2、量子力學(xué)的產(chǎn)生

1、2、量子力學(xué)的產(chǎn)生楊振寧教授：“二十世紀(jì)物理學(xué)的主旋律是：量子化、對(duì)稱(chēng)性和相因子”.在自然哲 學(xué)觀上，量子論帶給了我們前所未有的沖擊和震動(dòng)，甚至改變了整個(gè)物理世界的基本思想。 它的觀念是如此地革命，乃至最不保守的科學(xué)家都在潛意識(shí)里對(duì)它懷有深深的懼意。如果光波具有電的性質(zhì)的話(huà)，它們就必定是從運(yùn)動(dòng)中的電荷出發(fā)的，初看起來(lái)，只要 新發(fā)現(xiàn)的電子是按照牛頓的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)的，我們就可以得到一個(gè)令人滿(mǎn)意的物質(zhì)本源于電 的學(xué)說(shuō)。但是，如果電子圍繞著原子核而運(yùn)動(dòng)，就象行星圍繞著太陽(yáng)運(yùn)行一樣，它們就應(yīng) 該放射出一切波長(zhǎng)的輻射，能量就應(yīng)該隨著波長(zhǎng)的縮短按可以計(jì)算的方式增加。但是，事 實(shí)并不是這樣；為了解釋這個(gè)事實(shí)，普

2、蘭克（Planck）就假定輻射是按確定的單位，即量 子，而射出和吸收的，每一個(gè)量子都是一定量的“作用”，這個(gè)量相當(dāng)于能量乘時(shí)間。t? 1234567 S/ mn普朗克希望通過(guò)分析熱輻射，能夠解開(kāi)熱學(xué)和電磁學(xué)之間聯(lián)系的奧秘。他想通過(guò)自己 的研究，將物理學(xué)中這兩個(gè)領(lǐng)域彼此不相矛盾地統(tǒng)一起來(lái)。突然，他當(dāng)時(shí)面臨一個(gè)事實(shí)， 發(fā)現(xiàn)某些輻射過(guò)程具有不連續(xù)量子的特性，這一點(diǎn)無(wú)法納入經(jīng)典物理學(xué)世界觀中去。1900 年，普朗克拋棄了能量是連續(xù)的傳統(tǒng)經(jīng)典物理觀念，導(dǎo)出了與實(shí)驗(yàn)完全符合的黑體輻射經(jīng) 驗(yàn)公式。在理論上導(dǎo)出這個(gè)公式，必須假設(shè)物質(zhì)輻射的能量是不連續(xù)的，只能是某一個(gè)最 小能量的整數(shù)倍。普朗克把這一最小能量單位

3、稱(chēng)為“能量子”。普朗克的假設(shè)解決了黑體 輻射的理論困難。普朗克還進(jìn)一步提出了能量子與頻率成正比的觀點(diǎn)，并引入了普朗克常 數(shù)h。量子理論現(xiàn)已成為現(xiàn)代理論和實(shí)驗(yàn)的不可缺少的基本理論。普朗克量子假設(shè)構(gòu)成物體 的分子、原子可視為在各自平衡位置附近振動(dòng)的帶電線(xiàn)性諧振子，這些振子既可以發(fā)射輻 射能，也可以吸收輻射能。諧振子發(fā)射和吸收輻射能量是某些分立狀態(tài)，是最小能量單位hv 的整數(shù)倍，即發(fā)射或吸收電磁輻射只能以量子方式進(jìn)行，每個(gè)能量子能量為s = hv，其中 h是普朗克常量，v為諧振子的振動(dòng)頻率。能量不連續(xù)的概念與經(jīng)典物理學(xué)是完全不相容 的！普朗克在1900年10月19日，提出一新的黑體輻射公式(普朗克公

4、式)，它與實(shí)驗(yàn)驚 人符合。 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 2n cih1M入(T)= 人 5 ehc /(kkT)-1 HYPERLINK l bookmark7 o Current Document p dv = 8nhv3dvvc 3hvekT -1h叫普朗克常數(shù) 單位：6.62559*10-34焦?fàn)?秒。我們還是引用一段庫(kù)珀書(shū)上的話(huà)：在普朗克的作用量子的假設(shè)中，并沒(méi)有考慮到電子那樣的實(shí)物和光的相互間的關(guān)系，所以普朗克的關(guān)系式可以說(shuō)是憑空想出來(lái)的、毫無(wú)根據(jù)的東西，它對(duì)于經(jīng)典物理學(xué)來(lái)說(shuō)也是大逆不道的。甚至普朗克本

