量子力学的发展及应用

量子力学论文题目: 量子力学发展历史及应用领域

学生姓名武术

专业电子科学与技术

学号_ ***************

班级2009 级 2班

指导教师张济龙

成绩 _

工程技术学院

2011年12 月

量子力学发展历史及应用领域

武术

西南大学工程技术学院，重庆 400716

摘要:量子力学发展至今已有一百年了，它发展的道路并不是一帆风顺的。这一百年虽是艰难的，但是辉煌的。此后，人们发现量子力学与现代科技的联系日益紧密，它的发展潜力是不能低估的。本文从两个部分逐次论述了量子力学的发展及应用。第一部分是量子力学的发展，这部分阐述了早期量子论。第二部分是量子力学的应用，这部分阐明了量子力学在固体物理和信息科学中的应用。

关键词：早期量子论；量子力学的发展；量子力学的应用

量子力学诞生至今一百年。经过一百年的发展，它由原子层次的动力学理论，已经向物理学和其他学科以及高新技术延伸。而事实上，它已超出物理学范围；它不仅是现代物质科学的主心骨，又是现代科技文明建设的主要理论基础之一。

建立在量子概念的量子力学及其物理诠释，促使人类的思想观念产生根本性转变；虽然这新概念很抽象，但就目前文明的空前繁荣而言，量子力学所产生的影响是相当广泛的。而看看量子力学的前沿性进展新貌，则会感到心驰神往。

量子力学可谓是量子理论的第二次发展层次，第一次常称作早期量子论，第三次就是量子场论。本文除了论述这三个层次以外，又说了它在现代物理乃至现代物质科学中的地位，阐述了它应用的状况。

一.量子力学的发展

19世纪末20世纪初，人们认为经典物理发展很完美的时候，一系列经典理论无法解释的现象一个接一个的发现了。经典力学时期物理学所探讨的主要是用比较直接的实验研究就可以接触到的物理现象的定理和理论。牛顿定理和麦克斯韦电磁理论在宏观和慢速的世界中是很好的自然规律。而对于微观世界的

物理现象，经典物理学就显得无能为力，很多现象没发解释。这些困难被看做是“晴朗天空的几朵乌云”，正是这几朵乌云引发了物理界的变革。下面简述这几个困难：

⑴黑体辐射

完全黑体在与热辐射达到平衡时，辐射能量密度随频率变化会有一个曲线。韦恩从热力学普遍理论考虑以及分析实验数据的得出一个半经验公式。但是韦恩公式并不是与所有实验数据吻合的很好。在长波波段，韦恩公式与实验有严重偏离。这促使普朗克在韦恩公式和瑞利-金斯的公式之间寻求协调统一，结果得出一个两参数的普朗克公式，此公式不仅与实验符合的最好，而且形式最简单（韦恩公式除外）。

普朗克提出这个公式后，许多实验物理学家立即用它去分析了当时最精确的实验数据，发现符合的非常好。他们认为，这样简单的一个公式与实验如此符合，绝非偶然，在这公式中一定蕴藏着一个非常重要但尚为被人们揭示出的科学原理。

⑵光电效应

直到电子发现后，人们才认识到光电效应是由于紫外线照射，大量电子从金属表面逸出的现象。经过实验研究，发现光电效应呈现下列几个特点：

①对于任何一种金属都有一个确定的临界频率。照射光频率必须大于临界频率时，才能观测到光电子从电极上逸出。

②光电子的能量与照射光的频率有关，而与光强度无关。光强度只影响到光电流的强度即单位时间从金属电极单位面积上逸出的电子的数目。

这些都与经典电磁理论是不相符的，经典的电磁理论是无法解释这些特点的。

⑶原子的线状光谱及其规律

人们拥有很多关于光谱的资料，对这些资料进行整理与分析后，发现光谱线波长有一定的规律且原子光谱是呈分离的线状光谱而不是连续分布。这样人们自然会提出疑问：原子的线状光谱产生的机制是什么？这些谱线的波长为什么有这样简单的规律？

⑷原子的稳定性

卢瑟福的原子模型成功的解释 粒子的大角度偏转，但它也是不完美的，还存在着一些问题：

二．早期量子论

2.1 普朗克的量子假说

1900年，普朗克推导出一个关于黑体辐射的公式：33811

hv kT hv c e πμ=- 。这个公式称为普朗克公式。此后他致力于找出这个公式的真正的物理意义，他根据玻尔兹曼的思想，作了如下假设：黑体是由带电谐振子组成，这些谐振子的能量不能连续变化，只能取一些分立值。谐振子的最小能量为h εν=，这个最小能量称为能量子，h 称为普朗克常数。谐振子的能量是能量子的整数倍。能量子概念的提出，实在是很震撼人心，它打破了经典物理连续、平滑的概念。人们是很难接受的，连普朗克本人都感到困惑，它会带来革命性的变革。

2.2 爱因斯坦的光量子理论

普朗克早期量子论文章的知音很少，其中之一就是在伯尔尼专利局工作的

一个年轻的专利审查员阿尔伯特·爱因斯坦。爱因斯坦觉得，能量元素的假设是生动，实在的，也令人惊骇，“似乎脚下的地板被拖走了，悬在那里，望哪里都看不见任何能建立它的基础。”此后，爱因斯坦一生都致力于寻找“坚实的基础”。没等从概念上找到令人满意的基础，爱因斯坦便着手继普朗克工作之后，发现再次使量子理论跨出伟大一步的原理了。

爱因斯坦用同普朗克1900年文章类似的风格，简短，聪明，多方面地讨论，发展了光子的概念。熵概念和热力学基本方程再次打开了通向量子王国之门，辐射场熵方程使得场就像是一个包含大量但是有限数目个独立粒子的理想气体，每个辐射量子——按现在的说法就是光子携带着总量由普朗克能量元素h ν给出的能量，其中v 现在表示辐射频率，如果有N 个光子，那么总能量就是E Nh ν=。这是1905年，普朗克的量子假说仍然还没什么人注意，爱因斯坦却将它用到了光和其他辐射场，跨出了普朗克自己十年之久都不愿意迈出的一步。

爱因斯坦引用的最重要的实验证据就是“光电效应”，即明亮的紫外光照到

真空中制备的纯净金属表面会产生电流。爱因斯坦认为，只要认为实验中的照明光就是粒子型光子的集合。最简单的方式是设想这是一个光子将全部能量释放给一个电子的过程，我们也就假设这就是真实发生的事件。爱因斯坦就是这样利用普朗克的量子假说提出光量子概念从而解决了光电效应问题。