大学物理下量子力学基础 01

量子力学基础物理学的分支及近年来发展的总趋势物理学经典物理现代物理力学热学电磁学光学相对论量子论非线性时间t关键概念的发展力学电磁学热学相对论量子论1600170018001900二十世纪重大发现1.电子的发现：2.X射线的发现：3.放射性的发现：重要意义：打开了原子世界大门！重要意义：X射线是什么？电磁波还是粒子？重要的应用！重要意义：打开原子核的大门，原子核会裂变－原子能！总之，这些发现向我们打开一个崭新世界！近年来的发展：*粒子物理高能加速器产生新粒子，已发现300种。麦克斯韦理论、狄拉克量子电动力学、重整化方法。*天体物理运用物理学实验方法和理论对宇宙各种星球进行观测和研究，从而得出相应的天文规律的学科。应用经典、量子、广义相对论、等离子体物理和粒子物理。**太阳中微子短缺问题**引力波存在的问题**物体的速度能否超过光速的问题**非平衡热力学及统计物理物理学发展的总趋向：*学科之间的大综合。*相互渗透结合成边缘学科。二十世纪物理学中两个重要的概念：场和对称性从经典物理学到量子力学过渡时期的三个重大问题的提出光电效应康普顿效应。黑体辐射问题，即所谓“紫外灾难”。原子的线光谱和原子结构。“牛人”图这张照片是1927年第五届索尔维会议(布鲁塞尔)参加者的合影。索尔维是一个很像诺贝尔的人，本身既是科学家又是家底雄厚的实业家，万贯家财都捐给科学事业。诺贝尔是设立了以自己名字命名的科学奖金，索尔维则是提供了召开世界最高水平学术会议的经费。这就是索尔维会议的来历。1.彼得．德拜（PetrusJosephusWilhelmusDebye）美国物理化学家。1884年出生于荷兰。1901年进入德国亚琛工业大学学习电气工程，1905年获电子工程师学位，因他通过偶极矩研究及x射线衍射研究对分子结构学科所作贡献而于1936年获诺贝尔化学奖金。1966年逝世。2.威廉．亨利．布喇格（WilliamHenryBragg，1862－1942）英国物理学家。是现代固体物理学的奠基人之一。由于在使用x射线衍射研究晶体原子和分子结构方面所作出的开创性贡献，他与儿子分享了1915年诺贝尔物理学奖。父子两代同获一个诺贝尔奖，这在历史上恐怕是绝无仅有的。3.爱因斯坦(AlbertEinstein，1879-1955)，举世闻名的德裔美国科学家，现代物理学的开创者和奠基人。是20世纪最伟大的科学家，被公认为人类历史上最具有创造性才智的人物之一。他的名字与相对论密不可分，其实，相对论包括两种理论：其一是他1905年提出声狭义相对论；其二是他1915年提出的广义相对论。后者，我们最好称之为爱因斯坦引力论。爱因斯坦1900年毕业于苏黎士工业大学，1909年开始在大学任教，1914年任威廉皇家物理研究所所长兼柏林大学教授。后被迫移居美国，1940年入美国籍。十九世纪末期是物理学的变革时期，爱因斯坦从实验事实出发，从新考查了物理学的基本概念，在理论上作出了根本性的突破。他的一些成就大大推动了天文学的发展。他的量子理论对天体物理学、特别是理论天体物理学都有很大的影响。理论天体物理学的第一个成熟的方面——恒星大气理论，就是在量子理论和辐射理论的基础上建立起来的。爱因斯坦的狭义相对论成功地揭示了能量与质量之间的关系，解决了长期存在的恒星能源来源的难题。近年来发现越来越多的高能物理现象，狭义相对论已成为解释这种现象的一种最基本的理论工具。其广义相对论也解决了一个天文学上多年的不解之谜，并推断出后来被验证了的光线弯曲现象，还成为后来许多天文概念的理论基础。爱因斯坦对天文学最大的贡献莫过于他的宇宙学理论。他创立了相对论宇宙学，建立了静态有限无边的自洽的动力学宇宙模型，并引进了宇宙学原理、弯曲空间等新概念，大大推动了现代天文学的发展。4.埃伦费斯特(PaulEhrenfest,1880－1933)——荷兰物理学家。如果说，玻尔的对应原理是在经典物理学和量子力学之间架起的一座桥梁，那么，埃伦费斯特的浸渐原理则是两者之间的又一座桥梁。