量子力学论文

量子力学论文

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量子理论及技术的发展

【摘要】本文简述了在量子力学的发展过程中所带动的激光、半导体、扫描隧道显微镜、量子信息等技术的形成及影响，并借此强调了基础理论对于技术发明的重要性。

【关键词】量子力学激光半导体扫描隧道显微镜量子信息

回顾科技史，以量子论、相对论为代表的近代物理学掀起了以能源、材料、信息为代表的现代技术革命，其中量子理论在形成中便带动了相关技术群的出现并促进了自身研究的深入和拓展。

一、从“光量子假说”到激光技术

１９００年，德国物理学家普朗克为了解决有关热辐射现象的“黑体辐射”难题，提出了“普朗克假设”，其“能量子”概念的提出标志着量子力学的诞生。随后，爱因斯坦于１９０５年提出了“光量子假说”以解释“光电效应”，使人们对能量量子化的认识更深入了一步的认识。１９１６年，爱因斯坦指出辐射有两种形式：自发辐射和受激辐射，从而为激光器的发明奠定了理论基础。激光器在技术上的最终实现得益于二战后对与雷达相关的微波的深人研究。其中标志性的工作有：１９３３年拉登伯格观测到了负色散现象；１９３９年法布里坎特指出辐射放大的必要条件是实现粒子数反转；１９４６年布洛赫观察到了粒子数反转的信号；１９５１年珀塞尔第一次在实验中实现了粒子数反转并观察到了受激辐射；１９５１年汤斯首次提出实现微波放大的可能性；１９５４年汤斯等人成功地制成了世界上第一台“辐射的受激发射微波放大”的装置（简称脉塞Ｍａｓｅｒ）；１９５８年汤斯和肖洛论证了把微波激射技术扩展到

论的又一重大课题。在量子力学建立前，特鲁特于１９００提出了经典的金属自由电子气体模型，定性的解释了金属的电导和热导行为，但得到的定量比热关系在低温时与实验

偏离较大。１９０７年爱因斯坦应用了量子假说，所得结果得到了能斯特的实验验证和大力宣传，使量子论开始被人们认识，从而打开了迅速发展的局面。从１９１３年玻尔提出半

经典的量子论原子模型到１９２８年狄拉克发表电子的相对红外区和可见光区的可能性。最终，美国休斯研究所的梅曼于１９６０年成功制造并运转了第一台激光器——红宝石脉冲激光器，同年１２月贾万研制出第一台气体激光器——氦氖激光器。

这两种激光器的相继问世引起了全世界科技界研究激光的热潮，各种激光器陆续出现。其中有可获得大功率脉冲的钕激光器，连续输出大功率的二氧化碳激光器，可在室温下工作的小型半导体激光器，从化学反应获得能量的化学激光器，光谱线很宽的可以连续改变激光输出波长的染料激光器。后来，还出现了自由电子激光器、准分子激光器、离子激光器等等。激光的波长范围已扩展到从红外到紫外以至ｘ射线的所有波段，激光的应用更涉及到从日常生活到高新科技各个领域．如工业上的激光切割、焊接、打孔、表面改性、测距、大气污染分析；生物上的激光育种、水产养殖、品种改良、生命活细胞的全息照相；医疗上的激光外科手术、诊断；军事上的激光制导炸弹、强激光武器；此外，激光还应用于通信、光盘、分离同位素、激光核聚变等许多方面。

激光技术是以量子理论为主的现代物理学和现代技术相结合孕育出来的一门科学技术，它的发展历史不仅充分显示出物理科学理论对技术发明的预见性，而且它本身又作为现代科学技术家族中的一个优等生，大大促进和推动着现代物理学和现代科学技术的发展。

二、从“费米统计”到半导体技术

继黑体辐射和光电效应之后，固体比热的研究是量子论的又一重大课题。在量子力学建立前，特鲁特于１９００提出了经典的金属自由电子气体模型，定性的解释了金属的电导和热导行

为，但得到的定量比热关系在低温时与实验偏离较大。１９０７年爱因斯坦应用了量子假说，所得结果得到了能斯特的实验验证和大力宣传，使量子论开始被人们认识，从而打开了迅速发展的局面。从１９１３年玻尔提出半经典的量子论原子模型到１９２８年狄拉克发表电子的相对论方程，短短几年内，量子力学的基础和数学框架就被确立了起来。这为进一步解决了固体物理中的基本问题准备了条件，也为人类了解物质的微观结构奠定了基础。

