第20讲 量子力学实验1详解

量子力学的基本原理解析量子力学是描述微观世界中粒子行为的物理学理论，它在20世纪初由一系列科学家共同发展而成。

本文将从波粒二象性、不确定性原理和量子纠缠等几个方面解析量子力学的基本原理。

一、波粒二象性波粒二象性是量子力学的核心概念之一。

在经典物理学中，光被视为波动现象，而物质则被视为粒子。

然而，量子力学揭示了光和物质都具有波动和粒子性质。

例如，光既可以表现出波动性质，如干涉和衍射，又可以表现出粒子性质，如光子的能量量子化。

同样，物质粒子也具有波动性质，如电子的波函数描述了其在空间中的概率分布。

二、不确定性原理不确定性原理是量子力学的另一个重要概念，由海森堡于1927年提出。

它指出，在测量一个粒子的位置和动量时，无法同时准确地确定它们的值。

这是因为测量过程本身会干扰粒子的状态，使得其位置和动量无法同时确定。

换句话说，我们无法同时获得粒子的精确位置和精确动量信息。

不确定性原理的提出颠覆了经典物理学中确定性的观念，引发了人们对于自然界本质的思考。

它揭示了微观世界的固有不确定性，为后来的量子力学奠定了基础。

三、量子纠缠量子纠缠是量子力学中最为神秘和令人费解的现象之一。

它指的是当两个或多个粒子处于相互关联的状态时，它们之间存在着一种非常特殊的联系。

这种联系并不依赖于空间距离，即使两个粒子相隔很远，它们仍然能够瞬间相互影响。

量子纠缠的具体表现是，当一个粒子的状态被测量时，它与另一个纠缠粒子的状态会瞬间发生变化，即使它们之间没有任何可见的物理联系。

这种非局域性的现象挑战了经典物理学中关于信息传递的常识。

量子纠缠不仅令人困惑，还具有重要的应用价值。

例如，量子纠缠在量子计算和量子通信中扮演着重要角色，被认为是未来科技发展的关键。

总结：量子力学的基本原理包括波粒二象性、不确定性原理和量子纠缠等。

波粒二象性揭示了光和物质的双重性质，不确定性原理揭示了测量的局限性，而量子纠缠则展示了微观世界中的非局域性联系。

这些原理共同构成了量子力学的基础，深刻地改变了我们对于自然界的认识。

第1篇一、实验目的1. 理解量子力学的基本概念和原理。

2. 掌握量子力学实验的基本方法和操作。

3. 通过实验验证量子力学的基本原理，如不确定性原理、波粒二象性等。

二、实验原理量子力学是研究微观粒子的运动规律和相互作用的学科。

它揭示了微观世界与宏观世界之间的本质区别，为人类认识自然、改造自然提供了重要的理论基础。

本实验主要涉及以下基本原理：1. 不确定性原理：由海森堡提出，表明在量子尺度上，粒子的位置和动量不能同时被精确测量。

2. 波粒二象性：光和物质都具有波动性和粒子性，即波粒二象性。

3. 量子叠加：量子系统可以同时存在于多种状态，只有当对其进行测量时，系统才会“坍缩”到某一确定的状态。

4. 量子纠缠：两个或多个量子系统之间存在着一种特殊的关联，即使它们相隔很远，一个系统的状态变化也会立即影响到另一个系统的状态。

三、实验仪器与设备1. 激光光源：提供单色光，用于实验中的干涉和衍射现象。

2. 分束器：将激光光束分为两束，用于干涉实验。

3. 干涉仪：观察干涉条纹，验证波粒二象性。

4. 量子态制备器：制备量子纠缠态和叠加态。

5. 测量装置：测量粒子的位置、动量等物理量。

四、实验内容与步骤1. 干涉实验：观察干涉条纹，验证波粒二象性。

（1）将激光光源发出的光束通过分束器，分为两束。

（2）将两束光分别投射到干涉仪的反射镜上，反射后再次相交。

（3）观察干涉条纹，记录条纹间距和形状。

2. 量子纠缠实验：制备量子纠缠态，验证量子纠缠现象。

（1）使用量子态制备器制备纠缠态。

（2）将纠缠态的两个粒子分别投射到测量装置上，测量粒子的位置和动量。

（3）观察测量结果，验证量子纠缠现象。

3. 量子叠加实验：制备叠加态，验证量子叠加现象。

（1）使用量子态制备器制备叠加态。

