快速学习量子物理

快速学习量子物理1、波尔的模型废话少说，我们先不谈黑体辐射和波粒二象性，我们先来看最简单的，大家初中就学过的——原子的结构模型。

大家都知道了，这个世界不是什么阴阳二气金木水火土五行构成的，物质就是由微观粒子构成的，随着实验手段探测工具的进步，各种神奇粒子都在不断被发现，我们就来说一个最基本的——原子。

大家还记得原子的模型么？八九十年代我国提出“四个现代化”口号的时候，大街上很多这种科技宣传画。

对，就是这样的科技宣传画，电视广告也常用，这就是科学史上一个著名的原子模型“波尔模型”，原子核在中间，电子在外层不同的轨道上旋转，波尔是哥本哈根学派的领袖和奠基人，也是量子力学的开山祖师，但这个模型是彻底错误的。

他这个模型的真实还原版如下——大家，仔细看，这像不像一个太阳系行星轨道？原子核带正电荷，核外电子带负电荷，原子整体呈中性。

这个模型比他的前辈卢瑟福、道尔顿是高明得多，汤姆生一度以为原子是个大西瓜，电子如同西瓜子一样嵌在原子核上。

那么波尔这个先进的模型错在哪里？毕竟这个模型可以解释所有的化学反应，以及部分物理实验结果。

那么第一个有意思的悖论来了——道理很简单，它违背了电磁学的所有原理。

大家都知道点电荷围绕原子核做圆周运动的话，等于形成了一条环形电流，而“电流的磁效应”告诉我们，环形电流会产生磁场（初中物理），说的更正确一点叫做——变化的电场产生磁场（高中物理）——一个点电荷产生的电场再产生磁场再产生电场.......毅种循环，这就是电磁波了——你的wifi信号。

也就是说，电子如果真像地球绕着太阳转那样绕着原子核转的话，它会向外发射电磁波，那么根据能量守恒定律，这个电子总能量在衰减，他的动能和势能也会衰减，他速度会越来越慢，轨道高度R会越来越低，最终跌落在原子核上？大家想一下，这个推论没有任何问题吧？但是电子掉落在原子核上这个事实却没有发生，永远不会自己发生，现实中不存在，为什么呢，大家看看自己的身体，你的身体有没有因为电子掉到原子核上而崩溃，有没有因为这件事而变成闪电超人？所以这件最普通不过事实就否定了波尔的模型，也指出了一个真理——宏观世界的电磁学原理到此为止了，伟大的麦克斯韦被挡在门外了。

（在这里我再说一个大家必须记住的真理，物理学没有一条原理是真理，他们只是在诸多特定的条件下，不断接近真理，你要说所有的物理学都是胡说八道——其实也有一定道理）。

最近最接近真理的模型是这个——他们说核外电子是一团“概率云”，并不是实在的东西，也不是围绕原子核做圆周运动的东西，没有所谓的轨道，电子也不是我们认为在空间某处的实实在在的小球，他说不定是一根丝线，是一团雾气，是个魔鬼，是个美人，是个僵尸，反正无法用文字形容的恐怖东西，他在这儿，也不在这儿，你看不到他，他就满世界都在，你看到他，他就在他该在的地方，反正你是不可能看到他的。

听不懂是吧，慢慢来，记住概率云就可以吹牛逼了。

不连续——能级和光电效应虽然波尔的模型不正确，但也不是一无是处，他提出的轨道概念，让我们可以彻底搞懂“量子”，是个什么东西，“量子”最早是由普朗克研究热辐射时提出来的，原名叫做“能量子”。

他发现微观粒子，比如原子，吸收能量和放出的方式与平时我们看到的情况不同，比如说蜗壳要打铁，得把铁烧红是不是，一大块铁烧红的过程大家见过没？农村的孩子小时候应该见过，那时候用火钳火叉烧火，可以亲眼看着黑乎乎的铁慢慢变红，这是它在连续地吸收热量。