埃伦费斯特是奥地利人，在维也纳大学听过玻尔兹曼讲授热的分子运动论。1904年获博士学位后从事统计物理学研究。鉴于他出色的理论素养，洛仑兹在1912年推荐他接任自己在荷兰莱顿大学的教授职务。此后，埃伦费斯特一直在莱顿大学主持工作。1913年，埃伦费斯特提出一条原理：两相互以浸渐变换联系的体系A、B之间存在如下关系：无限缓慢变化的一个或几个参量，可以使不同体系在它们之间相互导出。这些参量，埃伦费斯特称为浸渐不变量。浸渐原理揭示了量子化条件的奥秘。因为玻尔在不久前提出的量子化条件式：2W/ω=nh及由此推出的角动量量子化条件M=nh/2π都是埃伦费斯特的浸渐不变量。5.保罗．狄拉克（pauladrienmauricedirac，1902～1984）英国物理学家。1930年，他用数学方法描述电子运动规律时，发现电子的电荷可以是负电荷、也可以是正电荷的。狄拉克猜想，在自然界中可能存在一种“反常的”带正电荷的电子。6.薛定谔（erwinschrodinger，1887-1961）奥地利理论物理学家，与爱因斯坦、玻尔、玻恩、海森伯等一起于20世纪20年代后期，发展了量子力学。因建立描述电子和其他亚原子粒子的运动的波动方程，获得1933年诺贝尔物理奖。7.康普敦（ArthurHollyCompton1892—1962）.1922—1923年间研究了x射线经金属或石墨等物质散射后的光谱.1921年在实验中证明了X射线的粒子性。1923年他发表了X射线被电子散射所引起的频率变小现象，即康普顿效应，这是近代物理学的一大发现。按经典波动理论，静止物体对波的散射不会改变频率。而按爱因斯坦光量子说这是两个“粒子”碰撞的结果。光量子在碰撞时不仅将能量传递而且也将动量传递给了电子，它进一步证实了爱因斯坦的光子理论，揭示出光的二象性。8.沃尔夫冈．泡利（wolfgangpauli，1900～1958），美籍奥地利科学家，是迎着20世纪一同来到世界的，父亲是维也纳大学的物理化学教授，教父是奥地利的物理学家兼哲学家。其提出了不相容原理，为周期表奠定了理论基础。其发表了“不相容原理”：原子中不可能有两个或两个以上的电子处于同一量子态．这一原理使当时许多有关原子结构的问题得以圆满解决，对所有实体物质的基本粒子（通常称之为费米子，如质子、中子、夸克等）都适用，构成了量子统计力学——费米统计的基点。9.海森伯（wernerkarlheisenberg1907～1976）德国理论物理学家，量子力学第一种有效形式（矩阵力学）的创建者。海森伯鉴于玻尔原子模型所存在的问题，抛弃了所有的原子模型，而着眼于观察发射光谱线的频率、强度和极化，利用矩阵数学，将这三者从数学上联系起来，从而提出微观粒子的不可观察的力学量，如位置、动量应由其所发光谱的可观察的频率、强度经过一定运算（矩阵法则）来表示。他和玻尔等合作，建立了量子理论第一个数学描述——矩阵力学。1927年，他阐述了著名的不确定关系，即亚原子粒子的位置和动量不可能同时准确测量，成为量子力学的一个基本原理。10.玻恩，(maxborn1882～1970)德国理论物理学家，量子力学的奠基人之一。1915年起任洪堡大学理论物理学教授。由于在相对论和量子力学方面的突出贡献与德国的另一位科学家瓦尔特·波西于1954年同获诺贝尔奖。11.尼尔斯．玻尔(bohrniels)1885年10月7日生于丹麦首都哥本哈根，玻尔早在大学作硕士论文和博士论文时，就考察了金属中的电子运动，并明确意识到经典理论在阐明微观现象方面的严重缺陷，赞赏普朗克和爱因斯坦在电磁理论方面引入的量子学说．在他研究原子结构问题时，就创造性地把普朗克的量子说和卢瑟福的原子核概念结合了起来．在玻尔离开曼彻斯特大学以前，曾向卢瑟福呈交了一份论文提纲，引入了定态的概念，给出了定态应满足的量子条件．回到哥本哈根后，1913年初，有朋友建议他研究原子结构，应很好地联系和应用当时已有的丰富而精确的光谱学资料，这使他思路大开．