量子相关常识

2022-11-17 综合 86阅读 投稿:天气晴

1.量子物理学方面的基础知识读物

我推荐《上帝掷骰子吗——量子物理史话》。

我从初三开始看的一本书,个人感觉不错,很喜欢,条理也很清晰。最初只有电子版,高中是看过好几遍,因为这段历史围绕光本质的纠缠争论本身就比较纠结,所以当时看的也你是特别理解。

高考完从当当网上买了纸质版的书,又看了一遍。到大学学到这个方向,再去看,又有不同的感受。

这本书没有多少公式,对于没有基础的人比较适合,即便里面有为数不多的几个很必要的公式,你作为科普基础读物来看,也完全可以忽略。是一本好书。

我高一那年还买过一本书,叫《宇宙的本源——通向量子世界的三条途径》,名字好像是这个,记不大清了,这个写的相对较深,较为专业,以我当年看的经历来说,没有学过任何相关的知识,不大好理解,没有上面那本通俗易懂。

2.简介绍量子力学知识

第四章 量子力学基础知识 量子力学是研究微观粒子(如电子,原子和分子等)运动规律的学科 量子力学的建立经历了由经典物理学到旧量子论,再由旧量子论到量子力学两个历史发展阶段。

4.1 微观粒子运动的特征 4.1.1 几个代表性的实验 经典物理学发展到19世纪末,在理论上已相当完善,对当时发现的各种物理现象都能加以理论上的说明。它们主要由牛顿的经典力学,麦克斯韦的电、磁和光的电磁波理论,玻耳兹曼和吉布斯等建立的统计物理学组成。

19世纪末,人们通过实验发现了一些新的现象,它们无法用经典物理学解释,这些具有代表性的实验有以下3个。 (1)黑体辐射 黑体是指能全部吸收各种波长辐射的物体,它是一种理想的吸收体,同时在加热它时,又能最大程度地辐射出各种波长的电磁波。

绝热的开有一个小孔的金属空腔就是一种良好的黑体模型。进入小孔的辐射,经多次吸收和反射,可使射入的辐射实际上全部被吸收,当空腔受热时,空腔会发出辐射,称为黑体辐射。

实验发现,黑体辐射能量与波长的关系主要与温度有关,而与空腔的形状和制作空腔的材料无关。在不同温度下,黑体辐射的能量(亦称辐射强度)与波长的关系如图所示。

许多物理学家试图用经典热力学和统计力学方法解释黑体辐射现象。瑞利(Rayleigh J W)和金斯(Jeans J H)把分子物理学中能量按自由度均分的原理用于电磁辐射理论,得到的辐射能量公式在长波处接近实验结果,在短波处和实验明显不符。

特别是瑞利-金斯的理论预示在短波区域包括紫外以至x射线、γ射线将有越来越高的辐射强度,完全与事实不符,这就是物理学上所谓的“紫外灾难”。维恩(Wien W)假设辐射按波长分布类似于麦克斯韦的分子速度分布,得到的公式在短波处和实验结果接近,在长波处相差很大。

1900年普朗克(Planck M)在深入研究了实验数据,并在经典力学计算的基础上首先提出了“能量量子化”的假设,他认为黑体中原子或分子辐射能量时做简谐振动,这种振子的能量只能采取某一最小能量单位ε0的整数倍数值。ε=nε0, n=1,2,3,。

n称量子数。并且ε0=hν 其中h称为普朗克常数,数值为6.626*10-34 J.s 由于量子数n取值的整数性,辐射能量具有跳跃式的不连续性。

这种能量变化的不连续性就称为能量的量子化。在量子化假定基础上,使振子的各本征振动的能量服从玻尔兹曼分布,得到辐射强度与波长的关系 式中,T为绝对温度;c是光速;k是玻尔兹曼常数。

这个公式结果和实验结果完全一致,很好地描述了黑体辐射问题。 下图中就是1500K时辐射强度实验数据与瑞利-金斯理论及普朗克理论的比较。

… (2)光电效应 19世纪赫兹发现光照射到金属表面上时,金属表面上会发射出光电子的现象就是的光电效应。测定装置示意图如图。

当合适频率的入射光透过石英窗射向金属电极A时,电极将发射具有一定动能的电子。在该电极与环形电极C间施加电压V,可在检流计G中检测到光电流。

当电压减少至零时,光电流仍有一定大小,说明光电子本身有动能。当电压变负达到某值时,光电流等于零,此时电压与电荷的乘积应与光电子的动能相等,由此可估计光电子动能的大小。

