量子理論 物理學(xué)

1、量子理論 物理學(xué)第1頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四量 子 理 論第2頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四討論題： 1，顯像管中的電子都有確定的能量和確定的運(yùn)動(dòng)軌道，而且可以利用經(jīng)典電磁學(xué)計(jì)算。這是否與量子力學(xué)矛盾？ 在這個(gè)問題中電子完全被處理為經(jīng)典粒子。顯像管的設(shè)計(jì)師是否必須懂得量子力學(xué)？2，根據(jù)量子測量的假定，在沒有做出測量之前，系統(tǒng)由一個(gè)波函數(shù)描述，測量時(shí)才坍縮到確定的本征態(tài)。那么，在我們看一個(gè)宏觀物體（例如月球）之前，這個(gè)宏觀物體是否在你看到的那個(gè)地方？3, 量子力學(xué)的極限 =?= 牛頓力學(xué) 第3頁，共55頁，2022年，5月20日，13

2、點(diǎn)13分，星期四4. 薛定諤貓和富翁的遺囑，是一回事嗎？ 第4頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四1900年, 普朗克提出黑體輻射公式, 量子論誕生. (普朗克, M. Planck, 1858-1947, 德國物理學(xué)家, 1919年獲1918年諾 貝爾物理獎(jiǎng).)第5頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四為什么要量子力學(xué)? 量子概念已經(jīng)能夠解釋黑體輻射, 光電效應(yīng), 康普頓效應(yīng)等現(xiàn)象。量子物理學(xué)家， 瘋狂還是保守！普朗克，愛因斯坦，薛定諤，狄拉克， 第6頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四1913年玻爾利用量子概念，對盧瑟福的原子

3、模型給出了兩個(gè)限制，建立了一個(gè)氫原子的理論，解決了原子的穩(wěn)定性問題。 而且成功地解釋了氫原子的幾個(gè)光譜線系。N. Bohr第7頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四康普頓效應(yīng) 1924年, 康普頓和他的學(xué)生吳有訓(xùn)用 X-射線 打到物質(zhì)上，并測量散射的 X-射線 的波長.經(jīng)典理論： 入射X-射線損失部分能量，從而強(qiáng)度減小，但波長不變 l2=l1.MATTER入射 X-射線 波長 l1l2 l1 散射 X-射線波長 l2電子出射實(shí)驗(yàn)結(jié)果：l2 l1 ?e第8頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四量子圖像 入射 X-射線E1 = hc / l1e電子靜止l2

4、l1 散射 X-射線E2 = hc / l2eEee康普頓發(fā)現(xiàn), 如果把光看成質(zhì)量為0的粒子，具有能量 E=hc/l 和 動(dòng)量 p=h/l 光子和電子的碰撞！ 能量動(dòng)量守恒第9頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四第10頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四第11頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四 經(jīng)典圖像量子圖像波的能量 (振幅)2能量/光子 = hc / l第12頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四物質(zhì)波計(jì)算一個(gè)1 kg 磚塊以1000 m/s速度運(yùn)動(dòng)時(shí)的波長. l = h/mv = 6.6x10-34

5、J s / (1 kg)(1000 m/s) = 6.6x10-37 m. 非常小！ 對于宏觀物質(zhì)，無法感知波的性質(zhì)事實(shí)上，宏觀物質(zhì)不表現(xiàn)出量子特征有更深刻的原因。第13頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四對于微觀粒子電子的波長(m = 9.1x10-31 kg) 以1x107 m/s 的速度運(yùn)動(dòng). l = h/mv = 6.6x10-34 J s /(9.1x10-31 kg)(1x107 m/s) = 7.3x10-11 m. = 0.073 nm 波長在X-射線區(qū)域第14頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四粒子是如何成為波的?第15頁，共55頁

6、，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四怎樣看物體?光從表面反射到達(dá)眼睛.在眼睛中形成圖像第16頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四Wavelength versus Size對于可見光顯微鏡，可以分辨 10-6 m = 1 mm = 1000 nm 大小.可見光的波長500 nm，不可能分辨比波長跟小的尺度 光學(xué)顯微鏡下的細(xì)菌電子顯微鏡!第17頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四電子顯微鏡掃描電子顯微鏡(SEM)照片.可以分辨1nm!利用電子的波動(dòng)性制造的顯微鏡，可以分辨更小的物體!第18頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星

7、期四STM第19頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四 波函數(shù) 狀態(tài)的描述粒子由一個(gè)復(fù)函數(shù) 表示，稱為波函數(shù)， 或概率幅. 玻恩幾率解釋： 如果在時(shí)刻 t, 對以波函數(shù) 描述的粒子進(jìn)行位置測量，測得的結(jié)果可以是不同的，而在 的小區(qū)域 中發(fā)現(xiàn)該粒子的概率為 . ( ) 第20頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四 第21頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四 第22頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四 第23頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四 第24頁，共55頁，2022年，5月20日，13

8、點(diǎn)13分，星期四 第25頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四 第26頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四 第27頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四 第28頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四第29頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四第30頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四疊 加 原 理第31頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四波函數(shù)滿足薛定諤方程。對一個(gè)狀態(tài)進(jìn)行測量，其波函數(shù)塌縮到與測量相關(guān)的本征態(tài)。Dirac 符號和進(jìn)一步的抽象： 量子

9、態(tài)是希伯特空間的一個(gè)矢量，記為 , 在中間可以插入標(biāo)記狀態(tài)的字母。 量子力學(xué)課程將會仔細(xì)介紹量子力學(xué)的數(shù)學(xué)。 第32頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四薛定諤的貓According to quantum theory, if a cat can be in a state |ALIVE and a state |DEAD, it can also be in a state|ALIVE + |DEAD.Why dont we see cats in such superposition states?+第33頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四202

10、2/9/13上海交通大學(xué)理論物理研究所 馬紅孺第34頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四2022/9/13上海交通大學(xué)理論物理研究所 馬紅孺第35頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四2022/9/13上海交通大學(xué)理論物理研究所 馬紅孺第36頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四量子力學(xué)是一個(gè)更基本的理論的概率表現(xiàn)？隱變量？ 答案： NO！ Bell 不等式拋一個(gè)硬幣，正面和反面各以一定概率出現(xiàn)，但硬幣的運(yùn)動(dòng)滿足經(jīng)典力學(xué)。第37頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四John Stewart Bell(28 Jun

11、e19281 October1990)1990年因腦出血不幸去世.第38頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四2022/9/13上海交通大學(xué)理論物理研究所 馬紅孺第39頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四2022/9/13上海交通大學(xué)理論物理研究所 馬紅孺第40頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四2022/9/13上海交通大學(xué)理論物理研究所 馬紅孺第41頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四2022/9/13上海交通大學(xué)理論物理研究所 馬紅孺第42頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四 勢壘

12、 第43頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四勢壘勢阱對于微觀粒子,第44頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四定態(tài)薛定諤方程是 第45頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四一般勢壘:WKB 近似第46頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四掃描針尖樣品表面電子云第47頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四第48頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四第49頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四第50頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四第51頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星期四從原子到晶體， 從能級到能帶孤立原子能級-原子相互作用能級分裂固體-能帶第52頁，共55頁，2022年，5月20日，13點(diǎn)13分，星