华中科技大学《量子力学》1讲-绪论
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量⼦⼒学讲义1第⼀章绪论前⾔⼀、量⼦⼒学的研究对象量⼦⼒学是现代物理学的理论基础之⼀,是研究微观粒⼦运动规律的科学。
量⼦⼒学的建⽴使⼈们对物质世界的认识从宏观层次跨进了微观层次。
综观量⼦⼒学发展史可谓是群星璀璨、光彩纷呈。
它不仅极⼤地推动了原⼦物理、原⼦核物理、光学、固体材料、化学等科学理论的发展,还引发了⼈们在哲学意义上的思考。
⼆、量⼦⼒学在物理学中的地位按照研究对象的尺⼨,物理学可分为宏观物理、微观物理和介观物理三⼤领域。
量⼦理论不仅可以正确解释微观、介观领域的物理现象,⽽且也可以正确解释宏观领域的物理现象,因为经典物理是量⼦理论在宏观下的近似。
因此,量⼦理论揭⽰了各种尺度下物理世界的运动规律。
三、量⼦⼒学产⽣的基础旧量⼦论诞⽣于1900年,量⼦⼒学诞⽣于1925年。
1.经典理论⼗九世纪末、⼆⼗世纪初,经典物理学已经发展到了相当完善的阶段,但在⼀些问题上经典物理学遇到了许多克服不了的困难,如⿊体辐射等。
2.旧量⼦论旧量⼦论= 经典理论+ 特殊假设(与经典理论⽭盾)旧量⼦论没有摆脱经典的束缚,⽆法从本质上揭露微观世界的规律,有很⼤局限性。
但旧量⼦论为量⼦⼒学理论的建⽴提供了线索,促进了量⼦⼒学的快速诞⽣。
四、量⼦⼒学的研究内容1.三个重要概念:波函数,算符,薛定格⽅程。
2.五个基本假设:波函数假设,算符假设,展开假定,薛定格⽅程,全同性原理。
五、量⼦⼒学的特征1.抛弃了经典的决定论思想,引⼊了概率波。
⼒学量可以不连续地取值,且不确定。
2.只有改变观念,才能真正认识到量⼦⼒学的本质。
它是⼈们的认识从决定论到概率论的⼀次巨⼤的飞跃。
六、量⼦⼒学的应⽤前景1.深⼊到诸多领域:本世纪的三⼤热门科学(⽣命科学、信息科学和材料科学)的深⼊发展都离不开它。
2.派⽣出了许多新的学科:量⼦场论、量⼦电动⼒学、量⼦电⼦学、量⼦光学、量⼦通信、量⼦化学等。
3.前沿应⽤:研制量⼦计算机已成为科学⼯作者的⽬标之⼀,⼈们期望它可以实现⼤规模的并⾏计算,并具有经典计算机⽆法⽐拟的处理信息的功能。
第一章 量子力学的历史渊源§1.1 Planck 的能量子假说 经典物理学的成就到19世纪末,已经建立了完整的经典物理学理论:(1)、以牛顿三大定律和万有引力定律为基础的经典力学(从天空到地上的各种尺度力学物体的机械运动),(2)、以麦克斯韦方程组和洛仑兹力公式表述的电磁场理论(光的波动理论、电磁现象的规律);(3)、热学以热力学三大定律为基础的宏观理论和统计物理所描述的微观理论(大量微观粒子的热现象等)。
这些理论能令人满意地解释当时所常见的物理现象,让当时绝大多数的物理学家相信物理学基本理论已经完成,剩下的工作在需要在细节上作一些补充和修正。
经典物理学所遇到的问题(1)、黑体辐射现象,(2)、光电效应;(3)、原子的光谱线系;(4)、原子的稳定性;(5)、固体的低温比热。
一、黑体辐射的微粒性 1、黑体辐射的几个物理量黑体:所有落到(或照射到)某物体上的辐射完全被吸收,则称该物体为黑体。
辐射本领:单位时间内从辐射体表面的单位面积上发射出的辐射能量的频率分布,用(,)E T ν表示。
所以在t ∆时间,从面积S ∆上发射出频率在ννν-+∆范围内的能量表示为: (,)E T t S νν∆∆∆因此,(,)E T ν的量纲为:22=1×⨯能量焦耳米秒米秒。
可以证明:((,)v T ρ的单位为3⋅焦耳秒米)。
吸收率:照到物体上的辐射能量分布被吸收的份额, 用(,)A T ν表示。
G. Kirchhoff (基尔霍夫)证明:对任何一个物体,辐射本领(,)E v T 与吸收率(,)A T ν之比是一个普适的函数,即(f 与组成物体的物质无关)。
对于黑体的吸收率(,)1A v T =, 故其辐射本领(,)(,)E T f T νν=(等于普适函数与物质无关)。
所以只要黑体辐射本领研究清楚了,就把普适函数(对物质而言)弄清楚了。
