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1、1 量子力学论文题目:量子力学发展历史及应用领域学生姓名武术专业电子科学与技术学号_ 222009322072082 班级2009 级 2 班指导教师张济龙成绩 _ 工程技术学院2011 年12 月名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 9 页 -2 量子力学发展历史及应用领域武术西南大学工程技术学院，重庆 400716 摘要:量子力学发展至今已有一百年了，它发展的道路并不是一帆风顺的。这一百年虽是艰难的，但是辉煌的。此后，人们发现量子力学与现代科技的联系日益紧密，它的发展潜力是不能低估的。本文从两个部分逐次论述了量子力学的发展及应用。第一部分是量子力学的发展，这部分阐述
2、了早期量子论。第二部分是量子力学的应用，这部分阐明了量子力学在固体物理和信息科学中的应用。关键词：早期量子论；量子力学的发展；量子力学的应用量子力学诞生至今一百年。经过一百年的发展，它由原子层次的动力学理论，已经向物理学和其他学科以及高新技术延伸。而事实上，它已超出物理学范围；它不仅是现代物质科学的主心骨，又是现代科技文明建设的主要理论基础之一。建立在量子概念的量子力学及其物理诠释，促使人类的思想观念产生根本性转变；虽然这新概念很抽象，但就目前文明的空前繁荣而言，量子力学所产生的影响是相当广泛的。而看看量子力学的前沿性进展新貌，则会感到心驰神往。量子力学可谓是量子理论的第二次发展层次，第一次常
3、称作早期量子论，第三次就是量子场论。本文除了论述这三个层次以外，又说了它在现代物理乃至现代物质科学中的地位，阐述了它应用的状况。一.量子力学的发展19 世纪末 20 世纪初，人们认为经典物理发展很完美的时候，一系列经典理论无法解释的现象一个接一个的发现了。经典力学时期物理学所探讨的主要是用比较直接的实验研究就可以接触到的物理现象的定理和理论。牛顿定理和麦克斯韦电磁理论在宏观和慢速的世界中是很好的自然规律。而对于微观世界的名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 9 页 -3 物理现象，经典物理学就显得无能为力，很多现象没发解释。这些困难被看做是“晴朗天空的几朵乌云”，正是这
4、几朵乌云引发了物理界的变革。下面简述这几个困难：黑体辐射完全黑体在与热辐射达到平衡时，辐射能量密度随频率变化会有一个曲线。韦恩从热力学普遍理论考虑以及分析实验数据的得出一个半经验公式。但是韦恩公式并不是与所有实验数据吻合的很好。在长波波段，韦恩公式与实验有严重偏离。这促使普朗克在韦恩公式和瑞利-金斯的公式之间寻求协调统一，结果得出一个两参数的普朗克公式，此公式不仅与实验符合的最好，而且形式最简单（韦恩公式除外）。普朗克提出这个公式后，许多实验物理学家立即用它去分析了当时最精确的实验数据，发现符合的非常好。他们认为，这样简单的一个公式与实验如此符合，绝非偶然，在这公式中一定蕴藏着一个非常重要但尚
5、为被人们揭示出的科学原理。光电效应直到电子发现后，人们才认识到光电效应是由于紫外线照射，大量电子从金属表面逸出的现象。经过实验研究，发现光电效应呈现下列几个特点：对于任何一种金属都有一个确定的临界频率。照射光频率必须大于临界频率时，才能观测到光电子从电极上逸出。光电子的能量与照射光的频率有关，而与光强度无关。光强度只影响到光电流的强度即单位时间从金属电极单位面积上逸出的电子的数目。这些都与经典电磁理论是不相符的，经典的电磁理论是无法解释这些特点的。原子的线状光谱及其规律人们拥有很多关于光谱的资料，对这些资料进行整理与分析后，发现光谱线波长有一定的规律且原子光谱是呈分离的线状光谱而不是连续分布。