实验中发现的规律主要有以下几点: 每种金属都有一固定的频率ν0,称为临阈频率。只有当入射光频率大于ν0时,才会有光电流产生,否则,无论光强度多大都不会产生光电流。

光电流强度和入射光强度成正比。 光电子电子动能和入射光频率成线性增长关系,而与入射光强度无关 经典物理学理论认为光的能量应由光的强度决定,即由光的振幅决定,而与光的频率无关,光的频率只决定光的颜色。

光电流是金属内电子吸收入射光能量后逸出金属表面所产生的,因此,光电流是否产生,以及产生后光电子的动能大小应由光强度决定。这样的解释显然和光电效应实验相矛盾。

1905年,爱因斯坦提出光子学说,成功地解释了光电效应,它的主要思想如下: 光的能量只能是最小能量单位ε0(称光量子)的整数倍,ε=nε0,n=1,2,3,…,n称为量子数,并且光能量与光子频率ν成正比,ε0=hν 光子不但有能量,还有质量m,不同频率的光子具有不同的质量。 光子具有动量P=mc=h/λ 光强度取决于单位体积内的光子数,即光子密度。

根据爱因斯坦的光子学说,当光照射到金属表面上时,能量为hν的光子被电子所吸收,电子将这部分能量中的一部分用来克服金属表面对它的吸引力,另一部分转变成逸出电子的动能。hν0为电子逸出功,所以只有当频率大于临阈频率时,才能有电子逸出,产生光电流。

入射光强度越大,光子密度越大,光子越多,产生的光电流就越大,因此,光电流强度和入射光强度成正比。 (3)氢原子光谱 原子被火焰、电弧等激发时,能受激而发光,形成光源。

将它的辐射线通过分光可以得到许多不连续的明亮的线条,称为原子光谱。实验发现原子光谱是不连续的线状光谱。

这又是一个经典物理学不能解释的现象。下图就是氢原子的巴尔末线系 %%%%1911年卢瑟福(Rutherford E)用α粒子散射实验证实了原子模型,认为原子是由电子绕核运动构成的。

经典物理学无法解释原子光谱现象,因为根据经典电动力学,绕核作。

3.请介绍一下量子力学的基本知识

量子力学简介 量子力学是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科,它主要研究原子、分子、凝聚态物质,以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论,它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。

量子力学不仅是近代物理学的基础理论之一,而且在化学等有关学科和许多近代技术中也得到了广泛的应用。 量子力学的发展简史 量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的。

旧量子论包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论。 1900年,普朗克提出辐射量子假说,假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式(能量子)实现的,能量子的大小同辐射频率成正比,比例常数称为普朗克常数,从而得出黑体辐射能量分布公式,成功地解释了黑体辐射现象。

1905年,爱因斯坦引进光量子(光子)的概念,并给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长的关系,成功地解释了光电效应。其后,他又提出固体的振动能量也是量子化的,从而解释了低温下固体比热问题。

1913年,玻尔在卢瑟福有核原子模型的基础上建立起原子的量子理论。 按照这个理论,原子中的电子只能在分立的轨道上运动,原子具有确定的能量,它所处的这种状态叫“定态”,而且原子只有从一个定态到另一个定态,才能吸收或辐射能量。

这个理论虽然有许多成功之处,但对于进一步解释实验现象还有许多困难。 在人们认识到光具有波动和微粒的二象性之后,为了解释一些经典理论无法解释的现象,法国物理学家德布罗意于1923年提出微观粒子具有波粒二象性的假说。

德布罗意认为:正如光具有波粒二象性一样,实体的微粒(如电子、原子等)也具有这种性质,即既具有粒子性也具有波动性。这一假说不久就为实验所证实。

由于微观粒子具有波粒二象性,微观粒子所遵循的运动规律就不同于宏观物体的运动规律,描述微观粒子运动规律的量子力学也就不同于描述宏观物体运动规律的经典力学。 当粒子的大小由微观过渡到宏观时,它所遵循的规律也由量子力学过渡到经典力学。

