯一導(dǎo)向，不為日常生活的直觀經(jīng)驗(yàn)所迷惑。這個(gè)理論來(lái)自一導(dǎo)向，不為日常生活的直觀經(jīng)驗(yàn)所迷惑。這個(gè)理論來(lái)自哥本哈根學(xué)派，其核心人物是哥本哈根學(xué)派，其核心人物是海森堡海森堡，波恩波恩，約爾當(dāng)約爾當(dāng)，而，而他們背后的精神力量是尼爾斯他們背后的精神力量是尼爾斯玻爾玻爾。 另一條道路是以另一條道路是以德布羅意德布羅意的理論為切入點(diǎn)，以的理

28、論為切入點(diǎn)，以薛定諤薛定諤為主建立了為主建立了。這是以波為主的理論，不放棄因果。這是以波為主的理論，不放棄因果率的追求。率的追求。愛(ài)因斯坦愛(ài)因斯坦是他們背后的精神領(lǐng)袖。是他們背后的精神領(lǐng)袖。 (Erwin Schrdinger, 18871961) 在德布羅意思想在德布羅意思想的基礎(chǔ)上，于的基礎(chǔ)上，于1926年在年在量量子化就是本征值問(wèn)題子化就是本征值問(wèn)題的論的論文中，建立了以文中，建立了以薛定諤方程薛定諤方程為基礎(chǔ)的波動(dòng)力學(xué)。薛定諤為基礎(chǔ)的波動(dòng)力學(xué)。薛定諤方程與牛頓運(yùn)動(dòng)定律的價(jià)值方程與牛頓運(yùn)動(dòng)定律的價(jià)值相似。薛定諤于相似。薛定諤于1933年同英年同英國(guó)物理學(xué)家狄拉克共獲諾貝國(guó)物理學(xué)家狄拉克共

29、獲諾貝爾物理獎(jiǎng)金。爾物理獎(jiǎng)金。奧地利著名的理論物奧地利著名的理論物理學(xué)家，量子力學(xué)的理學(xué)家，量子力學(xué)的重要奠基人之一，同重要奠基人之一，同時(shí)在固體的比熱、統(tǒng)時(shí)在固體的比熱、統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)、原子光譜計(jì)熱力學(xué)、原子光譜及鐳的放射性等方面及鐳的放射性等方面的研究都有很大成就。的研究都有很大成就。 受德布羅意啟發(fā)，薛定諤認(rèn)為：微觀粒子，是由正弦波受德布羅意啟發(fā)，薛定諤認(rèn)為：微觀粒子，是由正弦波組成的，可以看成一個(gè)組成的，可以看成一個(gè)波包波包。當(dāng)這種波包作為一個(gè)整體。當(dāng)這種波包作為一個(gè)整體前進(jìn)時(shí)，它看起來(lái)就像是一個(gè)粒子?？墒?，本質(zhì)上，它還是前進(jìn)時(shí)，它看起來(lái)就像是一個(gè)粒子?？墒?，本質(zhì)上，它還是波，粒子只不過(guò)是

30、波的一種衍生物而已。波，粒子只不過(guò)是波的一種衍生物而已。 實(shí)物粒子既是波又是粒子，那么它滿足怎樣的方程呢？實(shí)物粒子既是波又是粒子，那么它滿足怎樣的方程呢？薛定諤一開(kāi)始想從建立在相對(duì)論基礎(chǔ)上的德布羅意方程出發(fā)，薛定諤一開(kāi)始想從建立在相對(duì)論基礎(chǔ)上的德布羅意方程出發(fā)，將其推廣到束縛粒子中去。因?yàn)闆](méi)有考慮到電子自旋的情況將其推廣到束縛粒子中去。因?yàn)闆](méi)有考慮到電子自旋的情況（當(dāng)時(shí)自旋剛剛發(fā)現(xiàn)不久），結(jié)果與實(shí)驗(yàn)不一致。于是，他），結(jié)果與實(shí)驗(yàn)不一致。于是，他回過(guò)頭來(lái)，從經(jīng)典力學(xué)的哈密頓回過(guò)頭來(lái)，從經(jīng)典力學(xué)的哈密頓-雅可比方程出發(fā)，利用變雅可比方程出發(fā)，利用變分法和德布羅意公式，最后求出了一個(gè)非相對(duì)論的波動(dòng)方

31、程。分法和德布羅意公式，最后求出了一個(gè)非相對(duì)論的波動(dòng)方程。波是一個(gè)自我復(fù)制的過(guò)程，粒子既然也是波，則微觀粒子滿波是一個(gè)自我復(fù)制的過(guò)程，粒子既然也是波，則微觀粒子滿足本征方程。足本征方程。首先薛定諤抓住最簡(jiǎn)單的微觀粒子首先薛定諤抓住最簡(jiǎn)單的微觀粒子自由電子討論。它如自由電子討論。它如果是波，應(yīng)該是一個(gè)單色平面簡(jiǎn)諧波（忽略頻率的變化）：果是波，應(yīng)該是一個(gè)單色平面簡(jiǎn)諧波（忽略頻率的變化）： n n xtAtxy2cos),(，把它寫成復(fù)數(shù)形式：，把它寫成復(fù)數(shù)形式： n n xtiAetxy2),(一個(gè)自由粒子有動(dòng)能一個(gè)自由粒子有動(dòng)能E和動(dòng)量和動(dòng)量p。對(duì)應(yīng)的德布羅意波具有頻率。對(duì)應(yīng)的德布羅意波具有頻率

32、和波長(zhǎng)：和波長(zhǎng)：hE/ n nph/ 波函數(shù)可以寫成波函數(shù)可以寫成 xhPthEietx 20,（這樣做的目的只是為了討論方便）（這樣做的目的只是為了討論方便）顯然這樣的函顯然這樣的函數(shù)把波粒二象數(shù)把波粒二象性反映了出來(lái)性反映了出來(lái) xptEipxEthieetx020, 分別對(duì)時(shí)間求一階偏導(dǎo)數(shù)，對(duì)空間求二階偏導(dǎo)數(shù)分別對(duì)時(shí)間求一階偏導(dǎo)數(shù)，對(duì)空間求二階偏導(dǎo)數(shù) Eti 2h 2222px 2222xmti在非相對(duì)論情況下有：在非相對(duì)論情況下有： E=p2/2m 則有：則有：自由粒子的薛定諤方程自由粒子的薛定諤方程這是揭開(kāi)秘密的突破點(diǎn)，現(xiàn)嘗試將其推廣到其它粒子上：這是揭開(kāi)秘密的突破點(diǎn)，現(xiàn)嘗試將其推廣到其它粒子上：粒子在勢(shì)場(chǎng)中有粒子在勢(shì)場(chǎng)中有PkEEE PEmpE