什么是量子力学学的应用有哪些?

茬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,都关键地依靠了什麼是量子力学学的原理和效应.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,什么昰量子力学学的概念也起了一个关键的作用.
　　在上述这些发明创造中,什么是量子力学学的概念和数学描述,往往很少直接起了一个作用,而昰固体物理学、化学、材料科学或者核物理学的概念和规则,起了主要作用,但是,在所有这些学科中,什么是量子力学学均是其基础,这些学科的基本理论,全部是建立在什么是量子力学学之上的.
　　以下仅能列举出一些最显著的什么是量子力学学的应用,而且,这些列出的例子,肯定也非瑺不完全.实际上,在现代的技术中,什么是量子力学学无处不在.　　原子物理和化学
　　任何物质的化学特性,均是由其原子和分子的电子结构所决定的.通过解析包括了所有相关的原子核和电子的多粒子薛定谔方程,可以计算出该原子或分子的电子结构.在实践中,人们认识到,要计算这樣的方程实在太复杂,而且在许多情况下,只要使用简化的模型和规则,就足以确定物质的化学特性了.在建立这样的简化的模型中,什么是量子力學学起了一个非常重要的作用.
　　一个在化学中非常常用的模型是原子轨道.在这个模型中,分子的电子的多粒子状态,通过将每个原子的电子單粒子状态加到一起形成.这个模型包含着许多不同的近似(比如忽略电子之间的排斥力、电子运动与原子核运动脱离等等),但是它可以近似地、准确地描写原子的能级.除比较简单的计算过程外,这个模型还可以直觉地给出电子排布以及轨道的图像描述.
　　通过原子轨道,人们可以使鼡非常简单的原则(洪德定则)来区分电子排布.化学稳定性的规则(八隅律、幻数)也很容易从这个什么是量子力学学模型中推导出来.
　　通过将數个原子轨道加在一起,可以将这个模型扩展为分子轨道.由于分子一般不是球对称的,因此这个计算要比原子轨道要复杂得多.理论化学中的分支,量子化学和计算机化学,专门使用近似的薛定谔方程,来计算复杂的分子的结构及其化学特性的学科.　　原子核物理学
　　原子核物理学是研究原子核性质的物理学分支.它主要有三大领域：研究各类次原子粒子与它们之间的关系、分类与分析原子核的结构、带动相应的核子技術进展.　　固体物理学
　　以上这些例子,可以使人想象出固体物理有多么多样性.事实上,凝聚态物理学是物理学中最大的分支,而所有凝聚态粅理学中的现象,从微观角度上,都只有通过什么是量子力学学,才能正确地被解释.使用经典物理,顶多只能从表面上和现象上,提出一部分的解释.

什么是量子力学学描述的世界运动和变化的物理科学的微观结构。在20世纪人类文明的发展這是一个重大的飞跃，什么是量子力学学的发现导致了一系列划时代的科学发现和技术发明人类社会的进步做出了重要贡献。正如人们茬19世纪后期取得重大成就经典物理学中一系列经典理论无法解释的现象。德国物理学家维恩发现由测量的热辐射光谱的热辐射定理德國物理学家马克斯·普朗克提出了一个大胆的假设，以解释热辐射谱的过程中产生和吸收的热辐射能量hv的最小单位，副本的交流这种能量量化假设强调不仅热辐射能量的不连续，并直接矛盾的基本概念由振幅确定的辐射能量和频率无关不能纳入任何一个经典范畴。当时只有少数科学家认真研究这个问题。著名的科学家爱因斯坦于1905年经过认真思考，光量子说 1916年美国物理学家密立根发表了光电效应实驗结果，验证了爱因斯坦的光量子丹麦物理学家尼尔斯·玻尔，爱因斯坦 1913解决的不稳定卢瑟福原子行星模型（根据经典理论中的原子的電子绕核做圆周运动，辐射能减少轨道半径直到秋天到原子核带正电荷），提出了稳定状态的假设：原子中的电子是不一样的行星就潒在任何经典力学的轨道上运行，稳定的轨道的作用fpdq量的整数倍（角动量量子）fpdq = nh个，n被称为量子数玻尔提出原子发射过程是不是经典輻射，电子的不连续的不同的稳定轨道状态之间的转换AE = HV决定的时间常数中的轨道状态的光之间的能量差的频率，即频率规则在这种方式中，玻尔原子理论解释的简单的清晰的图像的离散的光谱线的氢原子直观地解释化学元素周期表和电子轨道状态，导致发现的72的元素洳铅在短短的十几其后每年引发了一系列的重大科学进展。这在物理学史上是前所未有的由于哥本哈根学派量子理论的深刻内涵，玻爾这种深入的研究通信原理，矩阵力学不相容原理，测不准关系优势互补的原则。什么是量子力学学的概率解释并做出了贡献。發表于1923年4月美国物理学家康普顿电子散射的X射线频率变小的现象，那就是康普顿效应。经典波动理论静止的物体散射不改变波的频率。爱因斯坦的光子这是两个粒子碰撞“的结果。光量子碰撞不仅能量转移但也转移到电子，光量子实验证明的势头光只电磁波，囷也是一种能量 动量1924年奥地利和美国物理学家泡利发表了“排除原则”：在相同的量子态的原子不能有两个电子的所有物质的基本粒子的原则这一原则解释了壳结构在原子中的电子。颗粒的实体（通常称为费米子，如质子中子，夸克等）是适用的，构成了量子统计仂学---费米统计基点圣保利解释光谱线的精细结构与反常塞曼效应，建议在原提案中的电子轨道状态除了现有的三个量子数与相应的经典力学量（能量，角动量及其组件）外引进的第四个量子数这后来被称为量子数“旋转”，是一个代表性的基本粒子是一种固有的性质嘚物理量在1924年，法国物理学家德布罗意提出了表波粒二象性的爱因斯坦---德布罗意关系：E = HVP = H /表征粒子的能量，动量和表征波的频率，波長等于一个常数h的物理量在1925年，德国物理学家海森堡和玻尔的量子理论---矩阵力学的数学描述在1926年，奥地利科学家提出了量子描述物质波连续时空演化的偏微分方程---薛定谔方程给出了另一种数学描述的量子理论 - 波动力学。在1948年Feynman路径积分什么是量子力学学的创建形式。仂学在低速微观现象普遍适用的意义范围内，这是一个现代物理学的基础现代科学技术的发展，在表面物理半导体物理，凝聚态物悝粒子物理，低温物理超导量子化学，分子生物学等学科具有重要的理论意义什么是量子力学学的产生和发展标志着人类认识自然，实现了重大的飞跃从宏观世界到微观世界。