又比如说冬天妹子的手很冷，JRS帮她暖手的时候是什么情况？她的小手不是一下子变暖和的吧，而是慢慢捂热的。

但普朗克发现微观粒子的辐射情况不对，他们吸收放出能量的时候是不连续的，比如说，某一个频率的波或者射线辐射到粒子身上，但是粒子的能量死活不增加，电子也不会被激发而跳出去，这个元素也不会发光。

只有某个特定频率的波或者射线辐射到粒子身上，他才会被激活，才会吸收能量。

也就是说，粒子吸收放出能量，是要看能量本身合不合口味的，就好比泡妞，不投缘的不要，死缠烂打都不行。

普朗克提出了一个假设，假设在光波的发射和吸收过程中，物体的能量变化是不连续的，或者说，物体通过分立的跳跃非连续地改变它们的能量，能量值只能取某个最小能量元的整数倍（这个成果后来被用于光谱分析）。

为此，普朗克还引入了一个新的自然常数h = 6.626196×10^-34 J·s。

这一假设后来被称为能量量子化假设，其中最小能量元被称为能量量子，而常数h就是著名的普朗克常数。

任何吸收和发出能量，都只能是hv的整数倍。

好了，大家记住这个重要论断——“不连续”，这是你向别人吹嘘量子力学的第一步。

然后爱因斯坦知道了普朗克的成果如获至宝，然后就有了获诺贝尔奖的“光电效应”。

波尔的模型在这里就有用了，他假设的电子“轨道”，后来被叫做“能级”，每个轨道之间的能量差值就是△E=hv（普朗克常数乘以辐射光子的频率），原子核外电子只有吸收固定频率的光波照射（或者是光子轰击，其实一个意思）的时候，才会获得能量，获得能量的电子会飞出它的“轨道”，整个原子电量就不守恒了，就带电了，所以你的太阳能光伏电池就充满电了，光电效应不是什么了不起的事情，每天我们身边就有。

特定的元素，特定频率的光波照射才行。

虽然波尔的那个模型不对，轨道概念不存在，但“能级”是存在的，我们来看氢原子的能级分布。

原子中，有不同数量的粒子（电子）分布在不同的能级上，在低能级上的粒子受到某种光子的激发，会从低能级跳到（跃迁）到高能级上，这时将会辐射出与激发它的光相同性质的光 .。

知道吗，微观粒子的能量不是连续变化的，而是吸收一段固定的能量忽然跳过去的。

氢原子能级1）氢原子能级: 原子各个定态对应的能量是不连续的，这些能量值叫做能级。

①能级公式：E(n)=E(1)/n^2②半径公式：r(n)=n^2*r(1)在氢光谱中,n=2,3,4,5,…向n=1跃迁发光形成赖曼线系n=3,4,5,6……向n=2跃迁发光形成巴耳末线系；n=4,5,6,7……向n=3跃迁发光形成帕邢线系；n=5,6,7,8……向n=4跃迁发光形成布喇开线系，其中只有巴耳末线系的前4条谱线落在可见光区域内。

③能量最低的能级叫做基态，其他能级叫做激发态。

电子“远离”原子核，不再受原子核的吸引力时的状态叫做电离态，电离态的能级为0（电子由基态跃迁到电离态时，吸收的能量最大）。

水平有限，还是没法完全不用公式和图表，简单的说——氢原子，每个原子都有不同的状态，从“基态”到各个激发态，都要吸收固定频率的能量，然后氢原子会发出不同的光线，这就是元素的光谱。

不同元素的光谱不同，相同元素不同激发态的光谱也不同。

所以我们的科学家一看光谱，就知道什么东西在作怪了！2;杨氏双缝干涉，波粒二象性，不确定第二个结论解释起来有点麻烦，不记得初中物理有木有讲过光的波粒二象性，如果文科朋友高中做过杨氏双缝干涉实验就好理解了。

爱因斯坦不是搞出了光电效应嘛？那么“光”是什么东西？为什么特定频率的光照一下那个不知名的板子，那个板子就会带电？既然△E=hv，那么光就具有能量咯，废话，啥东西都有能量，既然光有频率，那么他就是一种波咯？说对了，某种意义上他就是一种波，可以说什么东西都是波。