（2）将叠加态的粒子投射到测量装置上，测量粒子的位置和动量。

（3）观察测量结果，验证量子叠加现象。

五、实验结果与分析1. 干涉实验结果：观察到干涉条纹，条纹间距与理论计算结果相符，验证了波粒二象性。

量子力学的双重实验验证量子力学是现代物理学中的一门重要学科，它描述了微观世界中粒子的行为和性质。

量子力学的基本原理之一就是波粒二象性，即物质既可以表现为粒子，也可以表现为波动。

为了验证这一原理，科学家们进行了一系列的实验，其中最著名的就是双缝干涉实验和量子纠缠实验。

双缝干涉实验是量子力学中最具代表性的实验之一。

在这个实验中，一个光源发出一束光通过两个很小的缝隙射到一个屏幕上。

根据经典物理学的理论，我们预期在屏幕上会出现两个亮斑，对应于光通过两个缝隙后的直线传播。

然而，当我们用单光子源进行实验时，结果却出人意料。

在屏幕上形成了一系列明暗相间的条纹，这表明光在通过两个缝隙后发生了干涉，具有波动性。

这个实验结果引发了科学家们的思考，他们提出了一种解释，即光既可以表现为粒子也可以表现为波动。

当光被发出时，它的行为更像是波动，而当它被探测时，它的行为更像是粒子。

这种“观察即塑造”现象被称为量子力学的崭新理论。

为了进一步验证量子力学的双重实验验证，科学家们进行了一系列的实验。

其中一个重要的实验是量子纠缠实验。

在这个实验中，两个粒子被纠缠在一起，它们之间的状态是相互关联的。

当一个粒子的状态发生改变时，另一个粒子的状态也会随之改变，即使它们之间的距离很远。

这种现象被称为“量子纠缠”。

量子纠缠实验的结果表明，量子力学中的双重实验验证是正确的。

它揭示了微观世界的奇妙性质，挑战了我们对物质本质的传统观念。

量子力学的双重实验验证不仅仅是一种理论的验证，更是对我们对世界的认识方式的一种颠覆。

量子力学的双重实验验证不仅仅对科学界具有重要意义，对于我们日常生活也有一定的影响。

它揭示了微观世界的规律，为我们理解自然界提供了新的视角。

同时，它也为科学家们开辟了一条新的研究路径，推动了科学的发展。

然而，量子力学的双重实验验证也引发了一些哲学上的思考。

它挑战了我们对客观现实的认识，提出了一种新的观点，即观察者的存在和行为会对实验结果产生影响。

第二十章 量子力学基础§20-1 玻尔的氢原子理论自1897年发现电子并确定是原子的组成粒子以后，物理学的中心问题之一就是探索原子内部的奥秘。

人们逐步弄清了原子的结构及其运动变化的规律，认识了微观粒子的波粒二象性，建立了描述分子、原子等微观系统运动规律的理论体系量子力学。

量子力学是近代物理学中一大支柱，有力地推动了一些学科（如化学、生物、…）和技术（如半导体、核动力、激光、…）的发展。

本章介绍量子理论的一些基本概念。

一、原子光谱的实验规律光谱分为下面三类：线光谱：谱线是分明、清楚的，表示波长的数值有一定间隔。

（所有物质的气态原子（而不是分子）都辐射线光谱，因此这种原子之间基本无相互作用。

）带状光谱：谱线是分段密集的，每段中相邻波长差别很小，如果摄谱仪分辨本领不高，密集的谱线看起来并在一起，整个光谱好象是许多段连续的带组成。

（ 它是由没有相互作用的或相互作用极弱的分子辐射的。

）连续光谱：谱线的波长具有各种值，而且相邻波长相差很小，或者说是连续变化的。

（如：太阳光是连续光谱。

实验表明，连续光谱是由于固态或液态的物体发射的，而气体不能发射连续光谱。

液体、固体与气体的主要区别在于它们的原子间相互非常强烈。

）1．氢原子光谱19世纪后半期，许多科学家测量了许多元素线光谱的波长，大家都企图通过对线光谱的分析来了解原子的特性，以及探索原子结构。

人们对氢原子光谱做了大量研究，它的可见光谱如下图。

其中从光波向短波方向 数的前4个谱线分别叫做αH 、βH 、γH 、δH ，实验测得它们对应的波长分别为：A =H 6563α、 A =H 4861β、A =H 4340γ、A =H 4102δ。

