简述量子力学的产生和科学发展

学院：机电工程学院 专业：12电子科学与技术 姓名：赵鹏羽 学号：20120661138

伟大的物理学家爱因斯坦曾说过： “科学绝对不是也永远不会是一本写完了 的书，每一项重大成就都会带来新的问题，任何一个发展随着时间的推移都会出 现新的严重的问题。 ”[1]在本学期量子力学课程的学习中，我深深地体会了这句 话的含义。 这门课程中多个知识点的发展过程都为爱因斯坦的这句话做出了最好 的诠释，其中最让我印象深刻的是量子力学建立的建立过程，这一过程深刻地体 现了科学的发展是一个逐步的过程，需要实验和理论多次反复相互论证，在这个 逐步的过程中，认识往往是不完备的，只是近似，但是逐步深化，逐步走向完善 的。本文通过回顾量子力学建立的建立过程，体会科学发展的过程。

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。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。

在十九世纪末，物理学家中普遍存在着一种乐观情绪，认为对复杂纷纭的物 理现象的本质的认识已经完成。他们陶醉于十七世纪建立起来的力学体系，十九 世纪建立起来的电动力学以及热力学和统计物理学。 正如绝对温标的创始人开尔 文所言： “19 世纪已经将物理大厦全部建成，今后物理学家的任务就是修饰和完 善这所大厦了” 。

然而自然科学总是不断地发展。为了研究不依赖于物质具体物性的热辐 射规律，物理学家们定义了一种理想物体，称为黑体，以此作为热辐射研 究的标准物体。当时有两位科学家按经典的理论导出的公式很好地解释了 长波辐射与能量的关系，到了短波部分却出现了“紫外灾难” ，这一灾难性 的后果是经典物理所无法解释的。德国物理学院普朗克经过潜心研究，提

出物理吸收或辐射的能量必须是不连续的观点，成功地解决了经典物理的 困难。量了的概念从此诞生。但是这一概念与经典物理是相冲突，很难为 世人所接受，甚至连普朗克本人都不相信。

经典物理在解释光电效应的的时候也遇到了困难。科学家在实验中发 现，用紫外光照射金属表面时有电子逸出，并且只有当入射光的频率大于 一定值时才会有光电子产生，即使光强较弱，光电子也能在极短时间内逸 出；逸出的光电子最大的能量与入射光的频率有 1

关，与入射光光强无关。 这些实验结论与经典物理学冲突的。按照经典电动力学，在入射光的作用 下，电子作强迫振动，不断地积聚能量，只要光照的时间足够长，电子一 定能从金属表面逸出。入射光强较弱时，积聚能量需要较长的时间，电子 不可能在短时间内逸出。其次，光电子的最大动能应决定于入射光的振幅 而不是频率。1905 年，爱因斯坦为了解释光电效应，在普朗克能量子假设 的基础上，提出了光量子的概念，成功解释了光电效应。但是这一概念的 提出一开始并没有得到所有科学家的赞同，密立根甚至为了否定这一概念， 花了几年时间设计了精确的实验装置进行实验， 竟于 1914 年用实验证实了 这一概念，为确立量子论的地位起到了重要作用。

原子光谱的线状结构也是经典物理学无法解释的。根据 1911 年卢瑟福提出 的原子结构模型，原子中的电子环绕原子核的运动是一种加速运动，而作加速运 动的电子因不断辐射能量而使其轨道半径变小， 其辐射的电磁波频率也是连续变 化的，这与观察到的原子光谱的线状结构是矛盾的。另外，经典物理学在解释原 子稳定性方面也存在困难。1913 年，年青的丹麦物理学家玻尔提出了原子的量 子论解决了这些困难，为量子物理学的发展起了重要的作用。

玻尔的理论也存在许多局限性，这激发着人们去寻找新的理论。1923 年， 德布罗意提出了物质波的概念后，薛定谔从微观粒子的波动性出发，利用波函数 描述微观粒子的运动，于 1926 年建立了薛定谔方程，解释了大量的量子现象。 薛定谔称这一理论为波动力学。同时，海森堡、波恩、约丹和狄拉克等人建立了

