2. 1923年,美国物理学家康普顿研究x射线经物质散射的实验(康普顿效应),表明光子和电子等微观粒子相互作用时也遵循能量和动量守恒定律,进一步证实了光量子理论。
(九)量子力学的建立(1923 - 1927年左右 关键的几年)
1. 1923 年,法国物理学家德布罗意提出物质波的假说,认为微观的实体粒子(如电子、原子等)也具有波粒二象性。
2. 1924年,萨地扬德拉·n·玻色提出了一种全新的方法来解释普朗克辐射定律,爱因斯坦将其推理应用于有质量的气体,得到玻色 - 爱因斯坦分布。
3. 1925 - 1926 年:
沃尔夫刚·泡利提出不相容原理,为元素周期表奠定了理论基础。
海森堡、马克斯·玻恩和帕斯库尔·约当提出了量子力学的第一个版本——矩阵力学。
埃尔温·薛定谔提出了量子力学的第二种形式——波动力学 ,体系的状态用薛定谔方程的解——波函数来描述。
4. 1926 - 1927年:
证明矩阵力学和波动力学在数学上是等价的。
海森堡阐明测不准原理。
保尔·a·m·狄拉克提出了相对论性的波动方程用来描述电子,解释了电子的自旋并且预测了反物质;提出电磁场的量子描述,建立了量子场论的基础。
玻尔提出互补原理一个哲学原理)试图解释量子理论中一些明显的矛盾,特别是波粒二象性。
(十)后续发展和应用(1927年之后)
1. 20世纪30 - 40年代,量子力学在解释和预言微观物理现象(如原子结构、分子结构、化学键、固体能带结构等)方面取得巨大成功。
2. 量子力学的理论被应用于固体物理领域,发展出半导体理论等,为现代半导体技术、电子技术奠定基础。
3. 在量子场论基础上发展粒子物理学标准模型等。
4. 如今量子力学在现代科学技术众多领域如量子计算、量子通信、量子精密测量等前沿领域继续发挥着极其重要的推动作用。
(十一)量子力学的应用实例:
通信领域:
1. 量子通信:利用量子纠缠等特性实现具有高保密性的通信。例如中国发射的“墨子号”量子科学实验卫星用于进行星地量子通信实验等。它可以确保信息传输过程中不被窃听和破解,对于军事、政务、金融等对信息安全要求极高的领域意义重大。
(十二)计算领域:
1. 量子计算机:相比传统计算机具有强大的并行计算能力。在一些复杂任务上有巨大潜力,如:
密码破解:可以快速破解现有的许多加密算法;
药物研发:模拟复杂分子的行为和化学反应,加速药物设计和筛选过程;
人工智能中的复杂计算任务:如训练复杂的神经网络模型;
优化问题求解:如物流运输中的最优路径规划等;
大规模数据处理和分析:例如处理海量金融数据进行风险评估等。
(十三)材料科学领域:
1. 超导材料 :1957年巴丁、库珀和斯里弗用量子力学理论解释超导现象。超导材料可以实现无电阻导电,应用包括:
超导磁悬浮列车,减少能耗和摩擦;
超导电缆用于高效输电;
超导量子计算机中的超导量子比特。
2. 半导体材料和器件:能带理论(基于量子力学发展而来)极大推动了半导体研究。半导体应用如:
集成电路芯片,是现代电子设备(电脑、手机等)的核心部件;
各种半导体传感器等。
(十四)测量领域:
1. 原子钟:是基于微观粒子能级测量,其精度可以做到两千万年只差一秒,是全球定位系统(如gps、北斗等)实现精准定位和授时的关键。
2. 量子陀螺仪等:基于量子相干性测量,在航空航天等高精度导航领域发挥重要作用。
(十五)能源领域:
科学家们正在探索利用量子力学原理开发更高效的太阳能电池材料,提高光电转换效率。
(十六)医疗领域:
1. 磁共振成像(mri):利用原子核的量子特性在磁场中的行为来成像,对疾