了解量子

1. 了解量子 （早期量子论简介） 华中科技大学武昌分校 姜大华

2. 讲述提纲 • 一 物理学的黄金岁月—— 二十世纪初的物理学 • 二 量子史话 • 三 启示——站在物理之外

3. 一个刻不容缓的问题 吴健雄指出：应该把人类文化已经长时期分割的两种文化——科学文化和人文文化在学校校园里重新加以弥合，以避免社会可持续发展中出现危机。

4. 教育与人 • 人不应该作为手段，作为机器上的齿轮。人是有自我目的的，它是自主、 自律、自决、自立的，是由他自己来引导内心，是出于自身理智并按照自身的意义来行动的。 ——康德 • 教育是人的个性、特性的一种整体发展，教育是一个人一辈子都不可能结束的过程教育是人的自身目的，也是人的最高价值体现。 ——洪堡

5. 讲课目的——做一个和谐的人 • 了解物理 开阔眼界 • 学习知识 感受方法 • 思考问题 体会责任 • 德、 智、体、能、美

6. 一 物理学的黄金岁月——二十世纪初的物理学1．物理学概貌

7. ２.巨大成功与潜在危机 • 英国科学家开尔文（ Kelvin）勋爵 William Thomson（1824-1907年） • “物理学已经被认为是完成了，下一代物理学家可以做的事情看来不多了。”

8. 远见卓识 • “在物理学平静而晴朗的天空出现了两朵令人不安的乌云。…热和光理论的优美性和明晰性被两朵乌云遮蔽得黯然失色了”。

9. 两朵乌云 • 第一朵乌云是指两位美国物理学家迈克尔孙（1882-1931）-莫雷（1838-1923）实验，它包括了这样的一个问题：地球如何通过本质上是光以太（aether）这样的弹性固体而运动呢？它导致了相对论的建立； • 第二朵乌云是指经典热力学中麦克斯韦-玻尔兹曼关于能均分的学说，与黑体辐射有关（物体的热辐射），它导致了量子物理的诞生。

10. 另劈蹊径 指出方向 • “达到所期望结果的最简单途径就是否定这一结论”。

11. 预言未来 • “对于在19世纪最后四分之一时间内遮蔽了热和光的动力理论上空的这两朵乌云，人们在20世纪就可以使其消散”。

12. 相对论 • 量子力学

13. 相对论: 关于高速运动物体的运动规律 • 量子力学: 关于微观领域粒子的运动规律

14. ３．二十世纪初物理学大事记 • 二十世纪头三十年，从量子诞生到建立量子物理学，涉及到的物理学界精英有16位，获得诺贝尔物理学奖项共8项。 • 早期量子论的三大先驱： 德国物理学家普朗克 Planck（1858-1947） 德国物理学家爱因斯坦 Einstein （1879-1955） 丹麦物理学家玻尔 Bohr（1885-1962）

15. 1900年Planck（1858-1947）提出著名的能量子假设——在辐射场中有大量各种频率的谐振子,一个频率为的谐振子的能量是不连续的,只能是能量子的整数倍（ quantum of energy ）。标志着量子物理学的诞生，开创二十世纪量子物理革命新纪元。 • 1905年 Einstein （1879-1955）光量子假说（Light quantum）1900年，年仅 21岁的爱因斯坦对于新生儿量子表现出极大的热情和勇气,他进一步提出了光量子,捍卫并发展了量子论，不愧为量子物理的先驱。 • 1913年Bohr（1885-1962）氢原子理论( 尼尔斯·玻尔 哥本哈根大学哲学博士)在卢瑟福（E.Rutherford1871-1937）原子结构行星模型的基础上,结合能量子和光量子假说, 给出量子化的原子结构。

16. 1900年　Planck（1858-1947）能量子（energy quantum ） • 1905年 　Einstein （1879-1955）光量子（Light quantum） • 1913年　　Bohr（1885-1962）玻尔模型-氢原子理论 • 1924年　　L.de Broglie 物质波 • 1927年　　Davison(1881-1958) Germer(1896-1971)，　　J.P.Thomson(1892-1975)．电子的晶体衍射,证实了电子的波动性 . • 1925年　　　Heisenberg（1901-1976）矩阵力学 发展了量子力学，提出不确定关系，拼弃了轨道概念. • 1926年　　E.Schrodinger （1887-1961）波动力学，波函数，薛定谔方程。 • 1928年　　Dirac（1902-1984）狄拉克方程，奠定了相对论性量子力学基础

