第20讲 量子力学实验1详解

教学内容： 21-1 21-2 21-3 21-4 21-5 21-6 21-7 黑体辐射 普朗克能量子假说 光的量子性 氢原子光谱的实验规律 玻尔理论 德布罗意假设 电子衍射实验 测不准关系 波函数 薛定谔方程 一维势阱 势垒 隧道效应
教学基本要求
一 了解热辐射的两条实验定律：斯特藩—玻耳兹 曼定律和维恩位移定律，以及经典物理理论在说明热 辐射的能量按频率分布曲线时所遇到的困难。理解普 朗克量子假设。 二 了解经典物理理论在说明光电效应的实验规律 时所遇到的困难. 理解爱因斯坦光子假设，掌握爱因 斯坦方程。
2.量子计算
• 利用量子态的叠加,交缠,干涉 • 优势: 量子并行计算 例:60位大数的因式分解,最快计算机:需1011年 (约1000亿年) 量子计算机:10-8s 3.其他应用 • 原子弹，氢弹;激光;核磁共振，CT • 半导体→集成电路→电视机，计算机…… • 量子计算机----IBM,2000.8, 5个原子组成的 量子计算机
新理论：相对论、量子力学，
深刻影响现代科技和人类生活
1Fra Baidu bibliotek量子密码
• 单量子不可复制定理 • 在不知道量子状态的情况下复制单个量子是不 可能的，因为要复制单个量子就只能先作测量， 而测量必然改变量子的状态。 • 量子密码术用量子状态来作为信息加密和解密 的密钥。任何想测算破译密钥的人，都会因改 变量子态而无法得到有用的信息。与建立在复 杂数学计算基础上的传统加密法相比，量子密 码术在理论上是“绝对安全”的。
黑体辐射
狭义相对论
量子力学
相对论指出了经典物理学的第一个局限性——不适用高 速运动领域。 量子物理学指出了经典物理学的第二个局限性——不适 用于电子、原子、分子等微观领域。 相对论和量子物理学统称近代物理学。
从经典物理学到近代物理学，不仅仅是尺度上的 问题，而是一次物理观念的革命，是人们认识物质世 界的一次飞跃。
1927年第5届索尔维会议。会议主题为“电子和 光子”，世界上最著名的物理学家聚在一起讨论重新 阐明的量子理论。物理学大师聚首一堂，流传下了这 张让后人唏嘘不已的“物理学全明星梦之队”的世纪 照片。这次会议像拳王争霸赛一样，爱因斯坦和玻尔 就量子力学问题进行了一场激烈的“决斗”。 爱因斯坦以“上帝不会掷骰子”的观点反对海森 堡的测不准原理，而波尔反驳道，“爱因斯坦，不要 告诉上帝怎么做”——这一争论被称为波尔—爱因斯 坦论战。参加这次会议的二十九人中有十七人获得或 后来获得诺贝尔奖。
三 理解康普顿效应的实验规律，以及爱因斯坦的 光子理论对该效应的解释。理解光的波粒二象性。
四 理解氢原子光谱的实验规律及玻尔氢原子 理论。
五 了解德布罗意假设及电子衍射实验。了解 实物粒子的波粒二象性。理解描述物质波动性的 物理量（波长、频率）和描述粒子性的物理量 （动量、能量）之间的关系。
六 了解一维坐标动量不确定关系。
量子物理学研究的对象是微观粒子（如电子、原子、 分子等）。而微观粒子往往有我们意想不到的性质。 这 其中最主要和最普遍的是微观粒子的量子性和波动性。 量子 —— 不连续。
量子概念是 1900 年普朗克首先提出的，距今已 有一百多年的历史。其间，经过爱因斯坦、玻尔、 德布罗意、玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多 物理大师的创新努力，到 20 世纪 30 年代，就建立 了一套完整的量子力学理论。 从19世纪末到20世纪初，在 Einstein 提出相对 论的同时，人类对自然界的研究进入了微观领域， 研究的对象已不再是宏观物体，而是微观粒子。这 个时期，有一系列重大的实验发现都无法用经典物 理学的理论来解释，迫使物理学家跳出经典物理学 的理论框架，去寻找新的解决途径，从而导致了量 子理论的诞生。
1913年，Bohr 在 Ruthorford 原子有核模 型的基础上，应用量子化的概念解释了氢原子光 谱，从而使前期量子论取得了很大的成功，为量 子力学的建立打下了基础。
1927年在比利时首都布鲁塞尔召开的主题为“电 子和光子”第五届索尔维会议参加者的合影。
索尔维会议是由比利时的实业家Ernest Solvay 创立的，并以他的名字命名。 索尔维是一个很像诺贝尔的人，本身既是科学家 又是家底雄厚的实业家，万贯家财都捐给科学事业。 诺贝尔是设立了以自己名字命名的科学奖金，索 尔维则是提供了召开世界最高水平学术会议的经费。 第一届索尔维会议于1911年在布鲁塞尔召开，后 来虽然一度被第一次世界大战所打断，但从1921年开 始又重新恢复，定期3年举行一届。 1927年召开的是 第五届，也是最著名的一次索尔维会议。
牛顿力学、热学、电磁学和波动学，统称经典物理学。 经典物理学研究的基本上是宏观领域的物理现象。 经典物理学虽然在宏观领域取得了巨大的成功，但有 它的局限性。 1899年开尔文在欧洲科学家新年聚会的贺词中说： 物理学晴朗的天空上， 飘着几朵令人不安的乌云
迈克尔逊 —莫雷实验
光电效应 康普顿效应
氢原子光谱
• 科学家们最近在德国和奥地利边境的楚格峰和 卡尔文德尔峰之间用激光成功传输了光子密钥。 试验的成功使通过近地卫星安全传送密钥并建 立全球密码发送网络成为可能。 • 他们在这次试验中采用的密钥是偏振光。光子 用不同偏振角代表二进制位的“０”和“１”， 而光子发射的顺序代表了二进制代码的排序。 激光信号发射装置每次发送一个有效的光子， 而发射方和接收方通过电话核对每个光子的发 射和接收时间、是否丢失、偏振角是否改变。 一旦发生光子丢失或偏振角改变的情况，发射 方就可以从密钥序列中去掉这个光子，从而组 成一个新的密钥。
量子理论首先是从黑体辐射问题上突破的。 1900年，Planck为了解决经典理论解释黑体辐 射规律的困难，引入了能量子（ Quantum of Energy）的概念，为量子理论奠定了基础。
随后，Einstein针对光电效应与经典理论的 困难，提出了光量子（ Light Quantum ） 的假 设，并在固体比热问题上成功地应用了能量子的 概念，为量子理论的进一步发展打开局面。