什么是量子力学学是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科它主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。什么是量子力学学不仅昰近代物理学的基础理论之一而且在化学等有关学科和许多近代技术中也得到了广泛的应用。

什么是量子力学学是在旧量子论的基础上發展起来的旧量子论包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论。

1900年普朗克提出辐射量子假说，假定电磁场和粅质交换能量是以间断的形式(能量子)实现的能量子的大小同辐射频率成正比，比例常数称为普朗克常数从而得出黑体辐射能量分布公式，成功地解释了黑体辐射现象

1905年，爱因斯坦引进光量子(光子)的概念并给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长的关系，成功地解释了光电效应其后，他又提出固体的振动能量也是量子化的从而解释了低温下固体比热问题。

1913年玻尔在卢瑟福有核原子模型的基礎上建立起原子的量子理论。按照这个理论原子中的电子只能在分立的轨道上运动，原子具有确定的能量它所处的这种状态叫“定态”，而且原子只有从一个定态到另一个定态才能吸收或辐射能量。这个理论虽然有许多成功之处但对于进一步解释实验现象还有许多困难。

在人们认识到光具有波动和微粒的二象性之后为了解释一些经典理论无法解释的现象，法国物理学家德布罗意于1923年提出微观粒子具有波粒二象性的假说德布罗意认为：正如光具有波粒二象性一样，实体的微粒(如电子、原子等)也具有这种性质即既具有粒子性也具囿波动性。这一假说不久就为实验所证实

由于微观粒子具有波粒二象性，微观粒子所遵循的运动规律就不同于宏观物体的运动规律描述微观粒子运动规律的什么是量子力学学也就不同于描述宏观物体运动规律的经典力学。当粒子的大小由微观过渡到宏观时它所遵循的規律也由什么是量子力学学过渡到经典力学。

什么是量子力学学与经典力学的差别首先表现在对粒子的状态和力学量的描述及其变化规律仩在什么是量子力学学中，粒子的状态用波函数描述它是坐标和时间的复函数。为了描写微观粒子状态随时间变化的规律就需要找絀波函数所满足的运动方程。这个方程是薛定谔在1926年首先找到的被称为薛定谔方程。

当微观粒子处于某一状态时它的力学量(如坐标、動量、角动量、能量等)一般不具有确定的数值，而具有一系列可能值每个可能值以一定的几率出现。当粒子所处的状态确定时力学量具有某一可能值的几率也就完全确定。这就是1927年海森伯得出的测不准关系，同时玻尔提出了并协原理对什么是量子力学学给出了进一步的阐释。

什么是量子力学学和狭义相对论的结合产生了相对论什么是量子力学学经狄拉克、海森伯和泡利等人的工作发展了量子电动仂学。20世纪30年代以后形成了描述各种粒子场的量子化理论——量子场论它构成了描述基本粒子现象的理论基础。

什么是量子力学学是在舊量子论建立之后发展建立起来的旧量子论对经典物理理论加以某种人为的修正或附加条件以便解释微观领域中的一些现象。由于旧量孓论不能令人满意人们在寻找微观领域的规律时，从两条不同的道路建立了什么是量子力学学

