2020-11-07 09:25:00

量子

免费编辑 添加义项名

所属类别 :
科学名词
科学名词
编辑分类

量子(quantum)是现代物理的重要概念。最早是M·普朗克在1900年提出的。他假设黑体辐射中的辐射能量是不连续的,只能取能量基本单位整数倍。后来的研究表明,不但能量表现出这种不连续的分离化性质,其他物理量诸如角动量自旋电荷等也都表现出这种不连续的量子化现象。这同以牛顿力学为代表的经典物理有根本的区别。量子化现象主要表现在微观物理世界。描写微观物理世界的物理理论是量子力学。

基本信息

  • 中文名

    量子

  • 外文名

    Quantum

  • 拼音

    liàng zǐ

  • 注音

    ㄌㄧㄤˋ ㄗㄧˇ

折叠 编辑本段 概念

量子量子

一个物理量如果有最小的单元而不可连续的分割,就说这个物理量是量子化的,并把最小的单元称为量子。

其基本概念是所有的有形性质也许是“可量子化的”。“量子化”指其物理量的数值会是一些特定的数值,而不是任意值。例如,在(休息状态的)原子中,电子的能量是可量子化的,这能决定原子的稳定和一般问题。

折叠 编辑本段 发展历史

折叠 发现

1900年,普朗克在对热辐射的研究中第一个窥见了量子。这一年的12月14日,普朗克在德国物理学会会议上宣布了他的伟大发现---能量量子化假说,根据这一假说,在光波的发射和吸收过程中,发射体和吸收体的能量变化是不连续的,能量值只能取某个最小能量元的整数倍,这一最小能量元被称为“能量子”。普朗克的能量子概念第一次向人们揭示了微观自然过程的非连续本性,或量子本性。

折叠 发展

量子理论量子理论

1905年,爱因斯坦提出了光量子假说,进一步发展了量子概念。爱因斯坦认为,能量子概念不只是在光波的发射和吸收时才有意义,光波本身就是由一个个不连续的、不可分割的能量量子所组成的。利用这一假说,爱因斯坦成功地解释了光电效应等实验现象。光量子概念首次揭示了光的量子特性或波粒二象性,即光不仅具有波动性,同时也具有粒子性光量子-内部结构模型图光量子-内部结构模型图

1913年,玻尔把量子概念成功地应用于氢原子系统,并根据卢瑟福的核型原子模型创立了玻尔原子理论。这一理论指出,原子中的电子只能存在于具有分立能量的定态上,并且电子在不同能量定态之间的跃迁是本质上非连续的。

1924年,在爱因斯坦光量子概念的启发下,德布罗量子量子意提出了物质波假说,最终将光所具有的波粒二象性赋予了所有物质粒子,从而指出了自然界中的所有物质都具有波粒二象性,或量子特性。德布罗意的物质波概念为人们发现量子的规律提供了最重要的理论基础。

1925-26年间,定量描述物质量子特性的最初理论——量子力学诞生了。

1925年7月,海森伯在玻尔原子理论的基础上,发现了将物理量(如位置、动量等)及其运算以一种新的形式和规则表述时,物质的量子特性,如原子谱线的频率和强度可以被一致地说明,这是关于量子规律的一种奇妙想法。

1925年末,在爱因斯坦的建议下,薛定谔仔细研究了德布罗意的论文,并产生了物质波需要一个演化方程的想法。1926年初,经过反复尝试和努力之后,薛定谔终于发现了物质波的非相对论演化方程,即今天人们熟知的薛定谔方程。薛定谔方程的发现标志了量子力学的另一种形式体系——波动力学的建立。

1926年下旬,看上去非常不同的矩阵力学和波动力学很快被证明在数学上是等价的。薛定谔首先证明了波动力学与矩阵力学的等价性,之后,狄拉克进一步通过变换理论把矩阵力学和波动力学统一起来。至此,量子力学的理论体系被创建完成。

从此,人类开始进入量子时代。越来越多的人投入到量子力学的应用研究中,基于量子规律的新技术也不断涌现,这些量子技术深深地改变了人类的生活,其中最引人注目的成就就是激光技术和电子计算机的出现。

折叠 编辑本段 理论建立

量子物理是根据量子化的物理分支,在1900年以理论来建立。由于马克斯·普朗克(M. Planck)解释所谓的黑体辐射,他的工作根本上合并了量子化,到了今天它仍被使用。但他严重地冲击了古典物理学,也就是在量子论未确立之前,需要了另外30年的研究。直到现在一些主张仍然不能被充分地了解,不光是普朗克对这个新概念感到困扰,当时德国物理学者中,黑体研究成为焦点。在10月、11月和12月会议前夕,对他的科学同事报告公开他的新想法。就这样谨慎的实验学家(包括F. Paschen,O.R. Lummer,E. Pringsheim,H.L. Rubens,和F. Kurlbaum)和一位理论家迎接最巨大的科学革命