辐射本领也可以用(,)E T λ描述, 由于单位时间内从辐射体表面的单位面积上发射出的辐射能量可写为:(,)(,)E v T dv E T d λλ∞∞=⎰⎰由于c νλ=知2cd d νλλ=-代入上式得:02(,)(,)cE v T d E T d λλλλ∞∞-=⎰⎰322(,)(,) (,)(,) ( )E v T E T E T E v T ccλνλλ⋅⇒==焦耳米秒或2、黑体的辐射本领黑体辐射的空间能量密度按波长(或频率)的分布只与温度有关。
量子力学1《量子力学1》课程教学大纲课程名称:量子力学1课程代码:03213004一、课程基本情况1.学分:3 学时:48 (理论学时:48 实验学时:0)2.课程性质:专业方向必选课3.适用专业:物理学师范方向4.适用对象:本科5.先修课程:数学物理方法、原子物理、统计物理6.教材与参考书目:[1]周世勋编,量子力学教程,高等教育出版社,2002.3[2] 咯兴林,《高等量子力学》,高教出版社,1999[3] 曾谨言,《量子力学》卷I,第三版,科学出版社,2000[4] 曾谨言,《量子力学教程》,科学出版社,2003[5] 钱伯初,《量子力学》,电子工业出版社,1993[6] 张永德,《量子力学》,科学出版社,2002[7] 钱伯初、曾谨言,《量子力学习题精选与剖析》,上、下册,第二版,科学出版社,1999[8] 曾谨言、钱伯初,《量子力学专题分析(上)》,高教出版社,19907.考核方式:闭卷二、课程教学目的量子力学是近代物理两大支柱之一,是物理学专业最重要的一门专业基础必修课,是学习理论物理、材料科学、激光物理与技术、生物物理、理论化学等研究生课程的重要基础。
为科学技术的形成和发展起着巨大的理论指导作用。
通过本课程的学习应使学生:1.全面系统地了解微观世界的基本规律;理解掌握量子力学的基本概念,并能应用这些基本概念和规律解释微观现象,为下一步的学习打下必要的基础。
2.了解量子史上的重要物理思想,培养辩证唯物主义的世界观和科学的方法论。
3.了解量子力学知识也是从事中学物理教学的教师必备的条件。
4.为高年级大学生考研奠定坚实的理论基础。
三、课程内容、学时分配及教学基本要求(含课内实验)1.课程内容、学时分配及教学基本要求(含课内实验)本课程重点阐述非相对论量子力学的完整自洽的知识体系。
考虑到专业特点和学时要求,量子力学内容包括:量子力学发展简况,波函数,薛定谔方程,力学量和算符,态和力学量的表象,微扰论,自旋和全同粒子。
※<教学方法>(1)量子力学是一个建立在公理体系上的科学。
对于低年级本科生来说,他们更习惯于大前提到小前提再到结论这样的形式逻辑的三段论式的分析、推理和论述方式。
但是,大前提来自何处,怎样来,他们往往不清楚,更不了解辨正逻辑的分析、推理和思维方式。
不太了解如何通过完全归纳法或不完全归纳法确定大前提,更不习惯于通过公设建立大前提。
这样,在涉及波函数及其统计诠释、薛定谔方程、算符与力学量及其平均值、态叠加原理等这些量子力学基本原理的时候,学生很难理解。
为此,要借助量子力学的授课机会,向学生讲一些逻辑思维的方式和方法,让他们从一切都是可以推导出来的这种形式逻辑思维的桎梏中解脱出来,领会物理学家是如何通过各种方式确定大前提的。
这就要求任课老师要能从思维方法和自然辩证法的角度进行了这方面的讲授,这样不仅能使学生克服理解量子力学时遇到的困难,而且能大大开拓学生的思维方式。
而后者,也恰恰是为学生讲授量子力学这门课应该达到的另一个目的,对于启迪学生的思维、开拓学生的思路,提高学生科学素质和创新能力,都是至关重要的。
例如,在引进薛定谔方程时,为使学生容易接受,许多教材往往从粒子能量等于动能与势能之和入手,得到等式E=T+V,再在两边乘以粒子的波函数Ψ,得到E Ψ=(T+V)Ψ,然后再将E和T换成算符形式,就得到薛定谔方程[3-5]。
这样的处理方式,初学者从表面上看上去,薛定谔方程是推导出来的。
为了既让学生易于接受薛定谔方程,又能明白作为量子力学的基本假设之一的薛定谔方程不是推导出来的,在做上述讲授后,应该给学生明确指出,在EΨ=(T+V)Ψ中,E、T和V是以常量的形式给出的,Ψ作为时空变量的函数,如果将E和T换成算符形式,从数理逻辑上讲,是行不通的。
这时,就要向学生介绍公理体系。
以学生在中学就了解的平面几何为例,介绍公理体系的思维方式和基本方法,不仅让学生明白薛定谔方程本质上是量子力学公理体系中的一个基本公设,也让低年级本科生从什么都能推导出来这种思维模式的桎梏中解脱出来。