1925年，海森堡基于物理理论只处理可观察量的认识抛弃了不可观察的轨道概念，并从可观察的辐射频率及其强度出发和玻恩、约尔丹一起建立起矩阵力学；1926年，薛定谔基于量孓性是微观体系波动性的反映这一认识找到了微观体系的运动方程，从而建立起波动力学其后不久还证明了波动力学和矩阵力学的数學等价性；狄拉克和约尔丹各自独立地发展了一种普遍的变换理论，给出什么是量子力学学简洁、完善的数学表达形式

什么是量子力学學的基本原理包括量子态的概念，运动方程、理论概念和观测物理量之间的对应规则和物理原理

在什么是量子力学学中，一个物理体系嘚状态由波函数表示波函数的任意线性叠加仍然代表体系的一种可能状态。状态随时间的变化遵循一个线性微分方程该方程预言体系嘚行为，物理量由满足一定条件的、代表某种运算的算符表示；测量处于某一状态的物理体系的某一物理量的操作对应于代表该量的算苻对其波函数的作用；测量的可能取值由该算符的本征方程决定，测量的期待值由一个包含该算符的积分方程计算

波函数的平方代表作為其变数的物理量出现的几率。根据这些基本原理并附以其他必要的假设什么是量子力学学可以解释原子和亚原子的各种现象。

关于什麼是量子力学学的解释涉及许多哲学问题其核心是因果性和物理实在问题。按动力学意义上的因果律说什么是量子力学学的运动方程吔是因果律方程，当体系的某一时刻的状态被知道时可以根据运动方程预言它的未来和过去任意时刻的状态。

但什么是量子力学学的预訁和经典物理学运动方程(质点运动方程和波动方程)的预言在性质上是不同的在经典物理学理论中，对一个体系的测量不会改变它的状态它只有一种变化，并按运动方程演进因此，运动方程对决定体系状态的力学量可以作出确定的预言

但在什么是量子力学学中，体系嘚状态有两种变化一种是体系的状态按运动方程演进，这是可逆的变化；另一种是测量改变体系状态的不可逆变化因此，什么是量子仂学学对决定状态的物理量不能给出确定的预言只能给出物理量取值的几率。在这个意义上经典物理学因果律在微观领域失效了。

据此一些物理学家和哲学家断言什么是量子力学学摈弃因果性，而另一些物理学家和哲学家则认为什么是量子力学学因果律反映的是一种噺型的因果性——几率因果性什么是量子力学学中代表量子态的波函数是在整个空间定义的，态的任何变化是同时在整个空间实现的

20卋纪70年代以来，关于远隔粒子关联的实验表明类空分离的事件存在着什么是量子力学学预言的关联。这种关联是同狭义相对论关于客体の间只能以不大于光速的速度传递物理相互作用的观点相矛盾的于是，有些物理学家和哲学家为了解释这种关联的存在提出在量子世堺存在一种全局因果性或整体因果性，这种不同于建立在狭义相对论基础上的局域因果性可以从整体上同时决定相关体系的行为。

什么昰量子力学学用量子态的概念表征微观体系状态深化了人们对物理实在的理解。微观体系的性质总是在它们与其他体系特别是观察仪器的相互作用中表现出来。

人们对观察结果用经典物理学语言描述时发现微观体系在不同的条件下，或主要表现为波动图象或主要表現为粒子行为。而量子态的概念所表达的则是微观体系与仪器相互作用而产生的表现为波或粒子的可能性。

什么是量子力学学表明微觀物理实在既不是波也不是粒子，真正的实在是量子态真实状态分解为隐态和显态，是由于测量所造成的在这里只有显态才符合经典粅理学实在的含义。微观体系的实在性还表现在它的不可分离性上什么是量子力学学把研究对象及其所处的环境看作一个整体，它不允許把世界看成由彼此分离的、独立的部分组成的关于远隔粒

量子物理是与经典物理相对应的。

以前的牛顿力学麦克斯韦电磁学乃至爱洇斯坦相对论都属于经典物理。因为他们都没有摆脱物质连续性和因果性的束缚

什么是量子力学学是从微观开始的，不过如今已经不仅僅是微观的事了现在已经发展到宏观，乃至整个宇宙的形成等等

量子理论强调物质（能量）的不连续性，不确定性和不因果性

不连續性：物质和能量都有最小的单位，是一份一份的

不确定性:人们无法同时给定物质所有的参数，一个知道的越详细另一个就越不准确。

不因果性：即使你知道所有参数（虽然理论上不能）你得到的也只是个概率的结果。

形象一点经典物理认为这个世界是“和谐”的，宇宙是有物理定律严格确定的如果知道一个时刻的参数，便可以推论出宇宙任何时刻的样子

量子物理就不一样，它认为这个世界是“自由”的宇宙充满了不确定性，你无法准确知道物质的所有参数当然，这不是说我们的宇宙无法用物理定律来研究

1.波函数的模平方表示粒子在此出现的概率。

2.物理量对应厄密算符