量子力学与经典力学的差别首先表现在对粒子的状态和力学量的描述及其变化规律上。在量子力学中,粒子的状态用波函数描述,它是坐标和时间的复函数。

为了描写微观粒子状态随时间变化的规律,就需要找出波函数所满足的运动方程。 这个方程是薛定谔在1926年首先找到的,被称为薛定谔方程。

当微观粒子处于某一状态时,它的力学量(如坐标、动量、角动量、能量等)一般不具有确定的数值,而具有一系列可能值,每个可能值以一定的几率出现。当粒子所处的状态确定时,力学量具有某一可能值的几率也就完全确定。

这就是1927年,海森伯得出的测不准关系,同时玻尔提出了并协原理,对量子力学给出了进一步的阐释。 量子力学和狭义相对论的结合产生了相对论量子力学。

经狄拉克、海森伯和泡利等人的工作发展了量子电动力学。20世纪30年代以后形成了描述各种粒子场的量子化理论——量子场论,它构成了描述基本粒子现象的理论基础。

量子力学是在旧量子论建立之后发展建立起来的。旧量子论对经典物理理论加以某种人为的修正或附加条件以便解释微观领域中的一些现象。

由于旧量子论不能令人满意,人们在寻找微观领域的规律时,从两条不同的道路建立了量子力学。 1925年,海森堡基于物理理论只处理可观察量的认识,抛弃了不可观察的轨道概念,并从可观察的辐射频率及其强度出发,和玻恩、约尔丹一起建立起矩阵力学;1926年,薛定谔基于量子性是微观体系波动性的反映这一认识,找到了微观体系的运动方程,从而建立起波动力学,其后不久还证明了波动力学和矩阵力学的数学等价性;狄拉克和约尔丹各自独立地发展了一种普遍的变换理论,给出量子力学简洁、完善的数学表达形式。

量子力学的基本内容 量子力学的基本原理包括量子态的概念,运动方程、理论概念和观测物理量之间的对应规则和物理原理。 在量子力学中,一个物理体系的状态由波函数表示,波函数的任意线性叠加仍然代表体系的一种可能状态。

状态随时间的变化遵循一个线性微分方程,该方程预言体系的行为,物理量由满足一定条件的、代表某种运算的算符表示;测量处于某一状态的物理体系的某一物理量的操作,对应于代表该量的算符对其波函数的作用;测量的可能取值由该算符的本征方程决定,测量的期待值由一个包含该算符的积分方程计算。 波函数的平方代表作为其变数的物理量出现的几率。

根据这些基本原理并附以其他必要的假设,量子力学可以解释原子和亚原子的各种现象。 关于量子力学的解释涉及许多哲学问题,其核心是因果性和物理实在问题。

按动力学意义上的因果律说,量子力学的运动方程也是因果律方程,当体系的某一时刻的状态被知道时,可以根据运动方程预言它的未来和过去任意时刻的状态。 但量子力学的预言和经典物理学运动方程(质点运动方程和波动方程)的预言在性质上是不同的。

在经典物理学理论中,对一个体系的测量不会改变它的状态,它只有一种变化,并按运动方程演进。因此,运动方程对决定体系状态的力学量可以作出确定的预言。

但在量子力学中,体。

4.什么是量子

量子力学的诞生量子力学和相对论是近代物理的两大支柱,两者都改变了人们对物质世界的根本认识,并对20世纪的科学技术、生产实践起了决定性的推动作用。

相对论以相对时空观取代源于常识的绝对时空观,量子力学则以概率世界取代确定性世界。比起相对论来,量子力学对于变革传统观念也许具有更为深层次的意义。

前者还保留了许多传统概念如力、轨道等概念,但后者却把这一切都抛弃了。1900~1926年是量子力学的酝酿时期,此时的量子力学是半经典半量子的学说,称为旧量子论,开始于德国物理学家普朗克对黑体辐射的研究。