6、这样人们自然会提出疑问：原子的线状光谱产生的机制是什么？这些谱线的波长为什么有这样简单的规律？原子的稳定性卢瑟福的原子模型成功的解释粒子的大角度偏转，但它也是不完美的，还存在着一些问题：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 9 页 -4 二早期量子论2.1 普朗克的量子假说1900 年，普朗克推导出一个关于黑体辐射的公式：33811hvkThvce。这个公式称为普朗克公式。此后他致力于找出这个公式的真正的物理意义，他根据玻尔兹曼的思想，作了如下假设：黑体是由带电谐振子组成，这些谐振子的能量不能连续变化，只能取一些分立值。谐振子的最小能量为h，这个最小能量称为能量子，h
7、称为普朗克常数。谐振子的能量是能量子的整数倍。能量子概念的提出，实在是很震撼人心，它打破了经典物理连续、平滑的概念。人们是很难接受的，连普朗克本人都感到困惑，它会带来革命性的变革。2.2 爱因斯坦的光量子理论普朗克早期量子论文章的知音很少，其中之一就是在伯尔尼专利局工作的一个年轻的专利审查员阿尔伯特爱因斯坦。爱因斯坦觉得，能量元素的假设是生动，实在的，也令人惊骇，“似乎脚下的地板被拖走了，悬在那里，望哪里都看不见任何能建立它的基础。”此后，爱因斯坦一生都致力于寻找“坚实的基础”。没等从概念上找到令人满意的基础，爱因斯坦便着手继普朗克工作之后，发现再次使量子理论跨出伟大一步的原理了。爱因斯坦用同
8、普朗克1900年文章类似的风格，简短，聪明，多方面地讨论，发展了光子的概念。熵概念和热力学基本方程再次打开了通向量子王国之门，辐射场熵方程使得场就像是一个包含大量但是有限数目个独立粒子的理想气体，每个辐射量子按现在的说法就是光子携带着总量由普朗克能量元素h给出的能量，其中v现在表示辐射频率，如果有N个光子，那么总能量就是ENh。这是 1905年，普朗克的量子假说仍然还没什么人注意，爱因斯坦却将它用到了光和其他辐射场，跨出了普朗克自己十年之久都不愿意迈出的一步。爱因斯坦引用的最重要的实验证据就是“光电效应”，即明亮的紫外光照到真空中制备的纯净金属表面会产生电流。爱因斯坦认为，只要认为实验中的照明
9、光就是粒子型光子的集合。最简单的方式是设想这是一个光子将全部能量释放给一个电子的过程，我们也就假设这就是真实发生的事件。爱因斯坦就是这样利用普朗克的量子假说提出光量子概念从而解决了光电效应问题。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 9 页 -5 2.3 玻尔的原子量子论1911 年，英国物理学家卢瑟福提出了一个崭新的原子结构模型：原子内部的大部分空间都是空虚的，它的中心有一个体积小，质量很大，带正电荷的核，带负电的电子则以某种方式运动于核外的空间中。这个原子模型看起来更像一个微型的太阳系，原子核是太阳，电子是围绕太阳运行的行星。一个新的原子模型建立了，但还不完善，还有许
10、多问题，尤其在电磁理论方面面临着严重的困难。经典的麦克斯韦电磁理论预言，电子绕原子核运动时，由于电荷异性相吸，将会不可避免地相互靠近并释放出辐射能量，最后原子的能量越来越小，电子最终落到原子核上消失。换句话说，卢瑟福描述的原子是不可能稳定存在超过1 秒的，以此构成的物质世界根本就不可能存在。现在，卢瑟福模型需要更好的解释，它在需要一种叫做量子化的理论解释。在卢瑟福原子模型与麦克斯韦电磁理论遭遇到无法调和的矛盾时，年轻的玻尔面临着一次学术信仰的抉择，凭借对科学的远见卓识，玻尔选择了卢瑟福原子模型。玻尔把普朗克-爱因斯坦的概念创造性的运用来解决原子结构和原子光谱的问题，提出了他的原子的量子论。主要