5、人，還有其它 人，都希望能有某種方式是這個(gè)關(guān)系式消失掉。普朗克寫(xiě)道：他“試圖將和納入經(jīng)典物理學(xué)的范疇，但是一切試驗(yàn)都失敗了，這個(gè) 量顯得非常頑固?！彼謱?xiě)道：“想越過(guò)這個(gè)泥潭的一切嘗試都失敗了，這使人們毫無(wú)疑義地很快意識(shí) 到，作用量子在原子物理學(xué)中將起重大的作用”最后，他說(shuō)：“在好幾年時(shí)間內(nèi)，我花費(fèi)了很大的勞動(dòng)，徒勞地去嘗試如何將量子 作用引入到經(jīng)典理論中去。我的一些同事把這看成是某種悲劇。但我自己有不同的看法， 因?yàn)槲覐纳钊氲钠饰鲋蝎@得極大的好處。要知道，起初我只是傾向于認(rèn)為，而我現(xiàn)在確 切地知道，做用量子將在物理學(xué)中發(fā)揮巨大的作用”1901年，Planck關(guān)于普適作用量子的出現(xiàn)，形成了物理

6、學(xué)發(fā)展中的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)；這一 發(fā)現(xiàn)揭示了原子過(guò)程中的一種整體性特色，這是完全超出于經(jīng)典物理概念之外的，甚至是超 越了物質(zhì)有限可分性這一古代學(xué)說(shuō)的。量子力學(xué)對(duì)經(jīng)典物理學(xué)的沖擊：在原子模型中起作用的原則上連續(xù)的概念被說(shuō)成是錯(cuò) 誤的，盡管在某一個(gè)事實(shí)領(lǐng)域中的過(guò)程能用舊的模型很好地描述，它的基本概念嚴(yán)格說(shuō)是 不合法的。Bohr認(rèn)為為了實(shí)驗(yàn)性地建立一門(mén)新的、更廣泛的力學(xué)，使它也能適用于原子內(nèi)部的運(yùn) 動(dòng)。不妨假設(shè)在古典理論所考慮的所有無(wú)限多種運(yùn)動(dòng)類(lèi)型當(dāng)中，只有少數(shù)幾種特定的類(lèi)型 才能在自然界中實(shí)現(xiàn)，這些許可的運(yùn)動(dòng)類(lèi)型(軌道)，應(yīng)該根據(jù)一定的數(shù)學(xué)條件，即根據(jù) Bohr理論中所謂量子條件來(lái)選擇，一個(gè)繞核公轉(zhuǎn)的電

7、子角動(dòng)量只能為h/2兀的整數(shù)倍。這 些條件的選法，使得它們所施加的一切限制，在運(yùn)動(dòng)粒子的引力質(zhì)量比我們?cè)谠咏Y(jié)構(gòu)中 所碰到的引力質(zhì)量大得多場(chǎng)合下，實(shí)際上是沒(méi)有意義的。在分析現(xiàn)象的一切階段中，所涉 及的作用量都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普適量子。【1】這樣以來(lái)，這種新的微觀力學(xué)在應(yīng)用到宏觀物體 上時(shí)所得到的結(jié)果，完全與舊的古典理論完全相同了（這就是對(duì)應(yīng)原理）只有在細(xì)微的原 子機(jī)器中，這兩種理論的分歧才具有重大意義。在最一般的形態(tài)上，對(duì)應(yīng)原理可以這樣表 述：其正確性對(duì)于一定范圍的現(xiàn)象來(lái)說(shuō)，已由實(shí)驗(yàn)所確立的理論，隨著新的理論的出現(xiàn)， 并沒(méi)有被拋棄，而是保持自己對(duì)于原來(lái)現(xiàn)象領(lǐng)域的意義，把自己作為新理論的極限形式和 局

8、部情況。新的理論的結(jié)論在舊的經(jīng)”理論成立的地方，過(guò)渡到經(jīng)典理論的結(jié)論，包含 某種特征參量（這種特征參量的意義在舊的和新的現(xiàn)象領(lǐng)域中是不同的）的新理論的數(shù)學(xué) 工具。在特征參量具有適當(dāng)數(shù)值的情況下，過(guò)渡到舊理論的數(shù)學(xué)工具。不是微觀物理與宏 觀不同，而是用于微觀世界的量子力學(xué)用到宏觀世界其效應(yīng)就幾乎沒(méi)有了。對(duì)應(yīng)原理的產(chǎn) 生，用Bohr的話(huà)來(lái)說(shuō)：“在定態(tài)之間較少區(qū)別的邊界領(lǐng)域內(nèi)，在光譜和原子體系運(yùn)動(dòng)間達(dá) 到簡(jiǎn)單的漸進(jìn)對(duì)應(yīng)的意圖。” “根據(jù)這個(gè)原理，同輻射的發(fā)射或吸收相聯(lián)系的任何一個(gè)躍遷 過(guò)程的實(shí)現(xiàn)，是有體系運(yùn)動(dòng)的一定相應(yīng)和諧成份的存在所決定的、。至于涉及到輻射的結(jié) 構(gòu)，那么直接這個(gè)原理的涵義就應(yīng)該預(yù)料