黑体辐射是1900年经典物理(牛顿力学、麦克斯韦电动力学、热力学与统计物理)所无法解决的几个难题之一。旧理论导出的黑体辐射谱会产生发散困难,与实验不符。

普朗克于是提出“能量子”概念,认为黑体由大量振子组成,每个振子的能量是振子频率的整数倍,这样导出的黑体辐射谱与实验完全符合。“能量子”是新的概念,它表明微观系统的能量有可能是间隔的、跳跃式的,这与经典物理完全不同,普朗克因此就这样吹响了新的物理征程的号角,这成为近代物理的开端之一。

1905年,爱因斯坦把普朗克的“能量子”概念又向前推进了一步,认为辐射能量本来就是一份一份的,非独振子所致,每一份都有一个物质承担者——光量子,从而成功地解释了光电效应。爱因斯坦本人在几年后又比较成功地把量子论用到固体比热问题中去。

1912年,丹麦青年玻尔根据普朗克的量子论、爱因斯坦的光子学说以及卢瑟福的原子行星式结构模型,成功地导出了氢原子光谱线位置所满足的公式,从这以后掀起了研究量子论的热潮。1924年,法国贵族青年德布洛意根据光的波粒二象性理论、相对论及玻尔理论,推断认为一般实物粒子也应具有波动性,提出了物质波的概念,经爱因斯坦褒扬及实验验证,直接导致了1926年奥地利学者薛定谔发明了量子力学的波动方程。

与此同时,受玻尔对应原理和并协原理影响的德国青年海森堡提出了与薛定谔波动力学等价但形式不同的矩阵力学,也能成功地解释原子光谱问题。矩阵力学和波动力学统称量子力学,量子力学就这样正式诞生。

量子力学与经典力学对物质的描述有根本区别。量子力学认为“粒子轨道”概念是没有意义的,因为我们不可能同时确定一个粒子的动量和位置,我们能知道的就是粒子在空间出现的几率。

量子力学用波函数和算符化的力学量取代过去的轨道和速度等概念,将不可对易代数引进了物理。量子力学还第一次把复数引入了进来。

过去物理中引入复数只是一个为了方便的技巧,并无实质意义,但在量子力学中,虚数具有基本的物理意义,正如英国物理学家狄拉克在70年代所说的:“……这个复相位是极其重要的,因为它是所有涉现象的根源,而它的物理意义是隐含难解的……正是由于它隐藏得如此巧妙,人们才没有能更早地建立量子力学。”可见复数第一次在量子力学中产生了不可被替代的物理意义。

这个狄拉克在20年代后半期把当时薛定谔的非相对论性波动方程推广到相对论情形,第一次实现了量子力学和相对论的联姻。狄拉克所建立的方程是描述电子等一大类自旋为半整数的粒子的相对论性波动方程。

由于组成现实世界的物质是自旋都为 1/2 的电子、质子和中子,所以狄拉克方程显然特别重要。狄拉克方程能自然地预言电子的自旋为1/2 ,解释氢原子的精细结构,又预言存在正电子。

不久,安德森就找到了正电子。狄拉克方程成为量子力学最有名的方程之一。

这个狄拉克还将电磁场量子化,从理论上证实了1905年爱因斯坦的光子学说的最重要观点——光是由光子组成的。作为一个体系,量子力学的建立大致在20世纪20年代末完成,此后量子力学就被应用到实际问题中去了。

量子力学的基础和应用对于许多人来说,也许量子力学比相对论更为有用。后者一般用于研究基本粒子的产生和相互转化以及大尺度的时空结构,但对于20世纪人类的生产生活,原子层次的世界显得更为重要。

30年代,量子力学用于固体物理,建立了凝聚态物理学,又用于分子物理,建立了量子化学。在此之上,材料科学、激光技术、超导物理等学科蓬勃发展,为深刻影响20世纪人们生活方式的计算机技术、信息技术、能源技术的发展打下了基础。

在20世纪上半期,量子力学深入到微观世界,发展了原子核结构与动力学理论,提出了关于原子核结构的壳层模型和集体模型,研究了原子核的主要反应如α、β、γ嬗变过程。在天体物理中,必须要用到量子力学。

