量子力学第一章-周世勋

学习目的：认识物质世界本质，获得完整物质世界图像，树立科学世界观掌握科学思想、科学方法、启发创新思维学习内容：量子力学的基本概念、原理和思想典型的量子力学问题、量子现象必修的专业基础课、后续课程的基础科学技术发展的需要、信息科学前沿的发展需要知识准备：高等数学、线性代数大学物理本课程主要参考书:曾谨言《量子力学导论》孙婷雅编《量子力学教程习题剖析》陆果《基础物理学教程》目录(Content)目录(Content)第一章绪论(量子力学的诞生)Ch1.Introduction(Thebirthofquantummechanism)第二章波函数和薛定谔方程Ch2.ThewavefunctionandSchrÖdinger’sequation第三章量子力学中的力学量Ch3.TheDynamicalvariableinQuantumMechanism第四章态和力学量的表象Ch4.Therepresentationofthestatesandoperators第五章微扰理论Ch5.Perturbationtheory第六章散射Ch6.Thegeneraltheoryofscattering第七章自旋与全同粒子Ch7.Spinandidentityofparticles第一章绪论Thebirthofquantummechanism1.1经典物理学的困难1.2光的波粒二象性1.3原子结构的玻尔理论1.4微粒的波粒二象性前言：1.相对论和量子力学的提出是二十世纪物理学的两个划时代的里程碑。相对论：指出牛顿力学适用于速度远小于光速的物质的运动量子力学：指出经典物理学适用于描述一般宏观条件下物质的运动。经典物理学：量子物理：反映微观粒子（分子，原子，原子核）的运动规律。牛顿力学——牛顿运动定律热力学——热现象麦克思韦方程——电磁现象光的波动理论所有涉及物质属性和微观结构的诸多近代科学，都以量子力学作为其理论基础。2，量子力学引发了极为广泛的新技术上的应用，正逐步渗透到信息论领域，生命科学等高科技领域。以量子力学为理论基础，发展的高科技产业，如：核能发电、电子显微镜、激光器、半导体芯片和计算机等等，其产值在发达国家已超过30％。下面介绍经典物理学遇到的困难，以及如何解决这些困难并导致量子力学的诞生。经典理论在解释一些新的试验结果上遇到了严重的困难。（1）黑体辐射问题（2）光电效应（3）原子光谱的线状结构§1.1经典物理学的困难§1.2光的波粒二象性光的波动性：光的干涉、衍射，光的电磁理论（经典）光的粒子性：一个量子的概念一、黑体辐射与Planck的量子论黑体：吸收能量和辐射能量，不反射能量黑体辐射实验：研究热平衡时，辐射能量与辐射电磁波频率的关系物体：吸收能量，反射能量辐射能量（以电磁波形式）一个开有小孔的封闭空腔可看作是黑体。黑体辐射实验事实：辐射热平衡状态:处于某一温度T下的腔壁，单位面积所发射出的辐射能量和它所吸收的辐射能量相等时，辐射达到热平衡状态。实验曲线热平衡时，空腔辐射的能量密度，与辐射的波长的分布曲线，其形状和位置只与黑体的绝对温度T有关,而与黑体的形状和材料无关。结论:在短波（高频）部分与实验符合得很好，但长波（低频）部分与实验则明显不一致。2/31()cTdced1896年,维恩根据经典热力学得出：2313(,)cCTcCTe短波吻合好,长波段不一致(,)T实验瑞利-琼斯维恩T=1646k（1）维恩（Wein—德国物理学家）的解释获得1911年诺贝尔物理学奖（2）瑞利—金斯（Raileigh-Jeans英国物理学家）的解释238(,)TdkTdc结论:在长波（低频）部分与实验符合，短波部分不符合。