１９２６年，狄拉克在薛定谔的多体波函数启示下，开始研究全同粒子系统，他发现，如果描述全同粒子的多体波函数是对称的，这些粒子将服从玻色一爱因斯坦统计；如果这一波函数是反对称的，这些粒子将服从费米一狄拉克统计，并证明了在波函数反对称条件下，新的统计是量子力学的必然结果。１９２８年索未菲首先将费米一狄拉克统计用于电子气体，发展出了量子的金属自由电子气体模型。

在此模型基础上，普朗克于１９２８年在应用量子力学研究金属导电问题时，提出固体能带论的基本思想，第一次科学地阐明了固体为什么可按导电能力的强弱，分为绝缘体、导体、半导体。随后，英国物理学家威尔逊于１９３１年据导电机理，将半导体分为“本征半导体”与“杂质半导体”，并提出半导体所有变化多端的性质和广泛的应用价值，都是由杂质导电机理决定的。１９３９年肖特基、莫特和达维多夫，建立了解释金属一半导体接触整流作用的扩散理论。这样，在量子理论的基础上发展起来的能带论、导电机理模型和扩散理论这三个相互关联逐步发展起来的半导体理论模型，便大体上构成了确立晶体管这一技术发明目标的理论背景。

技术上，贝尔实验室的固体物理研究组于１９４７年终于成功发明了晶体管；１９５８年第一块集成电路研制成功；１９６４年中规模电路研制成功并于１９７３年开始进入工业化生产阶段，踟年代则进人了超大规模集成电路时代。集成电路发展速度之快，对社会生产、生活的影响之大是人们始料未及的。以集成电路为核心的微电子技术渗透到现代通信、信息技术、计算机、医疗、能源、交通、自动化、教育传播等各个方面，尤其是对现代电子和信息技术的发展起了巨大的作用。

三、从“势垒隧穿”到扫描隧道显微镜技术

量子力学不仅为了解物质结构奠定了理论基础，还开发了探测物质结构的重要技术手段。经典物理中，粒子不能越过能量大于它的势垒而进入到另一个区域。但在量子力学中，即使粒子能量小于势垒高度，粒子在垒区、甚至在垒后的波函数也都不为零，这就是说，粒子有一定的率处于势垒内。甚至还有一定的概率能穿透势垒而进入垒后区域，好像在势垒中有一个“隧道”能使少量粒子穿过而进入垒后，所以人们就形象地称之为隧道效应。

１９８１年，ＩＢＭ公司苏黎世实验室的两位科学家宾尼希和罗雷尔利用电子的隧道效应制成了扫描隧道显微镜（ＳＴＭ，ＳｃａｎｎｉｎｇＴｕｎｎｅｌｌｉｎｇＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）。其原理是，若将两块平行放置的相同导体平板电极用一非常薄的绝缘层隔开，并在两极之间施一直流电压，则在绝缘导区域将形成一势垒，负电极中的电子可以穿过绝缘层的势垒到达正电极，形成隧穿电流，据量子力学知识，这种情形下隧道电流密度随绝缘层厚度呈指数关系变化，因此ＳＴＭ具有高精度。

ＳＴＭ发明以后，相继诞生了一系列在工作模式、组成结构及主要性能与ＳＴＭ相似的显微仪器，构成了一个不断发展的“扫描探针显微镜”家族，用来获取有关表面结构的各方面信息。这其中有１９８６年宾尼希等人在ＳＴＭ的基础上发明的原子力显微镜，克服了ＳＴＭ只能用于导体、半导体的不足；扫描噪声显微镜，不仅可用于观测表面形貌，还提供了一种控制隧道间隙的新方法，可用于热电子电压等测量；扫描隧道电位仪，由反馈系统利用交流电压控制隧道间隙的恒定，可用来测量纳米尺度的电位变化；弹道电子发射显微镜，利用的样品是金属一半导体构成的肖特基势导电结，是目前唯一能够在纳米尺度上无损伤探测表面和界面结构的先进分析仪器；此外，还有用光代替探针的近场扫描光学显微镜、光子扫描隧道显微镜等。

扫描探针显微术的诞生，使人类能够实时地观测原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理化学性质，大大缩短了宏观世界和微观世界的距离，对表面科学、材料科学、