折叠 编辑本段 量子方程

当物体被加热,它以电磁波的形式散发红外线辐射,这是了解清楚的最明显的重要性。当物体变得炽热,红色波长部分开始变得可见。但是大多数热辐射仍然是红外线,除非直到物体变得像太阳的表面一样热,这是当时的实验室内不能够达成的,而且只可以量度部分黑体光谱。

黑体辐射量子方程是量子力学的第一部分,在1900年10月7日面世。

能量 E、辐射频率 f 及温度 T 可以被写成:

E=hf/(e^(hf/κT)-1)

h 是普朗克常数及 k 是玻尔兹曼常数,两者都是物理学中的基础。基础能量的量子是 hf。可是这个单位正常之下不存在并不需要量子化。

量子量子

折叠 编辑本段

折叠 编辑本段 量子力学

量子力学就是在克服早期量子论的困难和局限性中建立起来的。在普朗克—爱因斯坦的光量子

论和玻尔的原子论的启发下,法国物理学家L.德布罗意分析了光的微粒说与波动说的发展历史,并注意到几何光学经典粒子力学的相似性,根据类比方法设想实物(静质量m≠0的)粒子也和光一样,具有波粒二象性,且这两方面必有类似的关系相联系,而普朗克常数必定出现在其中。他假定与一定能量E和动量p的实物粒子相联系的波(称为“物质波”)的频率波长分别为 ν=E/h,λ=h/p,称为德布罗意关系式。他提出这个假定一方面是企图把作为物质存在的两种形式(光和m≠0的实物粒子)统一起来;另一方面亦是为了更深入地理解微观粒子能量的不连续性,以克服玻尔理论带有人为性质的缺陷。德布罗意把原子定态驻波联系起来,即把束缚运动实物粒子的能量量子化与有限空间中驻波的波长(或频率)的离散性联系起来[2]。

奥地利物理学家E.薛定谔注意到了德布罗意的工作,1926年初他提出了一个波动方程——薛定谔方程,是含波动函数空间坐标的二阶微商偏微分方程。薛定谔把原子的离散能级微分方程在一定的边界条件下的本征值问题联系起来,成功说明了氢原子谐振子等的能级和光谱的规律。几乎与此同时,W.海森伯与M.玻恩和E.约当建立了矩阵力学。矩阵力学的提出,与玻尔的量子论有很密切的关系,特别是玻尔的对应原理思想对海森伯有重要影响(见对应原理)。它继承了量子论中合理的内核(如原子的离散能级和定态、量子跃迁、频率条件等概念),同时又摒弃了一些没有实验根据的传统概念(如粒子轨道运动的概念)。海森伯特别强调,任何物理理论中只应出现可观测物理量(如光谱线的波长、光谱项、量子数、谱线强度等)。矩阵力学中赋予每一个物理量(如粒子的坐标动量、能量等)以一个矩阵,它们的代数运算规则与经典物理量不同,两个量的乘积一般不满足交换律。不久薛定谔就发现矩阵力学波动力学是完全等价的。紧接着P.狄拉克和E.约当提出一种称为变换理论的更普遍的形式,指出矩阵力学和波动力学只不过是量子力学规律的无限多种表述形式中的两种[2]。

量子力学是研究原子、分子以至原子核和基本粒子的结构和性质的基本理论,是近代物理的基础理论之一。20世纪前的经典物理学只适于描述一般宏观条件下物质运动,而对于微观世界(原子和亚原子世界)和一定条件下的某些宏观现象则只有在量子力学的基础上才能说明。另一方面,物质属性及其微观结构只有在量子力学的基础上才能得以解释[2]。所有涉及物质属性和微观结构的问题,无不以量子力学作为理论基础[2]。

黑体辐射量子方程

黑体幅射量子方程是量子力学的第一部分,在1900年10月7日面世。

物体被加热,以电磁波的形式散发红外线辐射。物体变得炽热时,红色波长部分开始变得可见。大多数热辐射是红外线,除非物体变得像太阳的表面一样热,但当时的实验室内不能够达成这种条件而且只可以量度部分黑体光谱。

能量E、辐射频率f及温度T可以被写成:

E=hf/[e(hf/κT)-1]

h是普朗克常数及k玻尔兹曼常数。两者都是物理学中的基础。基础能量的量子是hf。可是这个单位正常之下不存在并不需要量子化。

微观粒子量子论诠释。物质的粒子性能量E和动量p刻划,的特征则由频率ν 和其波长λ 表达,这两组物理量普朗克常数h(h=6.626×10-34J·s)联系。

由 E=hv,E=mc2 联立两式得:

m=hv/c2(这是光子的相对论质量,由于光子无法静止,因此光子无静质量),而p=mc,则p=hv/c(p 为动量)

德布罗意关系λ=h/p,和量子E=hv,这两个关系式表征波动性粒子性的统一。物质波微观粒子,如光子、电子等的波动,具有波粒二象性。

阅读全文

热点资讯