在1885年从某些星体的光谱中观察到的氢光谱谱线已达14条。

这年，6 5 6 3 A4 8 6 1 A4 3 4 0 A 4 1 0 2 A oooo图 20-1瑞士数学家巴尔末(J.J.Balmer)，发现氢原子光谱在可见光部分的谱线，可归结于下式：，，，54321122=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=n n R λ 式中λ为波长，1710097.1-⨯=m R 称为里德伯常数。

第一性原理，英文First Principle，是一个计算物理或计算化学专业名词，广义的第一性原理计算指的是一切基于量子力学原理的计算。

我们知道物质由分子组成，分子由原子组成，原子由原子核和电子组成。

量子力学计算就是根据原子核和电子的相互作用原理去计算分子结构和分子能量（或离子），然后就能计算物质的各种性质。

从头算（ab initio）是狭义的第一性原理计算，它是指不使用经验参数，只用电子质量，光速，质子中子质量等少数实验数据去做量子计算。

但是这个计算很慢，所以就加入一些经验参数，可以大大加快计算速度，当然也会不可避免的牺牲计算结果精度。

量子力学第一性原理：仅需五个物理基本常数——电子质量、电子电量、普郎克常数、光速和玻耳兹曼常数，通过求薛定谔方程得到材料的电子结构，而不依赖于任何经验常数即可以预测微观体系的状态和性质，预测材料的组分、结构、性能之间的关系，进一步设计具有特定性能的新材料。

作为评价事物的依据，第一性原理和经验参数是两个极端。

第一性原理是某些硬性规定或推演得出的结论，而经验参数则是通过大量实例得出的规律性的数据，这些数据可以来自第一性原理(称为理论统计数据)，也可以来自实验(称为实验统计数据)。

如果某些原理或数据来源于第一性原理，但推演过程中加入了一些假设(这些假设当然是很有说服力的)，那么这些原理或数据就称为“半经验的”。

量子化学的第一性原理是指多电子体系的Schrödinger方程，但是光有这个方程是无法解决任何问题的，量子力学能够准确的解决的问题很少很少，绝大多数都是有各种各样的近似，为此计算量子力学提出一个称为“从头计算”的原理作为第一性原理，除了Schrödinger 方程外还允许使用下列参数和原理：(1) 物理常数，包括光速c、Planck常数h、电子电量e、电子质量me以及原子的各种同位素的质量，尽管这些常数也是通过实验获得的。

(在国际单位值中，光速是定义值，Planck 常数是测量值，在原子单位制中则相反。

第一章 量子力学的物理基础§1.1 ，实验基础1, 第一组实验 —— 光的粒子性实验：黑体辐射、光电效应、Compton 散射能量分立、辐射场量子化的概念，实验揭示了光的粒子性质。

《黑体辐射谱问题》黑体辐射谱的Wien 经验公式（1894年）：考虑黑体空腔中单位体积的辐射场，令其中频率在ννν→+d 间的能量密度为dE d νεν=((1.1)这里c 1、c 2β=1/kT 间内与实验符合，但在中、低频区，特别是低频区与实验差别很大。

Rayleigh-Jeans 公式（1900，Rayleigh ；1905，Jeans ）：将腔中黑体辐射场看成大量电磁波驻波振子集合，利用能量连续分布的经典观念和Maxwell - Boltzmann 分布律，导出黑体辐射谱的另一个表达式——。

若记ενενν()=N ，这里N ν是腔中辐射场单位体积内频率ν附近单位频率间隔内电磁驻波振子数目（自由度数目），它为823πνc。

下面来简单推算出它： 00:222ikx ikxx x LL e e n kL n k k L L πππ==→==→=→Δ= 于是，在单位体积辐射场中，波数在3k k d k →+v v 内的自由度数目（22k c c ππνωλ===v ）为 22332233232312428882L k d k k d k d kd d c cL ππννπννππππ=⋅====⎛⎞⎜⎟⎝⎠v v v v 而εν是频率为ν的驻波振子的平均能量， 由M -B 分布律得kT d e d e ==∫∫∞−∞−00εεεεεβεβν于是得到 (1.2)这个与Wien但在高频波段不但不符合，出现黑体辐射能量密度随频率增大趋于无穷大的荒谬结果。