1900年,瑞利和琼斯用能量均分定理和电磁理论(驻波法)得出：228(,)kTTcT=1646k(,)T实验瑞利-琼斯维恩(,)TkTdcd20308)(此外存在“紫外光的灾难”黑体可看作一组连续振动的带电谐振子，这些谐振子的能量应取分立值，这些分立值都是最小能量的整数倍，这些分立的能量称为谐振子的能级。Planck-德国物理学家，（3）普朗克（1900年）对黑体辐射的解释可见：黑体与辐射场交换能量只能以为单位进行，亦即黑体吸收或发射电磁辐射能量的方式是不连续的，只能量子地进行，每个“能量子”的能量为h()2h基于能量子假设，Planck利用统计物理推导出与实验符合得很好的黑体辐射公式——Planck公式：33/8()1hKThddCe2331(,)1cCTcCTe其中（称为Planck常数）sJh341062606898.6注：Planck的“能量子”突破了经典物理学在微观领域的束缚，打开了认识光的粒子性的大门。212228(,)cCTkTTcC2313(,)cCTcCTe2331(,)1cCTcCTePlanck公式讨论0维恩公式瑞利-琼斯公式1918年Planck由此获得诺贝尔物理学奖二、光电效应与Einstein的光量子光电效应——光照射到金属上，有电子逸出UGAK实验装置实验结果：光频率，才有电子逸出；c光电子能量决定于光频率；光电子数目决定于光强。•光电效应的这些规律是经典理论无法解释的。按照光的电磁理论，光的能量只决定于光的强度而与频率无关。此外，光电效应具有瞬时性，其响应速度很快10-9秒。经典认为光能量分布在波面上，吸收能量需要时间。光子的能量hEkhchcEP光子的动量kp在Planck能量子假设的启发下，爱因斯坦提出了“光量子”的概念，他认为，不仅黑体与辐射场的能量交换是量子化的，而且辐射（光）是由一颗颗具有一定能量的粒子组成的粒子流，这些粒子称为光子（光量子）（——波矢量）k爱因斯坦（1905年）对光电效应的解释光电效应的解释)(21002hwh（光电效应方程）当or无电子逸出0wh0当or有电子逸出0wh0电子的逸出功hw00（——临界频率）0在的条件下,当越大，即光强越强，光子密度大，产生电子数越多0IhEkp光的波动性和粒子性是通过普朗克常数联系在一起的。(,)k(,)EPEinstein因发现光电效应定律获得了1923年的诺贝尔物理学奖。注：利用光子的概念可解释光电效应，可见光电效应体现了光的粒子性。sJh34100546.121916年，密立根实验证实了光子论的正确性，并测得1923年，美国物理学家Compten用X射线入射到碳、石墨等原子质量很轻的靶上，进行光散射实验。准直系统入射光0散射光探测器石墨散射体3．康普顿散射(1922—1923)Compton散射是对光的粒子性的进一步证实。康普顿散射实验§1.2光的波粒二象性(续7)（2）康普顿的解释：X射线光子与“静止”的“自由电子”弹性碰撞:碰撞过程中能量与动量守恒2221cc201vccnn（1）经典电磁理论的困难：散入碰撞前X射线光子的能量（104～105eV）电子的能量2chnC0hnCv反冲电子能量守恒：2221cc动量守恒：cos1cos2ccsin1sin02ccc22消除与24sin2c散射波的波长随散射角的增加而增大，与实验结果完全符合。1923年威尔逊云室实验观测到了反冲电子轨迹；验证了康普顿解释康普顿和威尔逊合得1927年诺贝尔物理学奖康普顿散射实验的意义:康普顿散射进一步证实了光子论(光的量子性），证明了光子能量、动量表示式的正确性，光确实具有波粒二象性。另外证明在光电相互作用的过程中严格遵守能量、动量守恒定律。普朗克和爱因斯坦的理论揭示了光的微粒性，然而抛弃光的波动理论也是不可取的。