现代物理学概论第五章ppt课件.ppt

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1、现代物理学概论第五章量子的世界一、量子力学的建立“量子”就是东西的量，并且这个量是一定的。“力学”研究的是运动。所以，量子力学研究的是量的运运。量子力学说，大自然的事物是以微量片段的形式进行的。在牛顿的时代（17世纪后期），人们认为，原子是建造自然界的积木，无可分割。后来，物理学发展出观察原子现象的技术，这才“证明”了原子的存在，同时又证明了原子并非不可分割，原子本身由更小的粒子构成。这些粒子就是电子、质子、中子等等。当时的物理学家把这些构成原子的“更小的粒子”称为“基本粒子”。因为，他们相信终于找到了建筑宇宙最终的积木。但是，基

2、本粒子的研究，却把一个最具破坏性的发现送到物理学家们面前，这就是，牛顿物理学在极小事物（微观）的领域之内无效。这个天摇地动的发现至今还在改变着我们的世界观。量子力学实验的结论，牛顿物理事先既无法预测，事后又无法说明。牛顿物理学虽无法解释微观领域的现象，可是，量子力学并没有取代牛顿物理学，而是包含了牛顿物理学。牛顿物理学在他本身的限度内仍然有效。牛顿的法则以日常生活的观察为基础。量子力学以亚原子领域的实验为基础。牛顿法则预测的是事件。（宏观的实际物体）量子力学预测的是概率。我们无法直接观察亚原子现象，因为我们的感官无法感知这种现象。

3、我们不但从来没有见过原子（更别说电子），也没有摸过、听过、闻过、尝过。牛顿物理的法则描述的事件容易了解、容易想象。但量子力学描述的概率却无法形成概念，难以用视觉想象。我们切切不要企图在心里想出完整的量子力学事件的图像。一般人以为，我们只有在脑子里对事物有一个图像，才算了解事物。可这还是牛顿物理看待世界的方式。我们如果要超越牛顿，就要先超越这个观念。牛顿对科学有很伟大的贡献，他是第一个发现自然界里经验法规的人。他从自然界千变万化的现象中汲取出一些统合的抽象概念，然后再用数学表达出来。正因如此，牛顿对我们影响才这么大。牛顿用运动定律告

4、诉我们，只要知道一个运动物体起初的情况，我们就能够预测它的未来，起初的情况知道的越多，我们的预测就越准确。根据事物现有的知识以及运动定律预测未来的能力，使我们的祖先仿佛拥有了前所未有的力量。也就是说，如果宇宙真是一部大机器的话，那么它从创造出来开始启动那一时刻起，要发生什么早就已经注定。好象科学发达以后人的地位比之于发达之前反而渺小到无足轻重。这部大机器在盲目地运转，其中的一切事物不过只是齿轮。（牛顿的机械决定论）自然哲学到最后竞然把人贬低到机器齿轮的地位。这显然即令人沮丧又具有讽刺意味。但是，量子力学令我们大开眼界。量子力学不预

5、测也无法预测特定的事件。量子力学预测的是概率，是一件事可能发生或不会发生的机会。量子力学发现牛顿物理学不适于亚原子现象。在亚原子领域内，我们无法准确地知道粒子的位置与动量。我们只能大概地知道。但是，越是知道其中之一，就越不知道另一。若是准确地知道其中之一，就完全不知道另一。（测不准原理）不管多么令人难以置信，测不准原理却已经实验一再证明。1、亚原子粒子我们认识的宇宙可以分为宏观、微观。从宏观层次下降到微观层次，又要经历二步过程。第一步是原子层次，第二步是亚原子层次。若用宏观物体比喻，假如一个棒球，我们要想看见它的原子，就必须把它放

6、大到地球那么大，这时它的原子才像葡萄那么大。这是原子层次。从原子层次下降到亚原子层次。在这个层次我们发现，如果原子象葡萄那么大，那我们根本看不到原子核。要想看到，必须把葡萄放大到一座十四层的大楼那么大！在这个十四层大楼大的原子里面，原子核只不过相当于一颗绿豆那么大。而绕行原子核的电子就相当于大楼里的一粒灰尘。想象一下，一座十四层楼高的建筑，里面是空的，中间有一颗绿豆（原子核）周围有几粒灰尘（电子）沿靠大楼边沿绕行。这就是亚原子粒子的规模。在这个领域，牛顿力学已无能为力。需要用量子力学来解说粒子的行为。2、原子模型1879年，汤姆逊

7、发现电子，他又于1904年提出了第一个原子模型---西瓜模型。他认为原子好象一个带正电的西瓜，带负电的电子则像西瓜子一样嵌在原子中。同年，日本学者长冈提出土星模型。他也认为原子是一个带正电的实心球，电子像土星光环一样绕着原子转。西瓜模型可以解释元素周期率，但不能解释光谱线。土星模型正好相反，能解释光谱线，但不能解释周期率。汤姆逊的学生卢瑟夫在研究铀原子放射性时，发现汤姆逊的西瓜模型有问题。于是他在1911年提出一个新的原子结构模型---行星模型。他认为原子就象一个小太阳系，带正电的核好比太阳，电子像行星一样围绕原子核旋转。卢瑟夫的

8、模型也存在困难。首先，这个模型不稳定，按电磁理论，绕核转动的电子会辐射电磁波，减少能量。这样，电子轨道会越来越小，最后落到原子核上。但实际上，这种情况并没有出现。其次，这一模型不能解释周期率和原子光谱。面对卢瑟夫模型的两个困难，卢瑟夫的丹麦籍学生波