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1、量子力学进程本科生毕业设计（论文）（2012届）设计（论文）题目 量子力学进程史 作 者、 学 号 章红梁 0802041009 作 者 所 在 班 级 应用物理学081班 学 院、 专 业 理学院应用物理学 指导教师及职称 金锦双 副教授 论 文 完 成 时 间 2012年4月30日 答 辩 日 期 2012年5 月 9日 设计(论文)成绩 杭州师范大学量子力学进程史量子力学建立过程Process history of the quantum mechanicsthe process of the quantum mechanics set up论文作者： 章红梁 专 业： 应用物理学 指导

2、老师： 金锦双 完成时间： 2012 年 4 月 30 日摘要 本文对量子力学的起源和发展进行了简单的介绍，描述了量子力学的一些基本概念。同时对量子力学存在的争议也进行了介绍，从惠更斯和牛顿争论光的属性到爱因斯坦和波尔争论量子力学的完备性，他们或者其他人在争论中的新发现和新的理论，并简单说了说量子力学对人类以前、现在以及以后的利用价值。 In this article the origin and development of the quantum mechanics are briefly reviewed, it describes some baisc concepts of the

3、quantum mechanics.It starts from Huygens and Newtons theroy of the attribution of light to Einstein and Bohrs argument on the completeness of the quantum mechanics , and it also mentions the new discovery and the new theory which were argued by themselves or other peopleWhats more, it introduces the

4、 controversy which exists in the quantum mechanics at the same time, and it simply illusrates the application value the quantum mechanics that produced before, produces now and even will produce in the future.关键词：量子理论; 波函数; 波粒二象性; 能量子Keyword: quantum theory;wave function;as of the two theories；energ

5、y quantum目 录0 前言 51从经典力学到量子力学 51.1光的波动说和微粒说的提出 51.2波动说和粒子说的“战争” 51.3麦克斯韦理论 61.4物理学空中的两朵乌云 62量子力学雏形 62.1普朗克提出“能量子” 62.2爱因斯坦的三项理论 72.3 波尔理论和量子化条件 73 量子力学的黄金期 83.1 光量子理论被证实以及康普顿效应 83.2 海森堡的新量子论的数学方案 83.3 德布罗意的物质波 83.4 波色爱因斯坦分布和泡利原理 84 量子力学的最终建立 94.1 量子力学的矩阵力学的诞生和狄拉克的q数理论 94.2 波动力学的产生和薛定谔方程 94.3矩阵力学和波动力

6、学的殊途同归 94.4 量子力学的飞速发展 105 量子力学的影响和总结 106 调查和分析 11参考文献 110、前言 在了解量子力学的发展历史以及成就之前，我们首先要知道，什么是量子力学，量子力学这个概念由谁首先提出，它主要研究什么？量子力学（Quantum Mechanics)是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科，它主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论，它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础，是现代物理学的两大基本支柱。量子力学是描述微观世界结构、运动与变化规律的物理科学。爱因斯坦、海森堡、玻尔、薛定谔、狄拉克等人对其理论发展做出了重要贡献【1

7、】。它是20世纪人类文明发展的一个重大飞跃，量子力学的发现引发了一系列划时代的科学发现与技术发明，对人类社会的进步做出重要贡献。量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的。旧量子论包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论。量子力学的创生是本世纪物理学最重大的进展。他的影响绝对不仅仅局限于物理学和化学这两门学科，它还涉及人类认识本身的种种基本问题。有的人认为量子力学是从十八世纪开始的，但是如果你真的去仔细研究过量子力学的话你就会发现，或许不去研究也可以知道其实真正的量子力学早在十七世纪末就已经被人们所关注，只是但是的人还没有量子这个概念，但是确实他们已经在往这方面发展了。1、从经典

8、力学到量子力学1.1 光的波动说和微粒说的提出 1690年，惠更斯出版光论，波动说被正式提出。1704年，光是微粒说正式发表，牛顿在其出版的光学中说明光是一种微粒，由于牛顿在当时比惠更斯有名气，所以光的微粒说成为了当时的主导学说。但是其实光的微粒说比波动说出现的更早，牛顿在1672牛递交给皇家学会的关于光和色的新理论这一论文中已经提出了光是微粒的观念，而虎克在当时是皇家学会的秘书，他反对牛顿的理论，认为牛顿是在造谣，所以他断然拒绝了牛顿的光的微粒说这一理论【2】。所以我们才会看到历史上所写的光的波动说比光的微粒说要早出现这一情况。1.2 波动说和粒子说的“战争”1801年和1803年，在托马斯

9、杨发表的两篇论文报告中，他阐述了如何用光波的干涉效应来解释牛顿环和衍射现象。甚至通过他的实验数据，计算出了光的波长应该在1/36000至1/60000英寸之间。终于，在1807年，杨总结出版了他的自然哲学讲义，并综合整理了他在光学方面的工作，并第一次描述了他那个著名的实验：光的双缝干涉实验。杨的发现带动了又一波的波动说和微粒说的“战争”，在经过一段时间的争辩之后，微粒说学者发现自己已经无法自圆其说，于是他们开始找寻对波动说不利的证据，以打击对方。1809年，马吕斯发现了偏正现象，这一现象和已知的波动论有冲突的地方。之后两大学派又开始了对峙。直到1818年，法国科学院举办了一个征文竞赛，题目是用