矩阵力学。薛定谔证明了矩阵力学与波动力学的等价性，狄拉克和约丹完成了变 换理论，把波动力学和矩阵力学综合成了一个量子力学体系。

至此，量子力学的相关理论基本建立。从这一过程中，我们可以总结出科学 发展的基本过程。先在自然界中、生产过程中或者科学实验中观察到一些事实， 为了要解释这些事实，把观察到的现象进行分析，综合已有的科学理论，提出一 个粗糙的假定。如果这个假定能够简单地说明观察到得事实，或甚至与进一步的 实验相符合，就可以从这个假定出发提出比较深入的理论。从这样发展的理论又 可以推测其他情况下的实验结果，于是再进行实验。实验的结果能证实理论的正 确性，理论就可以被肯定。如果实验的结果与理论不符，就要考虑放弃或修改理 论或重做实验。可见，科学的发展总是从生产实践或科学实验到理论，再把理论 用于生产或实验的反复的过程。

在许多现代技术装备中，量子物理学的效应起了重要的作用。从激光、

电子显微镜、原子钟到核磁共振的医学图像显示装置，都关键地依靠了量子力学的原 2

理和效应。对半导体的研究导致了二极管和三极管的发明，

最后为现代的电子工业铺平了道路。在核武器的发明过程中，量子力学的概念也起了一个关键的作用。

量子力学理论的建立为科学研究奠定了坚实的基础， 在科学史上具有深远的 意义。但是，正如爱因斯坦所说，科学不会是一本写完了的书，根据科学发展的 基本过程， 我相信随着科学技术的不断进步， 原子结构模型也将会不断地被完善。

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第二篇：量子力学的形成与发展

量子力学的形成与发展

量子力学包含波动力学和矩阵力学两部分内容,与之相应,理论的建立过程也沿着两条逻辑主线:一是在普朗克量子假说的启发下,爱因斯坦提出了光量子理论,后者启发德布罗意提出物质波理论,由此导致薛定谔建立了波动力学;二是在普朗克量子假说的启发下,玻尔提出了原子理论,在后者的启发下海森堡和玻恩建立了矩阵力学。

20世纪之前，人们一直认为光、电、磁都是依靠以太传播的。麦克斯韦方程组也是以电磁波波源相对以太静止为条件建立起来的。如果电磁波波源相对以太运动，电磁波传播的速度就会变得各向异性。电磁波是横波，这就要求以太比钢还坚固，但又比空气还稀薄，这样天体才能在以太中自由运动。这种奇特的以太究竟存在不存在呢？1887年美国物理学家迈克耳逊和美国化学家莫雷合作，设计了迈克耳逊-莫雷实验来寻找以太。迈克耳逊设法使一束光线分成相互垂直的两束，经平面镜反射后，又使它们回到一起，发生干涉。由于地球的运动，光沿不同的方向传播速度不一样，这样上述两束相互垂直的光即使经过相同的距离，再回到同一地方，所花的时间一般是不相同的。时间的差值不同，干涉条纹的位置也将不同。如果整个实验装置一起转过一个角度。那么，两束光回到同一地方的时间差将变化，干涉条纹的位置也就变化了。迈克耳逊和莫雷做了这个实验，但在整个实验过程中，他们没有看到条纹的位置有丝毫变化。这个实验使科学家面临痛苦的选择，要么承认地球不在运动，要么承认宇宙中根本不存在以太。这个意外就是飘在19世纪末物理学万里晴空中的一朵乌云。

物理学天空中的第二朵乌云是黑体辐射问题。19世纪末，许多科学家用经典理论研究黑体的热辐射问题都遭到了失败。普朗克以瑞利-金斯和维恩公式为基础，利用数学的内插法，导出了一个与实验结果非常一致的辐射公式。但普朗克从理论上论证这个公式时，发现要得到正确的黑体辐射公式，除非黑体在辐射或吸收能量过程中，能量是一份一份的，而不是连续的。

