1、物物 理理 學學 人人 明明 類類 文文 葉高翔葉高翔 2014年秋年秋第二章第二章 奇妙的量子世界奇妙的量子世界 量子力學前夜量子力學前夜 “ 在已經基本建成的科學大廈中在已經基本建成的科學大廈中,后輩物理學家似乎只要做一些零碎的后輩物理學家似乎只要做一些零碎的修補工作就行了修補工作就行了, ” - Thomson Lord Kelvin (英英) 1900年年4月月 宇宙的奧秘是不可窮盡的！宇宙的奧秘是不可窮盡的！二十世紀不同時期物理學的重大突破列舉二十世紀不同時期物理學的重大突破列舉1900-1909 陰極射線研究，黑體輻射理論，無線電報，陰極射線研究，黑體輻射理論，無線電報， 相對論相

2、對論(1905,1015)，測定電子電量，光電效應，測定電子電量，光電效應1950-1959 弱相互作用下宇稱不守恒，發現反質子，弱相互作用下宇稱不守恒，發現反質子， 穆斯堡爾效應，穆斯堡爾效應，BCS超導電性理論，全息照相超導電性理論，全息照相1990-1999 介觀納米物理，介觀納米物理，C60及其家族，超弦理論突破，及其家族，超弦理論突破， 原子操作，巨磁阻效應，原子激光原子操作，巨磁阻效應，原子激光, 量子通訊量子通訊 1. 1. 原子模型原子模型(a) 盧瑟福原子模型盧瑟福原子模型（核式模型或行星模型）（核式模型或行星模型）+Ze-e 原子半徑原子半徑 10-10 米米 核半徑核半徑

3、 10-15 米米 電子半徑電子半徑 99.9% 原子質量原子質量(b) (b) 玻爾原子模型玻爾原子模型（玻爾假說）（玻爾假說） 原子核外電子各自在固定軌道上繞核轉動，原子核外電子各自在固定軌道上繞核轉動， 且無電磁輻射；且無電磁輻射； 當電子從一軌道躍遷到另一軌道時，放出當電子從一軌道躍遷到另一軌道時，放出 （或吸出）能量為（或吸出）能量為 h 的光子的光子, 其中其中為光子頻率。為光子頻率。 h = 6.6310-34 焦耳焦耳秒秒 普朗克常數普朗克常數 2. 普朗克黑體輻射假說：普朗克黑體輻射假說： 電磁輻射的能量交換是量子化的，即電磁輻射的能量交換是量子化的，即 ， n = 1，2，

4、3， v - 頻率頻率 普朗克常數普朗克常數 h = 6.6310 -34（焦耳（焦耳秒）秒）nhn-普朗克公式普朗克公式KTdedCdTuKTh18),(32uR-J 公式公式實驗值實驗值量子力學誕生日：量子力學誕生日：1900年年10月月19日日4. 4. 德布羅意波粒二象性假說德布羅意波粒二象性假說 任何微觀粒子既是一種粒子，又是一種波動。任何微觀粒子既是一種粒子，又是一種波動。粒子動量粒子動量 p 和波長和波長之間滿足之間滿足例例： 一一顆顆電電子子 加加速速電電壓壓 U U 1 10 00 0 伏伏 23.1mvhph 電子一顆一顆入射，干涉條紋電子一顆一顆入射，干涉條紋 證明電子具

5、有證明電子具有“自干涉自干涉”特征！特征！電子束電子束雙縫雙縫 電子雙縫干涉實驗電子雙縫干涉實驗: :例例： 一一顆顆子子彈彈 質質量量 m = 20 克克，速速度度 v = 500 米米/秒秒 = h / p = 6.610-35 迄迄今今無無法法測測量量 牛頓的牛頓的決定論因果律決定論因果律: : 因果一一對應因果一一對應 ！ 量子力學的量子力學的統計因果律統計因果律: : 單顆微觀粒子的單次運動不受因果律支配單顆微觀粒子的單次運動不受因果律支配! !但大量粒子運動的統計平均或但大量粒子運動的統計平均或單顆粒子多次運動的統計平均符合因果律單顆粒子多次運動的統計平均符合因果律! ! 量子力學

6、的統計守恒律量子力學的統計守恒律: :單顆微觀粒子的單次運動不服從能量、動量守恒律單顆微觀粒子的單次運動不服從能量、動量守恒律! !但大量粒子運動的統計平均或但大量粒子運動的統計平均或單顆粒子多次運動的統計平均符合能量、動量守恒律單顆粒子多次運動的統計平均符合能量、動量守恒律! !例例：氫氫原原子子 - -e e + +e e x x 0 0. .5 53 3 x x 3 .6pp 6. 6. 泡利不相容原理泡利不相容原理 原子軌道上的每一個量子狀態只能容納原子軌道上的每一個量子狀態只能容納一顆電子一顆電子( (或空著）或空著）, , 猶如宏觀系統中，兩個猶如宏觀系統中，兩個小球不能同時占據同

7、一空間。小球不能同時占據同一空間。2n2n2 27. 7. 全同粒子不可分辨全同粒子不可分辨若多粒子系統由同類（所有客觀屬性完全相同）若多粒子系統由同類（所有客觀屬性完全相同）粒子組成，則粒子組成，則粒子之間不可分辨！粒子之間不可分辨！全同粒子全同粒子不可分辨！不可分辨！物質波物質波薛定諤方程薛定諤方程 2hriptiE),()(2),(22tVmttirrrr2適用于一切微觀低速物理現象：適用于一切微觀低速物理現象：原子結構，元素周期律，分子結構，化學反應，原子結構，元素周期律，分子結構，化學反應，原子分子光譜，激光，超導，晶體管，介觀納米物理，原子分子光譜，激光，超導，晶體管，介觀納米物理

8、，原子激光原子激光 。- 科技創新重大突破的前提！科技創新重大突破的前提！ 扎扎實實的科學作風扎扎實實的科學作風 扎實基礎，扎實基礎， 厚積廣積，厚積廣積， 切莫急功近利切莫急功近利 ！悉尼歌劇院，建于悉尼歌劇院，建于19591973年，仿佛是一組曲線優美的貝殼年，仿佛是一組曲線優美的貝殼, 亭亭玉立于海邊，體現了抒情樂曲的韻律。亭亭玉立于海邊，體現了抒情樂曲的韻律。杭州的平湖秋月杭州的平湖秋月, 幽雅的東方造型幽雅的東方造型, 與周圍天地山水人文的完美結合與周圍天地山水人文的完美結合, 到達了藝術頂峰到達了藝術頂峰!紐約世界貿易中心紐約世界貿易中心 討論題：討論題：（1 1）在電子雙縫干涉實驗中，電子是如何通過雙縫的？）在電子雙縫干涉實驗中，電子是如何通過雙縫的？ （2 2）牛頓的決定論因果律