对于那些密度很大的天体,如白矮星、中子星,当核燃料耗尽时,恒星的引力将使它坍缩,高密度天体的的费米温度很高,比恒星实际温度高得多,白矮星的电子气兼并压和中子星的中子兼并压抗衡了引力,此时量子力学效应对于星体的形成起了决定性的作用。对于黑洞,其附近的狄拉克真空正负能级会发生交错,因此有些负能粒子将可能通过隧道效应穿透禁区成为正能粒子,飞向远方。

黑洞的量子力学效应很有意义,值得研究。尽管量子力学取得了巨大成功,但是由于相对于牛顿力学而言,量子力学与常识的决裂更为彻底,因此对于量子力。

5.量子力学究竟有多反常识

很多。但因为本人是量子学小白。只能做最浅显的科普。有兴趣的可以去看相关书籍。

1. 流传最广的应该就是薛定谔的猫了,也就是衰变是看概率的,虽然大样本量上一堆微粒在半衰期内来看衰与不衰是50%的概率,但是对单个微粒来说要看他的心情(不到最后观测的时候不知道结果)。。。。要知道即使是爱因斯坦的“相对时空观”中“相对”也指的是时间是会随空间(速度)变化的量(对应牛顿的空间和时间相互独立),因果关系是绝对的。知道所有的起始状态,知道事物的规律,就准确预测出接下来的结果(决定论)。量子学这个观测事实颠覆了这点。(同时也引起了爱因斯坦的强烈反对:“上帝不会投骰子”。PS.薛定谔本人和爱因斯坦一样是决定论者,提出猫这个模型其实是薛定谔为了表达对这个理论有多无奈)

2. 海森伯的不确定性原则(旧称“测不准原则”):你不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度,粒子位置的不确定性,必然大于或等于普朗克常数。换句话说,上面那个告诉你你只能获得一个概率性结果。这个是告诉你,粒子的初始的(或者通俗点说是当前的)属性,你都没法完全确定,误差始终是大于一个常数的。(如果误差有大有小,意味着有可能最后精确预测,一直大于某种常数,意味着永远达不到。)

3. 量子纠缠。量子纠缠是粒子在由两个或两个以上粒子组成系统中相互影响的现象,虽然粒子在空间上可能分开。换句话来说,两个亲热过的粒子(“理论中的说法是处于纠缠态的粒子”,只知道科学家已经发现,以我的智商没完全理解是什么状态,只能含糊举例)就算离很远(4光年这么远),一个属性发生改变了,另外一个也会随即发生改变。根据爱因斯坦的模型,光是极限速度,没东西比他快,能量传输也满足这个规定(因为能量传输要靠物质,如光)。然后,一个东西的状态改变需要能量。如果量子纠缠存在,就说明粒子间有种比光还快好几个数量级的能量传递方式,那光速绝对这个东西就到头了。物理世界的因果又讲不清楚了。(相信了解爱因斯坦的相对论的推理的都知道,如果有东西比光还快,会造成奇怪的因果问题)。

其他还有很多。但是我这个小白了解的不多,就不误导了。希望有用。

6.求量子力学入门知识

量子力学(Quantum Mechanics)是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科,它主要研究原子、分子、凝聚态物质,以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论,它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。

量子力学不仅是近代物理学的基础理论之一,而且在化学等有关学科和许多近代技术中也得到了广泛的应用。 有人引用量子力学中的随机性支持自由意志说,但是第一,这种微观尺度上的随机性和通常意义下的宏观的自由意志之间仍然有着难以逾越的距离;第二,这种随机性是否不可约简(irreducible)还难以证明,因为人们在微观尺度上的观察能力仍然有限。

自然界是否真有随机性还是一个悬而未决的问题。对这个鸿沟起决定作用的就是普朗克常数。

统计学中的许多随机事件的例子,严格说来实为决定性的。 量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的。

旧量子论包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论。 1900年,普朗克提出辐射量子假说,假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式(能量子)实现的,能量子的大小同辐射频率成正比,比例常数称为普朗克常数,从而得出黑体辐射能量分布公式,成功地解释了黑体辐射现象。

1905年,爱因斯坦引进光量子(光子)的概念,并给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长的关系,成功地解释了光电效应。其后,他又提出固体的振动能量也是量子化的,从而解释了低温下固体比热问题。