10、精密的仪器来确定光的衍射效应。比赛的评委包括了微粒学说的拥护者：拉普拉斯、泊松、比奥等。本来他们是想借这个机会来打击波动理论，但是事实却由于一个人而变的完全不同了，他就是31岁的菲涅尔。在他向组委会提交的论文中，圆满的解释了光的衍射问题，泊松并不相信这一结论，但是泊松在经过计算后发现在阴影的中间将会出现一个亮斑，这就是著名的“泊松亮斑”【3】。而这一亮斑也被菲涅尔的同事阿拉果在实验中做了出来。而且位子和亮度跟理论相当符合。虽然菲涅尔完美的解释了光的衍射问题，但是却无法解决光的偏振问题，1821年，菲涅尔发表了题为关于偏振光线的相互作用的论文，也正式提出了光波是横波的这一理论，很好的解释了光的偏

11、振问题。1850年的5月6日，傅科向法国科学院提交了他的一份测定光的速度的实验报告。报告指出水在真空中的速度比在水中的速度大。这一结果让光的微粒说无法再有立足之地，光学两学派的对立也就此画上了句号。1.3 麦克斯韦理论而伟大的麦克斯韦在1856年、1861年和1865年发表的三篇关于电磁理论的论文，这是一个开天辟地的工作，麦克斯韦预言：光是一种电磁波。而这个预言在1887年也被著名的科学家赫兹用实验所证明。这时候波动学派的学者已经觉得自己的波动说不仅仅是光领域的统治者，而且还是整个电磁王国的最高司令官【4】。波动说所依靠的就是麦克斯韦不朽的电磁理论。1890年维恩受德国帝国技术研究所的邀请成为

12、了亥姆霍兹的助手，这一举动改变了整个热力学的命运，在1894年维恩凭借着他在物理实验方面的天赋和数学方面的才华，终于得出了一个辐射能量分布定律公式。维恩公式： 同年，瑞利和J.H.金斯根据经典统计理论得出了瑞利金斯公式。表达式为：1.4 物理学空中的两朵乌云而当人们以为这个世界已经被看透的时候，赫兹却为了一件事而烦恼，因为他发现在做证明电磁波存在的实验的时候，如果接收器没有光照射，那两个小球必须靠的更近才能产生火花。相反，假如用更高频率的光照射接收器的时候，那电火花的出现又变的容易起来了。这个现象是无法用那个时代所了解的知识去完美的解释的。而且后面还连续发生了一连串的意想不到的事件：1895年

13、伦琴发现了X射线；1896年贝克勒尔发现了铀元素的放射现象；1897年居里夫人和她的丈夫研究了放射性，并且发现了多种放射性元素；1897年J.J.汤姆逊在研究了阴极射线后发现了电子；1899年卢瑟福发现了元素的放射性规律【5】。这么多的新发现似乎在告诉人们有什么重大事件即将发生，每个学者都多多少少感到了一种不安。但是没有人知道会发生什么，物理学的历史会向哪个方向发展。而那天边的两朵小小的隐约可见的乌云，小的甚至可以忽略。但是就是那么小的两朵云却给物理学带来了翻天覆地的变化，将旧世界的一切从大地上去除，让人们重新正确的认识了他们所生存的世界和他们周围的事物。2、量子力学雏形2.1 普朗克提出“能

14、量子”正如上面所提到的，19世纪末正当人们为经典物理取得重大成就而高兴的时候，一系列经典理论无法解释的现象一个接一个地发现了。维恩的热辐射定理、汤姆逊发现的电子、卢瑟福发现的元素放射性规律等等。虽然维恩和瑞利、金斯都得出了一个辐射能量公式，但是维恩公式只能适用于短波范围，而瑞利金斯公式虽然能在长波范围很好的吻合实验数据，但是它在短波范围内却不能适用。而在1900年12月14日这一天，普朗克在德国物理学会上发表了他的大胆假设，他宣读了那篇名留青史的黑体光谱中的能量分布这一论文，其中改变历史的是这段话：为了找出很多个振子具有的总能量U的可能性，我们必须假设U是不可能连续分割的，它只能是一些相同不见

15、的有限总和.这个基本单位，普朗克先后把它称做“能量子”和“量子”。这才是量子力学真正的开始。这一天才是量子力学真正的诞辰。普朗克假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式(能量子)实现的，能量子的大小同辐射频率成正比，比例常数称为普朗克常数，从而得出黑体辐射能量分布公式：成功地解释了黑体辐射现象。这个能量量子化的假设不仅强调了热辐射能量的不连续性，而且与辐射能量和频率无关由振幅确定的基本概念直接相矛盾，无法纳入任何一个经典范畴。普朗克自己也充分认识到，理论本身是很荒唐的，就像他后来所说的那样：“量子化只不过是一个走投无路的做法”。他其后多年试图把量子假说纳入古典物理学框架之内，取消能量的不连续性，但从未成功。2.2 爱因斯坦的三项理论 只有当时还是新秀的爱因斯坦最早认识到普朗克的能量子概念在物理学中的重要意义。爱因斯坦觉得，能量元素的假设是生动，实在的，也令人惊骇。还没等他自己在理论上搞明白是怎么回事，爱因斯坦就开始了在现实中找寻答案，经过不断的努力和尝试，他终于发现了光的本质，并在1905年的3月17日写下了一篇关于辐射的论文，这就是后来发表在物理学纪事杂志上，题目为关于光的产生和转化的一个启发性观点。这只是爱因斯坦发表的第六篇论文，却给他带来了诺贝尔奖，也开创了属于量子论的一个新时代。爱因斯坦从普朗克的发