1相對論CONTENTS第9章現代物理學量子力學29.2課程標準

1.知識目標

了解普朗克、波爾、德布羅意、海森堡、薛定諤在量子力學上的科學創新。

了解量子力學的基本內容。

理解基本粒子的分類及四種作用力的特點。

2.能力目標具備初步批判性思維能力。3.素質目標弘揚科學家精神，博學德清，鼎新致用。

一、量子力學的基本內容

（一）微觀粒子的基本特征

1.量子性

是指微觀客體在運動變化中具有不連續性和突變性。一個物體能全部吸收透射在它上面的輻射而無反射，這種物體稱為絕對黑體。在一定溫度下，當空腔與內部的輻射處于平衡時，腔壁單位面積所發出的輻射能量與其吸收的輻射能量相等。實驗測出平衡時輻射能量密度按波長分布的曲線，其形狀和位置只與黑體的溫度有關與空腔材料或形狀無關。能量密度按波長分布的曲線

第二節量子力學

公式在低頻部分與實驗曲線相吻合，高頻時能量密度趨于無限大，而實驗卻顯示出能量密度趨向于零。這就是著名的紫外災難。為了消除黑體輻射中的“紫外災難”，德國物理學家普朗克于1900年用插值方法試圖調和維恩公式和瑞利—金斯公式，提出能量子的概念。

2.幾率性

是指由于微觀客體運動時沒有確定的連續軌道，我們只能估計在某個時刻某個范圍內出現微觀粒子的可能性大小，即幾率的大小。

玻爾（丹）根據對應原理思想，定量地求出了氫原子能級公式為：

是指微觀客體不僅具有粒子性，而且具有波動性。

德布羅意（法）于1923年9月10日在法國科學院《會議通報》上發表了有關物質波的第一篇論文《波和粒子》．他認為，一個能量為E，動量為P的粒子與頻率為v和波長為λ的波相當；仿照愛因斯坦關系，粒子的能量、動量與相應的頻率和波長的關系為：

3.波粒二象性微觀客體運動時沒有確定的連續軌道4.不確定性

是指由于微觀粒子沒有確定的連續軌道，對共軛正則物理量（共軛,即按一定的規律相配的一對物理量如動量與位置、時間與能量）不可能同時測準。

海森堡（德）發現，要確切地知道粒子的位置，必須用一束光射到這個粒子上，通過光波的反射才能知道粒子的位置，光波越短，測量的結果越精確。

但是波長越短，越容易擾動粒子，結果使粒子以一種不可測的方式改變了速度。

也就是說，對位置測量的越精確，那么對它速度的擾動就越大，反之亦然

（二）量子力學的表達形式

1.矩陣力學1925年海森堡在玻恩等人的幫助下，創立了量子力學的一種形式體系——矩陣力學。矩陣力學從所觀察的光譜的分立性入手，它的基本概念是粒子，它采用的是矩陣代數方法。

2.波動力學1926年，薛定諤（奧地利）采用解微分方程的方法，從經典理論入手，將經典力學和幾何光學加以對比，提出了對應于波動光學的波動方程。從而創立了量子力學的第二種形式體系——波動力學。

1926年薛定諤在認真研究了海森堡的矩陣力學之后，證明了波動力學和矩陣力學在數學上的等價性。從此之后兩者合而為一，形成量子力學的理論體系。

（三）量子力學對經典決定論的沖擊

經典力學認為，一切物體（包括微觀客體）運動變化服從確定的因果聯系，從前一時刻的運動狀態可以推斷以后各時刻的運動狀態。在數學上可以用各種方程式特別是微分方程式表述。量子力學的研究結果表明，由于微觀客體的運動在本質上是一種非連續的過程，致使微觀客體具有量子性、幾率性、波粒二象性和不確定性，而這些性質是和宏觀客體絕然不同的。在哲學上，量子力學不但揭示了波粒二象性是自然的基本矛盾，為對立統一規律提供了新的證明，而且進一步揭示了連續性與間斷性；偶然性與必然性等之間的辯證關系，宣告了機械論自然觀的破產。

二、基本粒子及相互作用

自從電子發現以后，1906年英國科學家盧瑟福做了著名的α粒子散射實驗，即讓一束平行的α粒子（氦-4的原子核）穿過極薄的金箔時，他發現穿過金箔的α粒子，有一部分改變了原來的直線射程，而發生不同程度的偏轉，還有少數α粒子，好像遇到某種堅實的不能穿透的東西而被折回。而這個帶正電荷的部分在原子中所占的體積很小。因此，盧瑟福提出了原子內部存在著一個質量大、體積小、帶正電荷的原子核，電子在原子核外繞核作軌道運動的原子模型。由于盧瑟福的這一重要成果，他于1908年獲得了諾貝爾獎。后來通過粒子撞擊的方法發現了基本粒子。盧瑟福原子結構模型

現代物理學把比原子核更小的粒子統稱為基本粒子。

到目前為止，已發現的基本粒子大約有幾百種。根據相互作用的特點來進行分類，基本粒子可分為強子、輕子和傳播子三大類。

（一）基本粒子基本粒子基本粒子可分為強子、輕子和傳播子三大類

1.夸克強子是參與強相互作用、電磁相互作用及引力相互作用的基本粒子。

強子是由夸克組成的。組成1個重子需要3個夸克，組成1個介子需要1個夸克和1個反夸克?？淇藥в蟹謹祮挝浑姾桑豢淇硕际亲孕秊?／2的費米子（自旋是物體對于其質心的旋轉）。

目前已發現的夸克有6種，分別是上夸克（u），下夸克（d）；奇異夸克（s），粲夸克（c）；底夸克（b）和頂夸克（t）。

例如：n=（udd）；p=（uud）；

π-=（du′）；π+=（ud′）

2.輕子

是傳送各種相互作用的微觀粒子（稱玻色子）。傳遞強相互作用的傳播子叫膠子，共有8種；傳遞弱相互作用的是中間玻色子，有3種；

傳遞電磁相互作用的是光子，只有1種；傳遞引力相互作用的叫引力子，只有1種。3.傳播子傳播子

（二）四種作用力人類迄今認識到自然界存在著四種基本的相互作用，即：引力相互作用、電磁相互作用、弱相互作用、強相互作用。2024年3月28日記者從南京大學獲悉，該校物理學院杜靈杰教授