17. 量子（Ｑｕａｎｔｕｍ）的含义 　　　量子代表一定的份额。或者一份质量；或者一份电量；或者一份能量。 　　　量子化：电量的量子化，能量的量子化。 　　　量子化与连续变化相对应。

18. 量子物理研究什么？它有什么用？ • 微观粒子的运动规律是从对原子中的电子这样一个实物粒子的研究开始的。 • 量子物理的研究结果渗入到生物、化学、固体，材料等多个领域。 • 经典理论是决定性的，准确回答一个质点什么时候在何处，能量、动量是多少等问题。 • 微观理论是统计性的。只回答什么时候粒子在何处出现的可能性有多大。

19. 什么是统计规律 • 大数系统所呈现的规律 • 大数目与统计规律：数目越大，统计规律的结论与实际更符合。

20. 二、 量子史话 1．热辐射 由于物体内部带电粒子热运动而引起的辐射电磁波的现象称为热辐射。 2.任何物体在任何温度下都在辐射各种不同波长的电磁波，不同温度下，物体的热辐射以某一定波长范围的电磁波为主，物体的热辐射能量（功率）随波长呈现一定的分布。

21. 黑体模型 • 理想黑体就是能够百分之百吸收投射到它上面的电磁辐射而没有任何反射的物体。 • 密闭空腔上的一个小孔可以近似看成理想黑体。

22. 黑体辐射的理论推导结果与 紫外灾难 • 19世纪末，许多物理学家在经典物理的基础上对黑体的单色辐射出射度进行了研究，最有代表性的结果有两个。 • 维恩（Wein）的经验公式; 瑞利—金斯（Rayleigh-Jeans）的理论公式; 但是这两个公式分别在长波和短波部分与实验结果偏离。 • 普朗克突破了经典物理学的束缚，得到一个与实验规律完全相符的普朗克公式。

23. 量子诞生普朗克公式和能量子 • 1900年德国物理学家普朗克（Plank 1858-1947）对热辐射的研究有了突破性进展,他抛开经典热物理学中能量连续的概念,提出了能量子假设。

24. 能量子 • 频率为 的谐振子的最小能量为 • 上式称为能量子

25. （1）组成黑体腔壁的原子可看作带电线性谐振子，这些谐振子辐射电磁波，并与周围的电磁场交换能量。（1）组成黑体腔壁的原子可看作带电线性谐振子，这些谐振子辐射电磁波，并与周围的电磁场交换能量。 （2）这些谐振子的能量不能连续变化，只能取一些分立值，这些分立值是最小能量的整数倍。 假设频率为的谐振子的最小能量为 普朗克的能量子假设

26. 2.爱因斯坦光量子理论 • 光量子假设爱因斯坦在普朗克量子论的基础上，进一步假设光的能量不仅在光的发射过程中是量子化的，而且在光的吸收和光在空间传播的过程中同样具有量子性。按照爱因斯坦的假设，一束光就是一个个以光速运动的粒子组成的粒子流，这些粒子称为光量子，简称光子。

