北京大学物理学院-第2章-量子物理.1

2、爱因斯坦的光量子论和光的波粒二象性
爱因斯坦从普朗克的发现看到需要修改的不仅是某 些定律，而是重建新的理论基础。 他在《关于光的产生和转化的一个启发性的观点》 这篇论文中提出了光量子假说，把普朗克的能量子的概 念从辐射发射和吸收过程推广到在空间传播的过程，认 为辐射本身就是由不连续的、不可分割的能量子组成的。 他从热力学的观点出发，把黑体辐射和气体类比，发现 在一定的条件下，可以把辐射看作是由粒子组成的，他 把这种辐射粒子叫做“光量子”。 1926年美国化学家刘 易斯赋名光量子为“光子”。
1932年，反电子被发现。 1932年，查德威克发现中子。
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1935年，爱因斯坦提出EPR思维实验。 1935年，薛定谔提出猫佯谬。 1935年，汤川秀树预言了介子。 1938年，超流现象被发现。
1942年，费米建成第一个可控核反应堆。
1942年，费因曼提出路径积分方法。 1945年，第一颗原子弹爆炸。

11Biblioteka 普朗克普朗克 (1858—1947 年 ) ：出身于一个 书香门第之家，曾祖父和祖父曾在哥 廷根大学任神学教授，伯父和父亲分 别是哥廷根大学和基尔大学的法学教 授。他出生在基尔，青年时期在慕尼 黑度过。 17 岁进慕尼黑大学攻读数学 和物理学，后来转到柏林大学受教于 基尔霍夫和赫尔姆霍茨等名师。 1879 年，他以《论热力学第二定律》的论 文获博士学位。他先后在慕尼黑大学 和基尔大学任教并从事热力学研究。 1888 年 11 月，他作为基尔霍夫的继任 人到柏林大学讲授理论物理学。他的 研究方向从热力学转向热辐射，就是 到柏林后才开始的。 12
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把光量子看作一些携带着能量和动量的粒子的这种 观点，是和十九世纪已经取得统治地位的光波动说相对立 的。在某种意义上复活了光微粒说。 尽管作为光量子理论的推论，爱因斯坦成功地解释了 古典物理学理论无法解释的光电效应等，人们也还是对它 抱怀疑态度的。能量子的发现者普朗克直到 1913年对光量 子还难以容忍。只是在十年之后，1915年，不相信光量子 的密立根宣布他的实验无歧义地证实了爱因斯坦的光电效 应理论和1922年康普顿发现Ｘ射线散射效应必须由光量子 论解释之后，人们才正确评价了光量子论，宣布爱因斯坦 由于“在理论物理学方面的成就，特别是光电效应定律的 发现”而授予他1921年度的诺贝尔物理学奖。
1885年，巴尔末提出了氢原子光谱的经验公式 。 1887年，赫兹证实了麦克斯韦电磁理论，但他同时也发现了光电 效应现象。 1893年，黑体辐射的维恩公式被提出。
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1896年，贝克勒耳发现了放射性。
1896年，发现了光谱的塞曼效应。 1897年，J.J.汤姆逊发现了电子。 1900年，普朗克提出了量子概念，以解决黑体问题。 1905年，爱因斯坦提出了光量子的概念，解释了光电效应。
玻恩经过一个星期的钻研发现海森伯的数学方案是 70 多 年前就已创造出来的矩阵乘法。由于玻恩不熟悉矩阵数 学，于是到处请教，最后遇到熟悉矩阵数学而又愿意合 作的年轻人约尔丹。9 月份他们两人联合发表了题为《论 量子力学》的论文，用数学矩阵的方法发展了海森伯的 思想。 他们同时和在哥本哈根的海森伯通信讨论，三人合作的 论文《论量子力学 Ⅱ》于 12 月发表，把量子力学发展成 系的理论。 在这个理论中，牛顿力学的运动方程被矩阵之间的类似 方程所代替，后来人们把这个理论称为矩阵力学，以区 别量子力学的另一种形式 —— 波动力学。随后玻恩同维 纳合作，用算符理论推广了矩阵力学，发展出量子力学 的算符表示形式——算符力学。 22
普朗克
爱因斯坦
玻尔
德布罗意
海森堡
薛定谔
狄拉克
玻恩
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量子力学发展大事记
1690年，惠更斯出版《光论》，波动说被正式提出。 1704年，牛顿出版《光学》，微粒说成为主导 。
1807年，杨整理了光方面的工作，提出了双缝干涉实验，波动说 再一次登上舞台 。
1819年，菲涅尔证明光是一种横波。
1856-1865，麦克斯韦建立电磁力学，光被解释为电磁波的一种。
1910年，粒子散射实验。
1911年，超导现象被发现。 1913年，玻尔原子模型被提出。 1915年，索末菲修改了玻尔模型，引入相对论，解释了塞曼效应 和斯塔克效应。 1918年，玻尔的对应原理成型。
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1922年，斯特恩-格拉赫实验。
1923年，康普顿完成了X射线散射实验，光的粒子性被证实。
1923年，德布罗意提出物质波的概念。
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3、玻尔的原子结构理论
玻尔首先把普朗克的量子假 说推广到原子内部的能量，来解 决卢瑟福原子模型在稳定性方面 的困难。他在友人汉森的启发下 从光谱线的组合定律达到定态跃 迁的概念。在 1913 年 7 、 9 和 11 月 发表了长篇论文《论原子构造和 分子构造》的三个部分。
玻尔