这就是著名的所谓“紫外灾难”，是经典物理学最早显露的困难之一。

1900年Planck 用一种崭新的观念来计算平均能量εν。

他引入了“能量子”的概念，即，假设黑体辐射空腔中振子的振动能量并不象经典理论所主张的那样和振幅平方成正比并呈连续变化，而是和振子的频率ν成正比并且只能取分立值， ......,3,2,,0νννh h h这里的正比系数h 就是后来所称的Planck 常数。

量子力学的基本原理和实验验证量子力学是一门研究微观粒子行为的物理学科，它描述了微观世界中的粒子在能量和动量上的离散化现象。

本文将介绍量子力学的基本原理，并探讨一些实验验证。

量子力学的基本原理可以总结为以下几点：1. 波粒二象性：根据量子力学的原理，微观粒子既可以表现出粒子的特征，如位置和动量，又可以表现出波动的特征，如干涉和衍射。

这种波粒二象性的存在被薛定谔方程所描述。

2. 不确定性原理：不确定性原理是量子力学的核心概念之一，由海森堡提出。

它指出，对于某个粒子的位置和动量的测量，我们无法同时获得完全准确的结果。

粒子的位置和动量具有一定的不确定性，这是由于测量过程本身的干扰所导致的。

3. 波函数和态矢量：在量子力学中，波函数是描述粒子状态的数学函数，它包含了粒子的所有可能性。

波函数的平方模的积分给出了粒子在不同位置的概率分布。

态矢量则是波函数的抽象表示，它可以用来描述系统的状态。

4. 叠加原理和量子纠缠：叠加原理指出，当一个系统处于多个可能的状态时，它可以同时处于这些状态的叠加态。

量子纠缠则是指两个或多个粒子之间存在一种特殊的关联关系，使得它们的状态无论如何都是相关的。

为了验证这些量子力学的基本原理，科学家们进行了许多实验。

其中一项重要实验是双缝干涉实验。

在这个实验中，光线通过两个狭缝后形成干涉图样，这表明光既具有粒子的特征，又具有波动的特征。

类似地，电子和其他微观粒子也可以展示出干涉和衍射的现象，证明了波粒二象性的存在。

另一个重要的实验验证是斯特恩-格拉赫实验。

这个实验通过将一束银原子束通过一个磁场，将其分为两束。

然后，这两束银原子经过另一个磁场，最终在屏幕上形成两个离散的斑点。

这个实验证明了电子具有自旋的概念，自旋可以看作是粒子的内在性质。

量子纠缠也是量子力学的一个重要概念，它在实验中得到了验证。

贝尔不等式实验是一个典型的例子，它通过测量两个纠缠粒子的属性来验证量子纠缠的存在。

实验结果表明，两个纠缠粒子之间的关联是非局域的，即它们的状态在测量之前是不确定的。

量子力学实验报告Word版量子力学实验报告
引言
量子力学是一门研究微观世界行为的物理学科。

通过实验可以验证量子力学的理论预测并验证其有效性。

本实验旨在探究量子力学中的一些基本概念，并通过实验数据进行验证。

实验目的
1. 熟悉量子力学的一些基本概念和实验方法；
2. 探究电子在势场中的行为，验证波粒二象性；
3. 使用实验数据验证量子力学的理论预测。

实验装置与步骤
实验装置
1. 电子束发射装置；
2. 力场装置；
3. 探测装置。

实验步骤
1. 将电子束发射装置和力场装置连接；
2. 开启电子束发射装置，使电子束通过力场装置；
3. 在不同电压下测量电子的运动轨迹。

实验结果与讨论
通过实验测量得到的数据，我们可以观察到电子在不同电压下的运动轨迹。

实验结果表明了波粒二象性的存在。

根据量子力学的理论，我们可以预测电子的运动状况，并通过实验数据与理论预测进行对比。

实验结果与理论预测较好地吻合，这验证了量子力学的有效性。

结论
通过本实验，我们验证了电子的波粒二象性，证明了量子力学的理论预测的正确性。

量子力学作为一门重要的物理学科，对于我们对微观世界的理解至关重要。

通过实验验证，我们加深了对量子力学的认识，并对其在科学研究和技术应用中的潜力有了更深刻的认识。

参考文献
[1] 王贺, 张三. 量子力学实验与理论[M]. 科学出版社, 2010.
[2] 李四. 量子力学基础教程[M]. 高等教育出版社, 2015.。