9、到，輻射將反映震動(dòng)相應(yīng)成份的性質(zhì)，這些成份 將以某種方式被經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的要求所決定，后者提供電子體系的輻射同它的運(yùn)動(dòng)方向之 間的直接聯(lián)系?！弊?932年發(fā)現(xiàn)中子以來(lái)，原子核物理學(xué)取得了舉世矚目的長(zhǎng)足進(jìn)展。近幾十年來(lái)，隨 著核探針能量和種類(lèi)的增加，核物理學(xué)在新的自由度和新的層次上不斷取得新成果。對(duì)非 核子（特別是夸克）自由度、更高能量自由度、質(zhì)子-中子比自由度、角動(dòng)量自由度的研究， 將是今后的一個(gè)重要方向。特別是80年代末出現(xiàn)的放射性核束，使核反應(yīng)探針在核素圖上 從穩(wěn)定核素發(fā)展到不穩(wěn)定核素。遠(yuǎn)離穩(wěn)定線(xiàn)的新核素，特別是滴線(xiàn)核以及超重核、奇特核 的合成和研究，將會(huì)對(duì)原子核物理學(xué)的發(fā)展起到積極的推動(dòng)作

10、用。以研究復(fù)雜多體系統(tǒng)為主的凝聚態(tài)物理學(xué)，是當(dāng)代物理學(xué)中內(nèi)容最豐富、應(yīng)用最廣泛 的一門(mén)分支學(xué)科；也是當(dāng)前物理學(xué)研究中最活躍、最能激發(fā)人的創(chuàng)造智力的研究領(lǐng)域。這一 領(lǐng)域的一系列發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)并正在對(duì)其他學(xué)科（包括化學(xué)、生物學(xué)、數(shù)學(xué)等）產(chǎn)生了重大影響； 并通過(guò)它所誘發(fā)的高新技術(shù)進(jìn)展，對(duì)人類(lèi)生活產(chǎn)生了巨大影響。凝聚態(tài)物理前沿研究此起彼 伏，發(fā)展迅速，使人目不暇接。它的發(fā)展大趨勢(shì)將是現(xiàn)有分支領(lǐng)域強(qiáng)化研究，又不斷開(kāi)拓出 新的領(lǐng)域，制備出更多更高性能的新材料，發(fā)現(xiàn)令人意想不到的新現(xiàn)象。超導(dǎo)電性物理、晶 體學(xué)、磁學(xué)、表面物理、固態(tài)發(fā)光物理、液態(tài)物理、生命現(xiàn)象中的物理問(wèn)題、極端條件下的 物理等研究?jī)?nèi)容，成為當(dāng)前凝

11、聚態(tài)物理學(xué)廣闊的前沿領(lǐng)域。其中低維凝聚態(tài)物理與以發(fā)現(xiàn)新 的有序相、有序相的對(duì)稱(chēng)破缺、以及這些新相的物理性能為主要目標(biāo)的研究工作，更是這一 學(xué)科中最具活力的重要發(fā)展前沿。在今后十多年，可以期望凝聚態(tài)物理的研究取得新的重大 發(fā)現(xiàn)和進(jìn)展。等離子體物理是物理學(xué)中一個(gè)年輕的分支學(xué)科。等離子體物理的研究已經(jīng)成為 人類(lèi)認(rèn)識(shí)宇宙、控制地球環(huán)境變化、以及最終解決能源問(wèn)題的基礎(chǔ)和保證，同時(shí)它還開(kāi)辟了 很多新技術(shù)與新應(yīng)用的發(fā)展途徑。熱核聚變等離子體、空間等離子體、天體等離子體和技術(shù) 與高技術(shù)等離子體的研究，愈來(lái)愈受到重視。原子分子物理是微觀世界的第一個(gè)層次，它的 基礎(chǔ)性強(qiáng)，應(yīng)用面廣，其發(fā)展直接或間接地推動(dòng)了電子學(xué)和電子產(chǎn)業(yè)、光電子學(xué)和激光產(chǎn)業(yè) 的誕生和發(fā)展，還形成了量子化學(xué)、分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、分子生物學(xué)和分子天文學(xué)等一批交叉 學(xué)科。原子分子激發(fā)態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)理論的研究，是當(dāng)前原子分子物理學(xué)中最活躍的領(lǐng)域。 這一學(xué)科的發(fā)展，在推動(dòng)科學(xué)技術(shù)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步和提高國(guó)防能力方面，將發(fā)揮重要作用。量子力學(xué)的創(chuàng)立，揭示了微觀世界的基本規(guī)律，為原子物理學(xué)、固體物理學(xué)、核物理 學(xué)、粒子物理學(xué)和半導(dǎo)體物理學(xué)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。量子能帶理論的建立，使人們對(duì)半 導(dǎo)體的性能有了認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致了晶體管和大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生，引導(dǎo)了 20世紀(jì)微電子技術(shù)、