2、量子力学的产生

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1、2、量子力学的产生杨振宁教授：“二十世纪物理学的主旋律是：量子化、对称性和相因子”.在自然哲 学观上，量子论带给了我们前所未有的冲击和震动，甚至改变了整个物理世界的基本思想。 它的观念是如此地革命，乃至最不保守的科学家都在潜意识里对它怀有深深的惧意。如果光波具有电的性质的话，它们就必定是从运动中的电荷出发的，初看起来，只要 新发现的电子是按照牛顿的动力学运动的，我们就可以得到一个令人满意的物质本源于电 的学说。但是，如果电子围绕着原子核而运动，就象行星围绕着太阳运行一样，它们就应 该放射出一切波长的辐射，能量就应该随着波长的缩短按可以计算的方式增加。但是，事 实并不是这样；为了解释这个事实，普

2、兰克（Planck）就假定辐射是按确定的单位，即量 子，而射出和吸收的，每一个量子都是一定量的“作用”，这个量相当于能量乘时间。t? 1234567 S/ mn普朗克希望通过分析热辐射，能够解开热学和电磁学之间联系的奥秘。他想通过自己 的研究，将物理学中这两个领域彼此不相矛盾地统一起来。突然，他当时面临一个事实， 发现某些辐射过程具有不连续量子的特性，这一点无法纳入经典物理学世界观中去。1900 年，普朗克抛弃了能量是连续的传统经典物理观念，导出了与实验完全符合的黑体辐射经 验公式。在理论上导出这个公式，必须假设物质辐射的能量是不连续的，只能是某一个最 小能量的整数倍。普朗克把这一最小能量单位

3、称为“能量子”。普朗克的假设解决了黑体 辐射的理论困难。普朗克还进一步提出了能量子与频率成正比的观点，并引入了普朗克常 数h。量子理论现已成为现代理论和实验的不可缺少的基本理论。普朗克量子假设构成物体 的分子、原子可视为在各自平衡位置附近振动的带电线性谐振子，这些振子既可以发射辐 射能，也可以吸收辐射能。谐振子发射和吸收辐射能量是某些分立状态，是最小能量单位hv 的整数倍，即发射或吸收电磁辐射只能以量子方式进行，每个能量子能量为s = hv，其中 h是普朗克常量，v为谐振子的振动频率。能量不连续的概念与经典物理学是完全不相容 的！普朗克在1900年10月19日，提出一新的黑体辐射公式(普朗克公

4、式)，它与实验惊 人符合。2n cih1M入(T)= 人 5 ehc /(kkT)-1p dv = 8nhv3dvvc 3hvekT -1h叫普朗克常数 单位：6.62559*10-34焦尔.秒。我们还是引用一段库珀书上的话：在普朗克的作用量子的假设中，并没有考虑到电子那样的实物和光的相互间的关系，所以普朗克的关系式可以说是凭空想出来的、毫无根据的东西，它对于经典物理学来说也是大逆不道的。甚至普朗克本人，还有其它 人，都希望能有某种方式是这个关系式消失掉。普朗克写道：他“试图将和纳入经典物理学的范畴，但是一切试验都失败了，这个 量显得非常顽固。”他又写道：“想越过这个泥潭的一切尝试都失败了，这

5、使人们毫无疑义地很快意识 到，作用量子在原子物理学中将起重大的作用”最后，他说：“在好几年时间内，我花费了很大的劳动，徒劳地去尝试如何将量子 作用引入到经典理论中去。我的一些同事把这看成是某种悲剧。但我自己有不同的看法， 因为我从深入的剖析中获得极大的好处。要知道，起初我只是倾向于认为，而我现在确 切地知道，做用量子将在物理学中发挥巨大的作用”1901年，Planck关于普适作用量子的出现，形成了物理学发展中的一个转折点；这一 发现揭示了原子过程中的一种整体性特色，这是完全超出于经典物理概念之外的，甚至是超 越了物质有限可分性这一古代学说的。量子力学对经典物理学的冲击：在原子模型中起作用的原则

6、上连续的概念被说成是错 误的，尽管在某一个事实领域中的过程能用旧的模型很好地描述，它的基本概念严格说是 不合法的。Bohr认为为了实验性地建立一门新的、更广泛的力学，使它也能适用于原子内部的运 动。不妨假设在古典理论所考虑的所有无限多种运动类型当中，只有少数几种特定的类型 才能在自然界中实现，这些许可的运动类型(轨道)，应该根据一定的数学条件，即根据 Bohr理论中所谓量子条件来选择，一个绕核公转的电子角动量只能为h/2兀的整数倍。这 些条件的选法，使得它们所施加的一切限制，在运动粒子的引力质量比我们在原子结构中 所碰到的引力质量大得多场合下，实际上是没有意义的。在分析现象的一切阶段中，所涉

