1相對論CONTENTS第9章現(xiàn)代物理學(xué)量子力學(xué)29.2課程標(biāo)準(zhǔn)

1.知識目標(biāo)

了解普朗克、波爾、德布羅意、海森堡、薛定諤在量子力學(xué)上的科學(xué)創(chuàng)新。

了解量子力學(xué)的基本內(nèi)容。

理解基本粒子的分類及四種作用力的特點(diǎn)。

2.能力目標(biāo)具備初步批判性思維能力。3.素質(zhì)目標(biāo)弘揚(yáng)科學(xué)家精神，博學(xué)德清，鼎新致用。

一、量子力學(xué)的基本內(nèi)容

（一）微觀粒子的基本特征

1.量子性

是指微觀客體在運(yùn)動變化中具有不連續(xù)性和突變性。一個物體能全部吸收透射在它上面的輻射而無反射，這種物體稱為絕對黑體。在一定溫度下，當(dāng)空腔與內(nèi)部的輻射處于平衡時，腔壁單位面積所發(fā)出的輻射能量與其吸收的輻射能量相等。實(shí)驗(yàn)測出平衡時輻射能量密度按波長分布的曲線，其形狀和位置只與黑體的溫度有關(guān)與空腔材料或形狀無關(guān)。能量密度按波長分布的曲線

第二節(jié)量子力學(xué)

公式在低頻部分與實(shí)驗(yàn)曲線相吻合，高頻時能量密度趨于無限大，而實(shí)驗(yàn)卻顯示出能量密度趨向于零。這就是著名的紫外災(zāi)難。為了消除黑體輻射中的“紫外災(zāi)難”，德國物理學(xué)家普朗克于1900年用插值方法試圖調(diào)和維恩公式和瑞利—金斯公式，提出能量子的概念。

2.幾率性

是指由于微觀客體運(yùn)動時沒有確定的連續(xù)軌道，我們只能估計(jì)在某個時刻某個范圍內(nèi)出現(xiàn)微觀粒子的可能性大小，即幾率的大小。

玻爾（丹）根據(jù)對應(yīng)原理思想，定量地求出了氫原子能級公式為：

是指微觀客體不僅具有粒子性，而且具有波動性。

德布羅意（法）于1923年9月10日在法國科學(xué)院《會議通報》上發(fā)表了有關(guān)物質(zhì)波的第一篇論文《波和粒子》．他認(rèn)為，一個能量為E，動量為P的粒子與頻率為v和波長為λ的波相當(dāng)；仿照愛因斯坦關(guān)系，粒子的能量、動量與相應(yīng)的頻率和波長的關(guān)系為：

3.波粒二象性微觀客體運(yùn)動時沒有確定的連續(xù)軌道4.不確定性

是指由于微觀粒子沒有確定的連續(xù)軌道，對共軛正則物理量（共軛,即按一定的規(guī)律相配的一對物理量如動量與位置、時間與能量）不可能同時測準(zhǔn)。

海森堡（德）發(fā)現(xiàn)，要確切地知道粒子的位置，必須用一束光射到這個粒子上，通過光波的反射才能知道粒子的位置，光波越短，測量的結(jié)果越精確。

但是波長越短，越容易擾動粒子，結(jié)果使粒子以一種不可測的方式改變了速度。

也就是說，對位置測量的越精確，那么對它速度的擾動就越大，反之亦然

（二）量子力學(xué)的表達(dá)形式

1.矩陣力學(xué)1925年海森堡在玻恩等人的幫助下，創(chuàng)立了量子力學(xué)的一種形式體系——矩陣力學(xué)。矩陣力學(xué)從所觀察的光譜的分立性入手，它的基本概念是粒子，它采用的是矩陣代數(shù)方法。

2.波動力學(xué)1926年，薛定諤（奧地利）采用解微分方程的方法，從經(jīng)典理論入手，將經(jīng)典力學(xué)和幾何光學(xué)加以對比，提出了對應(yīng)于波動光學(xué)的波動方程。從而創(chuàng)立了量子力學(xué)的第二種形式體系——波動力學(xué)。