27. 3．德布罗意物质波 • 实物粒子的波粒二象性

28. 实物粒子的波粒二象性 • 飞行的子弹也象光波一样具有波长和频率。

29. 不确定关系 • 电子通过小孔后不保持原来的方向，而是可能向小孔后面任意一个方向飞行。其动量和位置不能同时准确确定，

30. 动量和位置 寿命和能量 不确定关系的数学表达

31. 不确定关系是微观粒子的波动性所表现出来的基本特性。对于经典的宏观物体，可以忽略其波动性，按照牛顿的经典理论进行描述。例如：物体的运动都有一定的轨道，在任意时刻沿轨道运动的粒子都有确定的位置、动量、角动量和能量等。然而对于微观粒子，其波动性质明显地表现出来，粒子在空间何处出现是一种随机行为，粒子的运动并不沿轨道进行，何时它在何处出现要靠概率来决定。量子力学给出这种概率的计算方法。不确定关系是微观粒子的波动性所表现出来的基本特性。对于经典的宏观物体，可以忽略其波动性，按照牛顿的经典理论进行描述。例如：物体的运动都有一定的轨道，在任意时刻沿轨道运动的粒子都有确定的位置、动量、角动量和能量等。然而对于微观粒子，其波动性质明显地表现出来，粒子在空间何处出现是一种随机行为，粒子的运动并不沿轨道进行，何时它在何处出现要靠概率来决定。量子力学给出这种概率的计算方法。

32. 4.玻尔（Bohr）氢原子理论 • 定态能级假设 • 跃迁频率假设 • 轨道角动量量子化假设

33. 5.薛定谔方程 • 量子力学的基本方程，它在量子力学中的地位与作用与经典力学中牛顿运动方程的作用是一样的。 • 由于微观粒子的波动性，粒子在空间何处出现是一种随机行为，粒子的运动并不沿轨道进行，何时它在何处出现要靠概率来决定。量子力学给出这种概率的计算方法。——求解薛定谔方程

34. 量子物理发展（按时间顺序）

35. 三、启示——世界的和谐 • 1.德布罗意：站在物理之外 • 2.玻尔：行星模型的鉴赏者 • 3.开普勒：《世界的和谐》

36. 统一即和谐：物理学家对统一性的追求是自始至终的。统一即和谐：物理学家对统一性的追求是自始至终的。 • 开普勒在天体的运动中听到了“和谐之声”；牛顿的万有引力把天地万物之间的吸引力统一；法拉第统一了电和磁；爱因斯坦把光的波动性和粒子性统一起来；德布罗意把实物粒子的粒子性和波动性统一起来；普朗克在连续中找到了间断，首创了能量子；卢瑟福在原子世界中看到了宇宙中天体“星系”；玻尔第一个发掘出卢瑟福模型中深藏的量子化概念，揭开了历时30年之久的氢原子光谱之谜，谱写了“思维上最和谐的乐章”.

37. “整个世纪以来， 在光学中，与波的研究方法相比，如果说是过于忽视粒子的 研究方法的话，那么在实物粒子的理论上，是不是发生了相反的错误，把粒子的图像想得太多，而过份忽视了波的图像呢？” 物理现象的非物理思考 实物粒子波长 1.德布罗意：站在物理之外

38. 2.玻尔： “最和谐的乐章” • 慧眼识金：行星模型的鉴赏者玻尔创造性地应用量子概念，提出原子能量量子化，轨道量子化。 • 爱因斯坦评价玻尔的氢原子理论：“这是非常出色的！这里面一定大有文章……” • “这是一个伟大的发现！” • “即便在今天，在我看来，也是一个奇迹！这简直是思维上最和谐的乐章.”

39. 3.开普勒：《世界的和谐》 • 德国物理学家开普勒（Kepler 1571-1630） • 物理学中的和谐之声——1619年开普勒发表《世界的和谐》一书，公布了行星运动的第三定律：行星绕太阳运动的椭圆轨道之长半轴a的立方与周期T成正比 a3/T2=K 开普勒把这个定律称为和谐定律。

40. “天体的音乐” • 开普勒认为各个行星都作椭圆轨道运动（第一定律）以及行星在相等的时间扫过相等的面积（第二定律）这一事实不是偶然的，只有发现各个行星运动之间存在的统一关系，才可以建立一个太阳系的整体模型，从而揭示出宇宙的和谐一致。他坚信“数的和谐”展示的是“ 天体的音乐”。

41. 结束语——劝学 • 学须静也，才须学也 ，非学无已广才，非志无已成学。 ——诸葛亮 • 苦和甜来自外界，而坚强则来自内心，来自一个人的自我努力。 ——爱因斯坦

42. 十年磨一剑， 不敢试锋芒； 再磨十年后， 泰山不敢当。 ——数学家王梓坤

43. 谢 谢 大 家！