11、包括两个方面：原子能够而且只能够稳定地存在于与离散的能量相对应的一系列状态中。这些状态称为定态。因此原子能量的任何改变，只能在两个定态之间以跃迁的方式进行。原子在两个定态之间跃迁时，吸收或发射的辐射的频率是唯一的。普朗克的能量量子论，爱因斯坦的光量子论和玻尔的原子量子论，构成我们常说的早期量子论。从历史顺序看这似乎是一脉相承，甚至是顺理成章的，可是事实上他们三人各有独到之处。虽然早期量子论未能完全从经典物理学的观念脱颖而出成为一个完整的理论体系，但是它为量子力学的建立打下了坚实的基础。2.4 德布罗意物质波继玻尔之后在量子力学上做出突出贡献的是法国科学家路易德布罗意。路易德布罗意于1923年提
12、出物质波的概念是现代量子力学诞生的一块基石。正如爱因斯坦所言：“厚幕的一角被德布罗意揭开了。”1929 年，德布罗意接受了爱因斯坦的观念把光看作粒子(质量2/hc，动量/hc)，试图导出黑体辐射公式，但只导出了与维恩位移公式相同的结果。随名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 9 页 -6 后通过类比分析，他强烈的感到把波与粒子统一起来的必要性，结果，他成为划时代的物质波概念的创立者。1923 年 9 月 10 日、9 月 24 日、10 月 8 日，路易德布罗意在法国科学院会议周报导报上发表了三篇论文，其标题分别是波与量子，光量子衍射和干涉量子，气体的动力学理论和费马原
13、理。1924 年他向巴黎大学提交的博士论文关于量子理论的研究中对前几篇论文进行了系统的总结，进一步发展和完善了他的学说。这篇论文收录在物理学年鉴中，他也因此而获1929 年诺贝尔物理学奖。在这篇论文中他把相对论中E=2mc作为基础，把爱因斯坦关于光的波粒二象性推广到所有的粒子，把光的波动性学说和粒子学说进行了综合。德布罗意指出爱因斯坦公式ENh不仅适用于光子，而且适用于电子，即一向被认为是粒子的电子具有波的性质。其波长/hp这就是著名德布罗意的公式。德布罗意物质波的提出是需要非凡的勇气的，因为在当时并没有任何直接的实验证据，在爱因斯坦的推荐下，德布罗意的物质波学说才在物理学界引起了广泛重视。物
14、质波假说导致了1926 年薛定谔波动力学的诞生，1927 年戴维逊和革末用电子束在镍晶体表面散射产生的衍射现象证实了德布罗意物质波假说的正确性。三量子力学的应用3.1 量子力学在固体物理上的应用量子力学是描述微观粒子运动规律的理论。海森伯和布洛赫最先把量子力学应用于固体物理。这里主要介绍布洛赫的固体能带理论。我们知道导体易导电，半导体在一定的条件下才导电，绝缘体不导电。这些问题很长时间里人们无法解决。而能带理论很好的解释了其中的缘由。一个完全填满电子的能带是满带，由于能带处于均匀分布填满的状态，所以满带电子不导电。未满带电子的分布不再对称，因而会出现一定的宏观电流，所以不满带中的电子才导电。那
15、么，导体的能带中一定有不满的带，绝缘体的能带中就只有满带和空带。半导体的能带结构与绝缘体没有本质区别，只是分割价带名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 9 页 -7 和导带的禁带宽度较小。接近绝对零度时，半导体导电性接近于绝缘体，但如果达到一定的温度就会导电。能带理论用量子力学的方法阐明了电子在晶格中的运动规律和固体的导电原因等。它是量子力学在固体物理上的比较成功的重要的应用。3.2 量子力学在信息学上的应用量子力学自创立以来已取得巨大的成功。量子力学不仅解释了原子、原子核的结构、固体结构、元素周期表和化学键、超导电性和半导体的性质等，而且促成了现代微电子技术的创立，使
16、人类进入了信息时代，促成了激光技术、新能源、新材料科学的出现。量子力学的概念和原理至今仍使人困惑，像量子态的纠缠性，非定域性等。这些原理开始被人类利用在信息科学中。3.2.1 量子计算机信息科学研究的是信息的产生、加工、存储与处理及对信息传输的有效性、可靠性等。而重要的环节是芯片，不断提高芯片的集成度是计算机乃至信息科学的核心。但计算机芯片的逻辑运算过程是个不可逆的操作，将影响芯片的集成度。目前人们认为量子计算机是最具发展前景的。量子力学和计算机看似毫无关系，但他们的结合却产生了一门也许从根本上影响人类未来发展的新兴学科量子计算机。1985 年，D Deutsch 根据量子力学的基本原理和特性
