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什麼叫量子力學?

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xweb 發表於 2008-7-18 07:51:59 | 顯示全部樓層 |閱讀模式

量子力學是描寫微觀物質的一個物理學理論,與相對論一起被認為是現代物理學的兩大基本支柱,許多物理學理論和科學如原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學以及其它相關的學科都是以量子力學為基礎。

19世紀末,古典力學和古典電動力學在描述微觀系統時的不足越來越明顯。量子力學是在20世紀初由蒲朗克、尼爾斯·玻耳、沃納·海森堡、薛丁格、沃爾夫岡·庖利、德布羅意、馬克斯·玻恩、恩里科·費米、保羅·狄拉克等一大批物理學家共同創立的。通過量子力學的發展人們對物質的結構以及其交互作用的見解被革命化地改變。通過量子力學許多現象才得以真正地被解釋,新的、無法直覺想象出來的現象被預言,但是這些現象可以通過量子力學被精確地計算出來,而且後來也獲得了非常精確的實驗證明。除通過廣義相對論描寫的重力外,至今所有其它物理基本交互作用均可以在量子力學的框架內描寫(量子場論)。

光與物質的交互作用

[編輯] 黑體輻射
19世紀末許多物理學家對黑體輻射非常感興趣。黑體是一個理想化了的物體,它可以吸收所有照射到它上面的輻射並將這些輻射轉化為熱輻射,這個熱輻射的光譜特徵僅與該黑體的溫度有關。使用古典物理這個關係無法被解釋。通過將物體中的原子看作微小的振蕩器馬克斯·蒲朗克得以獲得了一個黑體輻射的公式。但是在引導這個公式時他不得不假設這些原子振蕩器的能量不是連續的(這是古典物理學的觀點),而是離散的:


En=n.h.v

這裡n是一個整數,h是一個自然常數。(後來證明正確的公式應該以n 1 / 2來代替n,參見零點能量)。1900年蒲朗克在描述他的輻射能量子化的時候非常地小心,他僅假設被吸收和放射的輻射能是量子化的。今天這個新的自然常數被稱為蒲朗克常數來紀念蒲朗克的貢獻。其值為

h=6.626176.10 ^- 34JS

光電效應
1905年阿爾伯特·愛因斯坦通過擴展蒲朗克的量子理論提出不僅僅物質與電磁輻射之間的交互作用是量子化的,而且量子化是一個基本物理特性的理論。通過這個新理論他得以解釋光電效應。海因里希·魯道夫·赫茲和菲臘·萊納德等人的實驗發現通過光照可以從金屬中打出電子來。同時他們可以測量這些電子的動能。不論入射光的強度,只有當光的頻率超過一個臨限值後才會有電子被射出。此後被打出的電子的動能隨光的頻率線性升高,而光的強度僅決定射出的電子的數量。愛因斯坦提出了光的量子(光子這個名稱後來才出現)的理論來解釋這個現象。光的量子的能量為


在光電效應中這個能量被用來將金屬中的電子射出(逸出功)和加速電子(動能):
E=hv

這裡m是電子的質量,v是其速度。假如光的頻率太小的話,那麼它無法使得電子越過逸出功,不論光強有多大。

hv=E 1/2mv^2

參考資料 http://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=%E9%87%8F%E5%AD%90%E5%8A%9B%E5%AD%B8&variant=zh-hk
 樓主| xweb 發表於 2008-7-18 07:52:30 | 顯示全部樓層
  • 2008-04-21 19:17:58 補充

    原子結構
    20世紀初盧瑟福模型是當時被認為正確的原子模型。這個模型假設帶負電荷的電子像行星圍繞太陽運轉一樣圍繞帶正電荷的原子核運轉。在這個過程中庫侖力與離心力必須平衡。但是這個模型有兩個問題無法解決。

    首先按照古典電磁學這個模型不穩定。按照電磁學電子不斷地在它的運轉過程中被加速,同時應該通過放射電磁波喪失其能量,這樣它很快就會墜入原子核。其次原子的發射光譜由一系列離散的發射線組成,比如氫的發射光譜由一個紫外線系列(賴曼系)、一個可見光系列(巴耳末系)和其它的紅外線系列組成。按照古典理論原子的發射譜應該是連續的。

  • 2008-04-21 19:18:03 補充

    1913年尼爾斯·玻耳提出了以他命名的玻耳模型,這個模型為原子結構和光譜線給出了一個理論原理。玻耳認為電子只能在一定能量En的軌道上運轉。假如一個電子從一個能量比較高的軌道(En)躍到一個能量比較低的軌道(Em)上時它發射的光的頻率為

  • 2008-04-21 19:19:05 補充

    hv=En-Em。

  • 2008-04-21 19:19:19 補充

    通過吸收同樣頻率的光子可以從低能的軌道躍到高能的軌道上。

    玻耳模型可以解釋氫原子,改善的玻耳模型還可以解釋只有一個電子的離子,即He+, Li2+, Be3+等。但對其它原子它的計算錯誤

  • 2008-04-21 19:20:22 補充

    物理意義

    [編輯] 基礎

    [編輯] 測量過程
    量子力學與古典力學的一個主要區別在於測量過程在理論中的地位。在古典力學中一個物理系統的位置和動量值可以無限精確地被確定和被預言。至少在理論上測量對這個系統本身並沒有任何影響,並可以無限精確地進行。在量子力學中測量過程本身對系統造成影響。

  • 2008-04-21 19:20:26 補充

    對測量過程的描寫與決定論息息相關。一個量子力學系統雖然徹底地決定性,但是其測量過程確完全地偶然性。要描寫一個可觀察量的測量,需要將一個系統的狀態線性分解為該可觀察量的特徵狀態。測量過程可以看作是在這些特徵狀態上的一個投影,測量結果相當於相應於該特徵狀態的特徵向量。假如對無限多個這個系統的拷貝進行無限多次測量的話我們可以獲得所有可能的測量值的概率分佈,每個值的幾率等於相應的特徵狀態的繫數的平方。

    由此可見對於兩個不同的物理量A和B的測量順序可能直接影響其測量結果,事實上不可交換的可觀察量就是這樣的,即AB不=BA

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