1926年薛定諤在認(rèn)真研究了海森堡的矩陣力學(xué)之后，證明了波動力學(xué)和矩陣力學(xué)在數(shù)學(xué)上的等價性。從此之后兩者合而為一，形成量子力學(xué)的理論體系。

（三）量子力學(xué)對經(jīng)典決定論的沖擊

經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為，一切物體（包括微觀客體）運(yùn)動變化服從確定的因果聯(lián)系，從前一時刻的運(yùn)動狀態(tài)可以推斷以后各時刻的運(yùn)動狀態(tài)。在數(shù)學(xué)上可以用各種方程式特別是微分方程式表述。量子力學(xué)的研究結(jié)果表明，由于微觀客體的運(yùn)動在本質(zhì)上是一種非連續(xù)的過程，致使微觀客體具有量子性、幾率性、波粒二象性和不確定性，而這些性質(zhì)是和宏觀客體絕然不同的。在哲學(xué)上，量子力學(xué)不但揭示了波粒二象性是自然的基本矛盾，為對立統(tǒng)一規(guī)律提供了新的證明，而且進(jìn)一步揭示了連續(xù)性與間斷性；偶然性與必然性等之間的辯證關(guān)系，宣告了機(jī)械論自然觀的破產(chǎn)。

二、基本粒子及相互作用

自從電子發(fā)現(xiàn)以后，1906年英國科學(xué)家盧瑟福做了著名的α粒子散射實(shí)驗(yàn)，即讓一束平行的α粒子（氦-4的原子核）穿過極薄的金箔時，他發(fā)現(xiàn)穿過金箔的α粒子，有一部分改變了原來的直線射程，而發(fā)生不同程度的偏轉(zhuǎn)，還有少數(shù)α粒子，好像遇到某種堅(jiān)實(shí)的不能穿透的東西而被折回。而這個帶正電荷的部分在原子中所占的體積很小。因此，盧瑟福提出了原子內(nèi)部存在著一個質(zhì)量大、體積小、帶正電荷的原子核，電子在原子核外繞核作軌道運(yùn)動的原子模型。由于盧瑟福的這一重要成果，他于1908年獲得了諾貝爾獎。后來通過粒子撞擊的方法發(fā)現(xiàn)了基本粒子。盧瑟福原子結(jié)構(gòu)模型

現(xiàn)代物理學(xué)把比原子核更小的粒子統(tǒng)稱為基本粒子。

到目前為止，已發(fā)現(xiàn)的基本粒子大約有幾百種。根據(jù)相互作用的特點(diǎn)來進(jìn)行分類，基本粒子可分為強(qiáng)子、輕子和傳播子三大類。

（一）基本粒子基本粒子基本粒子可分為強(qiáng)子、輕子和傳播子三大類

1.夸克強(qiáng)子是參與強(qiáng)相互作用、電磁相互作用及引力相互作用的基本粒子。

強(qiáng)子是由夸克組成的。組成1個重子需要3個夸克，組成1個介子需要1個夸克和1個反夸克?？淇藥в蟹?jǐn)?shù)單位電荷；夸克都是自旋為1／2的費(fèi)米子（自旋是物體對于其質(zhì)心的旋轉(zhuǎn)）。

目前已發(fā)現(xiàn)的夸克有6種，分別是上夸克（u），下夸克（d）；奇異夸克（s），粲夸克（c）；底夸克（b）和頂夸克（t）。

例如：n=（udd）；p=（uud）；

π-=（du′）；π+=（ud′）

2.輕子

是傳送各種相互作用的微觀粒子（稱玻色子）。傳遞強(qiáng)相互作用的傳播子叫膠子，共有8種；傳遞弱相互作用的是中間玻色子，有3種；

傳遞電磁相互作用的是光子，只有1種；傳遞引力相互作用的叫引力子，只有1種。3.傳播子傳播子

（二）四種作用力人類迄今認(rèn)識到自然界存在著四種基本的相互作用，即：引力相互作用、電磁相互作用、弱相互作用、強(qiáng)相互作用。2024年3月28日記者從南京大學(xué)獲悉，該校物理學(xué)院杜靈杰教授