19xx年普朗克为了解释黑体辐射问题,提出了能量子假说,由此开创了物理学研究的新时代。19xx年爱因斯坦把热辐射的量子说推广到光现象，提出了光量子理论，指出了光的波粒二象性。爱因斯坦用光量子理论成功地解释了经典理论无法解释的光电效应现象。

普朗克（1858～19xx年）是德国物理学家，1858年生于德国的基尔，普朗克少年时就表现出很有天分。他对数学和音乐有特殊的爱好。据说，中学毕业选择专业时，他曾在音乐和自然科学之间犹豫不决。1874年普朗克考入慕尼黑大学，初主攻数学，随后又爱上物理。他的老师约里曾劝阻他这样做。在约里的眼里，当时的物理学已是一门高度发展的、几乎是尽善尽美的科学，似乎在这个领域已无事可做。约里的观点实际是反映了当时物理学家的普遍想法。普朗克一生在科学上提出了许多创见，贡献最大的就是19xx年提出的黑体辐射中的量子假说。此项成就使他获得了19xx年的诺贝尔奖。在从事科学的同时，普朗克还从事音乐演奏和登山运动。他把音乐和登山运动看作是紧张的科研活动后的必不可少的调剂。普朗克退休后仍经常参加物理研究所的恳谈会和举办大众讲座。他参加会议总是十分准时，据说根据他在会场上的出现时刻可以校正钟表！普朗克于19xx年10月4日逝世，享年90岁。

19xx年，玻尔引进普朗克的量子概念，建立了氢原子核外电子轨道理论，这个理论成功地解释了氢原子光谱，建立了经典原子物理学。玻尔的经典量子 1

论虽然在确定原子能级的细节方面取得了许多成就，但到那时为止，即使能够算出谱线的频率，但不能计算它们的强度和解释光为什么会偏振等问题。

19xx年德布罗意受光量子具有波粒二象性启发，提出了实物粒子跟光子一样，也具有波粒二象性。后来实物粒子波叫做物质波，又称德布罗意波。德布罗意还给出了物质波的波长跟粒子质量、运动速度等关系。19xx年戴维逊和革麦通过电子衍射实验证实了德布罗意的假说。19xx年海森堡、玻恩等人，采用矩阵数学的方法，抛弃了以经典轨道、坐标和动量等描述微观世界的方法，创立了矩阵力学。19xx年，薛定谔从物质波的思想出发，采用了德布罗意提出的波函数作为描述微观粒子的状态，建立了薛定谔方程，创立了波动力学。波动力学和矩阵力学后来被证明为等价的学说，以后两者统称为量子力学。

海森堡建立矩阵力学后，于19xx年提出了“测不准关系”重要原理。测不准原理指出了用经典力学方法描述微观粒子状态的准确性是有限度的，对其位置测量越精确，对其速度的测量就越不精确，反之亦然。同年9月，在意大利科摩市举行的国际物理学会议上，玻尔提出了互补原理。互补原理的基本含义就是要合理地描述微观客体的本质特征，就必须把互相矛盾的经典概念结合起来使用，两个概念既互相排斥又互相补充，二者缺一不可。

量子力学用"几率波"、"测不准关系"等新概念来描述微观粒子的运动，揭示了微观世界的许多新特点。通过解氢原子的薛定谔方程，能非常自然地导出玻尔理论中的四个量子数和电子跃迁时的选择定则。量子力学把描述宏观现象的牛顿力学作为一种极限情况包括在内，这是物理学发展史上又一次大的综合。19xx年狄拉克又把量子力学与狭义相对论结合起来，创立了相对论性量子力学。

由于量子力学能很好地统一说明分子、原子、电子等微观粒子运动的规律。因此，量子力学后来被应用到化学上，产生了量子化学。随着生物学研究水平逐渐深入到分子水平，在这个水平上研究生物学，量子力学又成了最有力的工具，于是产生量子生物学。这样在微观世界中，物理学、化学和生物学的界限又变得模糊起来。古代的不分学科的自然科学经过发展、分化，现在又在微观问题的研究中又逐步趋向合并了起来。

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