因为光的波动理论早已被干涉、衍射等现象所完全证实光以两种方式表现：波和微粒。光的波粒二象性EhhPnkPlanck常数：在新的理论中，Planck常数起着关键作用，当h的作用可以略去时，经典理论是适用的，当h的作用不可忽略时，经典理论不再适用。因此，凡是h起重要作用的现象都称为量子现象。hsJh34100546.12§1.3原子结构的玻尔理论经典物理的另一类困难来自原子结构和原子谱线。经典物理学不能建立一个稳定的原子模型。根据经典电动力学，电子环绕原子核运动是加速运动，因而不断以辐射方式发射出能量，电子的能量变得越来越小，因此绕原子核运动的电子，终究会因大量损失能量而“掉到”原子核中去，原子就“崩溃”了，但是，现实世界表明，原子稳定的存在着。氢原子光谱有许多分立谱线组成。1885年瑞士巴尔末(Balmer)发现紫外光附近的一个线系，并得出氢原子谱线的经验公式,即著名的巴尔末公式：22113,4,5,2HRCnn711.0967757610,HRmRydbergC其中是氢的常数是光速。后来又发现了一系列线系，它们可用下面公式表示：mnnmCRH2211由经典的力学和电磁理论得不到稳定结构的原子和离散的原子谱线原子结构的玻尔理论经典物理的另一类困难来自原子结构和原子谱线。由经典的力学和电磁理论得不到稳定结构的原子和离散的原子谱线1912年，时年27岁的丹麦物理学家玻尔（Bohr）来到卢瑟福（Rutherford）实验室对原子结构的谱线进行研究，为解释氢原子的辐射光谱，1913年提出原子结构的半经典理论，其假设有两点：获得1922年诺贝尔物理学奖（1）特定的定态轨道轨道量子化条件:（2）定态跃迁频率()1,2,3,LLnn==hhL电子的角动量只能取的整数倍，即原子处于定态时不辐射，但是因某种原因，电子可以从一个能级En跃迁到另一个较低（高）的能级Em，同时将发射（吸收）一个光子。光子的频率为：+vre1.玻尔假设mnEEh2.量子化条件的推广由理论力学知，若将角动量L选为广义动量，则θ为广义坐标。考虑积分并利用Bohr提出的量子化条件，有nhndnLd2索末菲将Bohr量子化条件推广为推广后的量子化条件可用于多自由度情况，这样索末菲量子化条件不仅能解释氢原子光谱，而且对于只有一个电子（Li，Na，K等）的一些原子光谱也能很好的解释。对玻尔理论的评价成功地解释了原子的稳定性、大小及氢原子光谱的规律性。定态假设（定态具有稳定性和确定的能量值）依然保留在近代量子论中。为人们认识微观世界和建立量子理论打下了基础。iiiPdqnho玻尔理论无法克服的困难(1)只能解释氢原子及碱金属原子的光谱，而不能解释含有两个电子或两个电子以上价电子的原子的光谱。(2)只能给出氢原子光谱线的频率，而不能计算谱线的强度及这种跃迁的几率，更不能指出哪些跃迁能观察到以及哪些跃迁观察不到。玻尔理论是经典与量子的混合物，它保留了经典的确定性轨道，另一方面又假定量子化条件来限制电子的运动。它不能解释稍微复杂的原子问题，并没有成为一个完整的量子理论体系,是半经典量子理论。正是这些困难，迎来了物理学的大革命。1924年，时为研究生的青年物理学家德布罗意在Einstein光量子理论的启发下，注意到经典理论在处理电子，原子等实物粒子方面所遇到的困难，是否会是经典理论走了另一个极端，即仅注意到粒子性一方面，而忽视了其波动性一方面。§1.4微粒的波粒二象性一.德布罗意假设——微粒的波粒二象性于当年向巴黎大学理学院提交的博士论文中提出：在光学上，比起波动的研究来，过于忽略了粒子的一面；在物质理论上，是否发生了相反的错误，是不是我们把粒子的图象想得太多，而过于忽略了波的图象。指出一切物质粒子（原子、电子、质子等）都具有粒子性和波动性，