无线电、红外线、伽马射线、紫外线、可见光都是一种东西，都是电磁波的一种，只不过频率不同而已。

频率v越高，能量越大，原子弹爆炸发出的爆炒广岛那玩意儿就是伽马射线，他和太阳光、手机的光、WIFI信号没有本质区别，频率极高而已。

然而，光电效应公式又说了，不是特定频率的光，你照多久都没用，特定频率的光，一个光子就足够激发电子了......等等，你不是说光是一种特殊的电磁波吗，光子是什么东西？爱因斯坦那时候的解释是，光波只能一段一段不连续地被吸收，就和能量子一样，所以被称为“光量子”。

但这不是最终的解释，最终的解释是个颠覆一切的可怕魔鬼。

我们做过双缝干涉实验是吧，既然都能干涉了，那么光肯定是波啊，这个不需要解释。

解释一下干涉，波其实振动在介质中的传播（当然这个说法最终也不对，光不需要介质）。

波不是直线前进的子弹，子弹撞墙了不能继续飞，而波能绕过去，这叫“衍射”。

而两个不同的波相遇的时候，会发生干涉，比如你在水中连丢俩石子，会出现两股水波，波峰与波峰相遇，会叠加，波纹更高，波峰与波谷相遇，波纹会削弱，这就是干涉。

那，就是这个样子的。

这个初中物理也有。

我们来讨论光的干涉，如果你随便把两个手电筒打在一起，肯定看不到干涉条纹的。

只有两列光波的频率相同，相位差恒定，振动方向一致的相干光源，才能产生光的干涉。

由两个普通独立光源发出的光，不可能具有相同的频率，更不可能存在固定的相差，因此，不能产生干涉现象。

为使合成波场的光强分布在一段时间间隔Δt内稳定，要求：①各成员波的频率v（因而波长λ ）相同；②任两成员波的初位相之差在Δt内保持不变。

（这里看不懂可以跳过，意思是普通光源不能做这个实验，但高中和大学实验室的激光器，完美解决了相位差的问题）实际情况是这样子滴——这个只能证明一个问题，那就是，广是一种波，波长很小频率很大的波。

但为什么说魔鬼出现了呢？下面是见证奇迹的时刻，如果给你一个完美的黑暗房间，不受其他光源干扰，用能发出单个光子的光源做这个实验，光子一个一个地打过去（别怀疑，这个实验条件地球上具备，而且成功了）。

那么我们随便先来十发光子，会在背景墙上发现，光子落得满地都是，乱七八糟，毫无规律，但是我们来个三百万发，再看结果，却发现那么多星星点点如同细沙子的光斑堆成了了一道一道光的波纹？如下——见鬼了，问题在哪里？问题是——我们是一个一个打出光子的啊，如开枪一样，后一个光子不是智能生物，不可能知道前一位光子的落点啊，他们怎么商量好落脚点的？难道他们之间可以沟通？黑屋子里没有其他光子，单个光子和谁干涉的？和自己？自己干自己？肯定有鬼。

事实上，当光子穿越双孔的时候，我们不知道它到底穿过了哪个孔？有可能是左边，也有可能是右边，他不可能同时穿过两个孔，他不是孙悟空。

常识告诉我们，宇宙的选择是确定的，但常识错了。

如果我们挡住其中一个缝隙，可怕的事情发生了，干涉条纹消失了。

于是薛定谔写出了伟大的薛定谔概率波方程。

他说量子态是一种概率波，有两个状态，可以弥散，可以坍缩，类似于函数的发散和收敛，可以复习一下高中学的“杨氏双缝干涉”，单个光子连续穿越双缝形成干涉条纹，但你无法知道光子到底走的是哪一个缝隙。

如果你知道了，就无法形成波动性质的干涉条纹——观察者改变世界——这有点唯心主义的意思，但却是被实验证明的真理。

单个光子是一团概率云，穿过的一瞬间他坍缩了，选择了一个出口而已。

后来德布罗意发扬光大，把波粒二象性推广到所有物质上，事实也证明了，电子也可以在晶格实验中产生类似波的干涉条纹。

明白了么，JRS，你们也是波。