通过对光谱学资料的考察，玻尔的思维和理论有了巨大的飞跃，使他写出了“论原子构造和分子构造”的长篇论著，提出了量子不连续性，成功地解释了氢原子和类氢原子的结构和性质．1921年，玻尔发表了“各元素的原子结构及其物理性质和化学性质”的长篇演讲，阐述了光谱和原子结构理论的新发展，诠释了元素周期表的形成，对周期表中从氢开始的各种元素的原子结构作了说明，同时对周期表上的第72号元素的性质作了预言。1922年，发现了这种元素铪，证实了玻尔预言的正确．1922年玻尔获诺贝尔物理学奖。12.普朗克，（MaxKarlErnstLudwigPlanck1858～1947）近代伟大的德国物理学家，量子论的奠基人。1900年12月，普朗克终于在德国物理学会上发表了他那影响现代文明的著名论文：《关于正常光谱的能量分布定律的理论》，宣告了量子论的诞生，是现代物理学上的一场革命性突破。根据普朗克的量子论，能量并非以连续的形式而存在，而是以个别“小包”的形式存在，这些不连续的“小包”被称为能量子或量子。量子是大小不一的，它们随着各量子的放射频率的不同而变化。量子的大小与频率之间的比例常数可以用一个常数来代表，这个常数就是当今物理学上的普朗克常数。由于他的理论打破了经典物理学的旧体系，许多物理学家起初都拒绝接受它。直到1913年，丹麦物理学权威尼尔斯·波尔用量子论第一次成功地计算出光谱的特殊谱线的位置时，普朗克理论的伟大意义才被人们所公认。普朗克的量子概念破坏了经典物理学的庞大体系，成了当今科学的重要基础。在量子化概念的引导下，微观物理学迅速发展为20世纪物理学的主流，并为后来的爱因斯坦在这一理论上的推进和突破打下了坚实的基础。凭借敢于创新的精神和所取得的开拓性成果，普朗克得到了极大的荣誉。1918年，他得到了物理学的最高荣誉奖——诺贝尔物理学奖。13.居里夫人（MarieCurie1867－1934〕是最著名的女物理学家。她曾两次获诺贝尔奖，1903年的物理奖，1911年的化学奖。她受教育较晚，于1893年获物理学位，1894年获数学学位，1903年获博士学位。局里夫人以放射性作为论文题目，她研究了很多物质，发现钍及其化合物的特性与铀相同。研究沥青铀矿时，她发现了镭和仆。1910年她成功的分离了纯镭。居里夫人对巴黎的局里实验室的建立作出很大贡献。14.洛仑兹（hendrikantoonlorentz1853～1928）荷兰物理学家、数学家．1853年7月18日生于阿纳姆．1870年入莱顿大学学习数学、物理学，1875年获博士学位．25岁起任莱顿大学理论物理学教授，达35年。洛伦兹是经典电子论的创立者。他认为电具有“原子性”，电的本身是由微小的实体组成的．后来这些微小实体被称为电子．洛伦兹以电子概念为基础来解释物质的电性质.从电子论推导出运动电荷在磁场中要受到力的作用，即洛伦兹力．他把物体的发光解释为原子内部电子的振动产生的．这样当光源放在磁场中时，光源的原子内电子的振动将发生改变，使电子的振动频率增大或减小，导致光谱线的增宽或分裂．1896年10月，洛伦兹的学生塞曼发现，在强磁场中钠光谱的D线有明显的增宽，即产生塞曼效应，证实了洛伦兹的预言．塞曼和洛伦兹共同获得1902年诺贝尔物理学奖。1904年，洛伦兹证明，当把麦克斯韦的电磁场方程组用伽利略变换从一个参考系变换到另一个参考系时，真空中的光速将不是一个不变的量，从而导致对不同惯性系的观察者来说，麦克斯韦方程及各种电磁效应可能是不同的．为了解决这个问题，洛伦兹提出了另一种变换公式，即洛伦兹变换．用洛伦兹变换，将使麦克斯韦方程从一个惯性系变换到另一个惯性系时保持不变．后来，爱因斯坦把洛伦兹变换用于力学关系式，创立了狭义相对论。15.朗之万（PaulLangevin，1872～1946），1872年1月23日生于巴黎，法国著名的物理学家。于1905年发表顺磁性的经典理论。一次世界大战期间，朗之万用压电效应激发的石英板，在水下成功地发射了声波，并接收到了海底的回声，