第01章++量子力学基础.pdf

量子力学是一门研究物质世界最基本规律的物理学分支，它主要处理原子和亚原子粒子尺度上的物理现象。本文件《结构化学》-量子力学基础的第1章介绍了量子力学的基础知识，包含了量子力学的诞生背景、三个关键实验以及德布罗意物质波理论和不确定性原理等核心概念。 在19世纪末，经典物理学体系已经被广泛认为是一门成熟的科学，而物理学的任务似乎只是对实验数据进行更精确的测量。然而，许多物理现象无法用经典物理学完全解释，如黑体辐射、光电效应和原子光谱等，这些问题被认为是“热和光的动力理论上空的乌云”，预示着物理学即将发生革命性的变革。 黑体辐射的研究对于量子力学的发展有着关键性的影响。黑体辐射实验揭示了经典电磁理论与实验结果之间的矛盾，引发了普朗克提出能量量子化的假设，即能量不是连续变化的，而是以最小单元（能量子）的形式存在。普朗克的公式解释了黑体辐射的谱线分布，并因此获得了诺贝尔物理学奖。 光电效应是指光照到金属表面后，金属内部的电子获得能量从而逸出金属表面的现象。实验发现，光电子的动能仅取决于入射光的频率而不是强度，这与经典电磁理论相矛盾。爱因斯坦提出的光子学说成功解释了光电效应，他认为光是由光子组成的，每个光子都带有能量hv（其中h是普朗克常数，v是光子的频率），并提出了光电效应的数学公式。 德布罗意物质波理论是量子力学的另一个重要概念，它将波粒二象性推广到了物质上。德布罗意认为，不仅是光，所有的物质也具有波动性。他提出了物质波的概念，并用它来解释微观粒子的运动，从而为量子力学的波函数概念奠定了基础。 “测不准”原理是量子力学的一个基本原理，由海森堡提出。该原理表明，在量子尺度上，粒子的位置和动量不能同时被精确测量。这与经典物理学中精确测量物理量的概念形成了鲜明对比，揭示了量子世界的基本特性。 在量子力学的发展史上，普朗克的能量量子化假设、爱因斯坦的光子学说、德布罗意的物质波理论以及海森堡的测不准原理等概念共同构成了量子力学的基础。这些理论和原理不仅解释了当时无法用经典物理学解释的物理现象，也为后续量子力学的发展提供了理论基础，并推动了物理学的进一步发展和变革。