1913年,玻尔在卢瑟福原有核原子模型的基础上建立起原子的量子理论。按照这个理论,原子中的电子只能在分立的轨道上运动,在轨道上运动时候电子既不吸收能量,也不放出能量。

原子具有确定的能量,它所处的这种状态叫“定态”,而且原子只有从一个定态到另一个定态,才能吸收或辐射能量。这个理论虽然有许多成功之处,但对于进一步解释实验现象还有许多困难。

在人们认识到光具有波动和微粒的二象性之后,为了解释一些经典理论无法解释的现象,法国物理学家德布罗意于1923年提出了物质波这一概念。认为一切微观粒子均伴随着一个波,这就是所谓的德布罗意波。

德布罗意的物质波方程:E=ħω,p=h/λ,其中ħ=h/2π,可以由E=p²/2m得到λ=√(h²/2mE)。 由于微观粒子具有波粒二象性,微观粒子所遵循的运动规律就不同于宏观物体的运动规律,描述微观粒子运动规律的量子力学也就不同于描述宏观物体运动规律的经典力学。

当粒子的大小由微观过渡到宏观时,它所遵循的规律也由量子力学过渡到经典力学。 量子力学与经典力学的差别首先表现在对粒子的状态和力学量的描述及其变化规律上。

在量子力学中,粒子的状态用波函数描述,它是坐标和时间的复函数。为了描写微观粒子状态随时间变化的规律,就需要找出波函数所满足的运动方程。

这个方程是薛定谔在1926年首先找到的,被称为薛定谔方程。 当微观粒子处于某一状态时,它的力学量(如坐标、动量、角动量、能量等)一般不具有确定的数值,而具有一系列可能值,每个可能值以一定的几率出现。

当粒子所处的状态确定时,力学量具有某一可能值的几率也就完全确定。这就是1927年,海森伯得出的测不准关系,同时玻尔提出了并协原理,对量子力学给出了进一步的阐释。

量子力学和狭义相对论的结合产生了相对论量子力学。经狄拉克、海森伯(又称海森堡,下同)和泡利(pauli)等人的工作发展了量子电动力学。

20世纪30年代以后形成了描述各种粒子场的量子化理论——量子场论,它构成了描述基本粒子现象的理论基础。 量子力学是在旧量子论建立之后发展建立起来的。

旧量子论对经典物理理论加以某种人为的修正或附加条件以便解释微观领域中的一些现象。由于旧量子论不能令人满意,人们在寻找微观领域的规律时,从两条不同的道路建立了量子力学。

1925年,海森堡基于物理理论只处理可观察量的认识,抛弃了不可观察的轨道概念,并从可观察的辐射频率及其强度出发,和玻恩、约尔丹一起建立起矩阵力学;1926年,薛定谔基于量子性是微观体系波动性的反映这一认识,找到了微观体系的运动方程,从而建立起波动力学,其后不久还证明了波动力学和矩阵力学的数学等价性;狄拉克和约尔丹各自独立地发展了一种普遍的变换理论,给出量子力学简洁、完善的数学表达形式。 海森堡还提出了测不准原理,原理的公式表达如下:ΔxΔp≥ħ/2。

量子力学的基本原理包括量子态的概念,运动方程、理论概念和观测物理量之间的对应规则和物理原理。 在量子力学中,一个物理体系的状态由态函数表示,态函数的任意线性叠加仍然代表体系的一种可能状态。

状态随时间的变化遵循一个线性微分方程,该方程预言体系的行为,物理量由满足一定条件的、代表某种运算的算符表示;测量处于某一状态的物理体系的某一物理量的操作,对应于代表该量的算符对其态函数的作用;测量的可能取值由该算符的本征方程决定,测量的期待值由一个包含该算符的积分方程计算。 (一般而言,量子力学并不对一次观测确定地预言一个单独的结果.取而代之,它预言一组可能发生的不同结果,并告诉我们每个结果。

量子相关常识

声明:沿途百知所有(内容)均由用户自行上传分享,仅供网友学习交流。若您的权利被侵害,请联系我们将尽快删除