7、及的作用量都要远远大于普适量子。【1】这样以来，这种新的微观力学在应用到宏观物体 上时所得到的结果，完全与旧的古典理论完全相同了（这就是对应原理）只有在细微的原 子机器中，这两种理论的分歧才具有重大意义。在最一般的形态上，对应原理可以这样表 述：其正确性对于一定范围的现象来说，已由实验所确立的理论，随着新的理论的出现， 并没有被抛弃，而是保持自己对于原来现象领域的意义，把自己作为新理论的极限形式和 局部情况。新的理论的结论在旧的经”理论成立的地方，过渡到经典理论的结论，包含 某种特征参量（这种特征参量的意义在旧的和新的现象领域中是不同的）的新理论的数学 工具。在特征参量具有适当数值的情况下，过

8、渡到旧理论的数学工具。不是微观物理与宏 观不同，而是用于微观世界的量子力学用到宏观世界其效应就几乎没有了。对应原理的产 生，用Bohr的话来说：“在定态之间较少区别的边界领域内，在光谱和原子体系运动间达 到简单的渐进对应的意图。” “根据这个原理，同辐射的发射或吸收相联系的任何一个跃迁 过程的实现，是有体系运动的一定相应和谐成份的存在所决定的、。至于涉及到辐射的结 构，那么直接这个原理的涵义就应该预料到，辐射将反映震动相应成份的性质，这些成份 将以某种方式被经典电动力学的要求所决定，后者提供电子体系的辐射同它的运动方向之 间的直接联系。”自1932年发现中子以来，原子核物理学取得了举世瞩目的长

9、足进展。近几十年来，随 着核探针能量和种类的增加，核物理学在新的自由度和新的层次上不断取得新成果。对非 核子（特别是夸克）自由度、更高能量自由度、质子-中子比自由度、角动量自由度的研究， 将是今后的一个重要方向。特别是80年代末出现的放射性核束，使核反应探针在核素图上 从稳定核素发展到不稳定核素。远离稳定线的新核素，特别是滴线核以及超重核、奇特核 的合成和研究，将会对原子核物理学的发展起到积极的推动作用。以研究复杂多体系统为主的凝聚态物理学，是当代物理学中内容最丰富、应用最广泛 的一门分支学科；也是当前物理学研究中最活跃、最能激发人的创造智力的研究领域。这一 领域的一系列发现，已经并正在对其他

10、学科（包括化学、生物学、数学等）产生了重大影响； 并通过它所诱发的高新技术进展，对人类生活产生了巨大影响。凝聚态物理前沿研究此起彼 伏，发展迅速，使人目不暇接。它的发展大趋势将是现有分支领域强化研究，又不断开拓出 新的领域，制备出更多更高性能的新材料，发现令人意想不到的新现象。超导电性物理、晶 体学、磁学、表面物理、固态发光物理、液态物理、生命现象中的物理问题、极端条件下的 物理等研究内容，成为当前凝聚态物理学广阔的前沿领域。其中低维凝聚态物理与以发现新 的有序相、有序相的对称破缺、以及这些新相的物理性能为主要目标的研究工作，更是这一 学科中最具活力的重要发展前沿。在今后十多年，可以期望凝聚态

11、物理的研究取得新的重大 发现和进展。等离子体物理是物理学中一个年轻的分支学科。等离子体物理的研究已经成为 人类认识宇宙、控制地球环境变化、以及最终解决能源问题的基础和保证，同时它还开辟了 很多新技术与新应用的发展途径。热核聚变等离子体、空间等离子体、天体等离子体和技术 与高技术等离子体的研究，愈来愈受到重视。原子分子物理是微观世界的第一个层次，它的 基础性强，应用面广，其发展直接或间接地推动了电子学和电子产业、光电子学和激光产业 的诞生和发展，还形成了量子化学、分子反应动力学、分子生物学和分子天文学等一批交叉 学科。原子分子激发态结构和动力学理论的研究，是当前原子分子物理学中最活跃的领域。 这

12、一学科的发展，在推动科学技术发展、社会进步和提高国防能力方面，将发挥重要作用。量子力学的创立，揭示了微观世界的基本规律，为原子物理学、固体物理学、核物理 学、粒子物理学和半导体物理学的发展奠定了理论基础。量子能带理论的建立，使人们对半 导体的性能有了认识，导致了晶体管和大规模集成电路的产生，引导了 20世纪微电子技术、 激光技术、通信技术等现代高新技术的空前发展。同时，也为超导电性的研究、液晶研究和 介观物理研究打开了一扇大门。相对论和量子论，不仅是现代物理学而且也是整个自然科学的两大基石。玻尔、爱因斯 坦、普朗克被称为量子论的三大教父之一，是量子论最主要的奠基人。参考文献：【1】Einstein著 方在庆 韩文博 何维国 译.Einstein晚年文集 海南出版 社 2000年3月第1版