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玻尔的原子理论给出这样的原子图像： ♫电子在一些特定的可能轨道上绕核作圆周运动， 离核愈远能量愈高； ♫可能的轨道由电子的角动量必须是 h/2 的整数 倍决定； ♫当电子在这些可能的轨道上运动时原子不发射 也不吸收能量，只有当电子从一个轨道跃迁到 另一个轨道时原子才发射或吸收能量，而且发 射或吸收的辐射是单频的，辐射的频率和能量 之间关系由 E＝hv给出。
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量子物理引言
1、热辐射研究和普朗克能量子假说
十九世纪中叶，冶金工业的向前发展所要求的高温测 量技术推动了热辐射的研究。已经成为欧洲工业强国的德 国有许多物理学家致力于这一课题的研究。德国成为热辐 实验 射研究的发源地。
r0 ( , T )
瑞利-琼斯
维恩理论值 T=1646k 黑体辐射本领分布
针对这种情况，普朗克用内插法导出了一个在高频趋 近维恩公式 而在低频则趋近瑞利公式的新的辐射定律。 他在德国物理学会的会议上以《论维恩辐射定律的改进》 为题报告了自己的结果。
由于普朗克公式与实验曲线的精确一致，普朗克受到 极大的鼓舞，决定寻找隐藏在公式背后的物理实质。普朗 克又回到他的谐振子模型，而且这次他把出发点从热力学 转到统计物理学，导出了振子热平衡时的能谱分布公式。 若想使新得到的这个公式能说明实验曲线，要求新公式中 所包含的振子的能量值必须是一系列不连续的量。
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爱因斯坦和普朗克不同，当时就坚信自己的光量子论 是“非常革命的”。的确，光量子论并不是简单地复活光 微粒说，而是揭示了光的波粒二象性。对统计平均现象光 表现为波动，对瞬时涨落现象光表现为粒子。光量子论第 一次确认了光的波粒二象性这个最基本的性质。
继光量子论之后，1906年爱因斯坦又把量子假说应用 到固体弹性振动上去，成功地解决了古典物理学理论在低 温固体比热问题上所遇到的难题，这个结果标志着一个重 要的进展，因为它表明普朗克常数也出现在与辐射无关的 现象中。量子论的下一步 发展是由丹麦物理学家玻尔作出 的，他把旧量子论推到顶峰，同时他也为从旧量子论 向新 量子论的过渡起了重要的作用。
比海森伯还年轻的英国剑桥大学的狄拉克不满足于海森伯的 表述形式，试图使它同牛顿力学的推广形式——哈密顿方程 相适应。 1925年 11月7 日，他完成了论文《量子力学的基本 方程》，参照古典力学的泊松括号引入量子泊松括号，把古 典力学方程改造成量子力学方程。
1947年，第一个晶体管。
1948年，重正化理论成熟，量子电动力学被彻底建立。 1952年，玻姆提出导波隐变量理论。 1954年，杨-米尔斯规范场，后来发展出量子色动力学。
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1956年，李政道和杨振宁提出弱作用下宇称不守恒，不久被吴健 雄用实验证实。
1957年，埃弗莱特提出多世界解释。
1960年，激光技术被发明。 1963年，盖尔曼等提出夸克模型。 1964年，贝尔提出贝尔不等式。 1964年，CP对称性破缺被发现。 1968年，维尼基亚诺模型建立，导致了弦论的出现。 1970年，退相干理论被建立。 1973年，弱电统一理论被建立。 1973年，核磁共振技术被发明。 1974年，大统一理论被提出。
第五次索尔维会议与会者合影(1927年)
第三排：奥古斯特· 皮卡尔德、E. 亨利厄特、保罗· 埃伦费斯特、Ed. 赫尔岑、Thé ophile. 德唐德、欧文· 薛定谔、E. 费尔夏费 尔特、沃尔夫冈· 泡利、沃纳· 海森堡、R.H.福勒、里昂· 布里渊， 第二排：彼得· 德拜、马丁· 克努森、威廉· 劳伦斯· 布拉格、Hendrik Anthony 克莱默、保罗· 狄拉克、亚瑟· 康普顿、路易· 德布 罗意、马克思· 玻恩、尼尔斯· 玻尔， 第一排：欧文· 郎缪尔、马克思· 普朗克、玛丽· 居里、亨得里克· 洛伦兹、阿尔伯特· 爱因斯坦、保罗· 朗之万、Ch. E. 古伊、 C.T.R.威尔逊、O.W.理查森
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玻尔的理论成功地说明了原子的稳定性和氢原子光 谱线规律。玻尔的理论大大扩展了量子论的影响，加速 了量子论的发展。 1915年，德国物理学家索末菲把玻尔 的原子理论推广到包括椭圆轨道，并考虑了电子的质量 随其速度而变化的狭义相对论效应，导出光谱的精细结 构同实验相符。 1916年，爱因斯坦从玻尔的原子理论出发用统计的 方法分析了物质的吸收和发射辐射的过程， 导出了普朗 克辐射定律。爱因斯坦的这一工作综合了量子论第一阶 段的成就，把普朗克、爱因斯坦、玻尔三人的工作结合 成一个整体。
1924年，玻色-爱因斯坦统计被提出。 1925年，泡利提出不相容原理。 1925年，戴维逊和革末证实了电子的波动性。 1925年，海森堡创立了矩阵力学，量子力学被建立。 1925年，狄拉克提出q数 。 1925年，乌仑贝克和古德施密特发现了电子自旋。
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1926年，薛定谔创立了波动力学。
1926年，波动力学和矩阵力学被证明等价。 1926年，费米-狄拉克统计。
1927年，G.P.汤姆逊证实了电子的波动性。
1927年，海森堡提出不确定性原理。 1927年，波恩作出了波函数的概率解释。 1927年，科莫会议和第五届索尔维会议召开，互补原理成型。 1928年，狄拉克提出了相对论化的电子波动方程，量子电动力学走 出第一步。