17、，系统的研究了量子计算机的一般模型。他提出了量子图灵机的概念，描述量子计算机的结构，定义了量子网络的表述方法，且预言量子计算机的高效性能。1994 年，PShor发现了一种量子算法，这个算法能成千上万倍的提高大数分解的速度。1996 年，Grover 又发现了量子搜索法，它是利用一种迭代算法，在设想的量子计算机上实现未加整理的数据库中搜索目标数据。利用这种算法，比经典计算机的搜索要快很多。到目前为止。还没有一台量子计算机的出现。怎样实现量子计算机，人们提出了不少的方案，但对微观量子态的操作实在太困难了。但总体来讲，实现名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 9 页 -8
18、量子计算，已经不存在理论上的困难。也许在不远的将来，量子计算机一定会成为现实，这中间还会有一段艰难而曲折的道路。3.2.2 量子通信量子力学中的纠缠性与非定域性可以保障量子通信中的绝对安全的密码系统，保证量子信息的隐形传态。利用量子态编码和携带信息，进行加工、处理、传输和提取信息就是量子通信过程。整个过程要遵循量子力学原理。经典信息中的信息单元是比特，在物理学上比特就是两态系统，它可以制备为两个可以识别的状态。在数字电路中，晶体管不是在截止状态就是在饱和导通状态，我们把截止状态记作1，饱和导通状态记作0。这两个状态便构成一个比特。在量子信息中的信息单元是量子比特，它是两个量子态0和1的叠加。其
19、中0和1代表一个粒子的两种可能的状态。量子力学的应用是非常广泛的。像量子力学在医学、生物、化学、光学、信息科学等学科上的应用，导致很多交叉性学科发展并日趋成熟。正是这些学科的发展，导致社会经济大幅度提升。从而，量子力学为社会带来福音。四.总结语量子力学是对经典物理学在微观领域的一次革命。19 世纪末经典物理出现了危机，一系列现象经典物理无法解释。这时，普朗克、爱因斯坦、玻尔为了解释这些现象提出了早期的量子理论。而后德布罗意提出了物质波这一概念，薛定谔就沿着物质波的思路于1926年提出了波动力学。在数学上与波动力学等价的矩阵力学于 1925年由海森伯提出。表象理论、不确定原理、氦原子和氢分子、相
20、对论狄拉克方程等工作进一步完善了量子力学。量子力学不仅适用于原子层次而且又延拓到量子场论体系如量子电动力学和量子色动力学。量子力学的应用像固体能带理论，量子计算机、量子通信、量子化学等，它们的发展日益成熟科技水平显著提高。最终我们的经济社会生产力水平大幅度提升。以上就是本文的全部内容，本文只做了些理论上的探讨，成果是很少的。由于时间的紧迫和缺乏经验，文章仍存在许多缺点和不足，希望在以后的物理学习过程中我能继续钻研量子力学，使理论更加完善。近年来，人们已经能够通过实验在实验室中大规模地检验历史上留下的关于量子力学能否正确描述宏观物体自由运动及量子力学的“非定域性”的基本名师资料总结-精品资料欢迎
21、下载-名师精心整理-第 8 页，共 9 页 -9 问题的论争，已经能够通过具体模型的构建去替代过去思辨式的讨论，能够把基本量子特性直接应用到信息和生命等领域，从而可能导致交叉领域的重大进展。人们需要更加关心经典世界和量子世界交流和沟通的基本问题。它们可能孕育着 21 世纪重大的科学突破。参考文献：1 曾谨言量子力学 M 科学出版社,2007 2 钱伯初量子力学 M 高等教育出版社,2006.1 3 郭奕玲,沈慧君物理学史 M 清华大学出版社,2005 4 彭恒武量子力学的诞生和发展从量子论到量子力学J 物理,2001 5 沈葹量子力学的光辉八十年J 世界科学,2006 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 9 页 -