量子力学入门浅谈
摘要:本文通过经典粒子和微观粒子运动方式的对比,剖析了经典力学对微观粒子运动描述的困难,为量子力学的入门提供参考。
关键词:量子力学 教学方法
中图分类号:04-39
文献标识码:A
1 引言
量子力学是二十世纪自然科学的重大进展之一,它和相对论一起,是近代物理学的两块重要的理论基石,现已被广泛应用于物理、化学、生物、材料,电子等学科的研究中。《量子力学》作为物理及相关专业的一门最重要的必修专业基础课程,它的学习一直备受学生们的重视,而且也是一些后续课程必不可少的基础。近年来,由于招生规模的扩大,学生层次、知识结构和水平的差异增大,同时,《量子力学》的授课学时也被大幅削减,再加上它本身抽象难懂和受到经典物理学原理概念等的束缚,不少学生对它望而却步,普遍感到《量子力学》难学,量子力学“不讲理”,尤其是初学者,往往是不知所云©,在学习一段时间后,仍不知量子力学与经典力学的区别和联系,甚至学完这门课程后,也只会生搬硬套公式,没有明确的物理图像,这些都是量子力学没有入门的表现。本文笔者结合自己多年讲授《量子力学》的经验,谈谈该门课程的入门学习。
2 量子力学入门剖析✡
常言道:好的开头是成功的一半。的确,量子力学的入门对于其后续内容的学习是至关重要的。大家都知道,量子力学是研究微观粒子运动规律的一门学科,其研究对象为微观粒子,如原子、分子、原子核、基本粒子、团簇等。按照传统的教学,都是先介绍经典物理学的困难:黑体辐射、光电效应、原子的光谱线系以及固体在低温下的比热等,通过这些例子揭露经典物理学的局限性,突出它与微观世界规律性的矛盾,然后介绍这些困难是怎样被解决和突破的,所用到的物理观点及其反映的本质。但这些现象的解释往往需要较多的时间,而且有的还要用到统计物理和繁琐的数学推导,一般学生难以理解和掌握。对于微观粒子和经典粒子运动方式究竟有什么不同,为什么要引入量子力学,多数学生仍没有一个明确的概念。
为搞清楚这些问题,以帮助学生尽快入门。我们可以先结合微观粒子运动规律,特设计这样一个例子:让一个粒子竖直向下匀速射向一个小孔的正中心,孔的边缘与粒子无相互作用,该粒子能自由穿过小孔,在小孔的正下方有一个接受屏,可以记录粒子到达屏的位置,如图1所示。先假设粒子动量P较大,其物质波波长λ远小于孔的直径,其中物质波波长λ与动量P的关系为:λ=h/p,试问多个相同的该粒子穿过小孔后会到达屏的哪个位置,如图1(a)所示。再假设粒子动量P′较小,其物质波波长λ′与孔的直径相当,试问多个相同的该粒子穿过小孔后会到达屏的哪个位置,如图1(b)所示。对于初学者而言,往往会给出很多种结果,正确的结果:P较大的粒子到达孔的正下方,形成一☂个点;P′较小的粒子穿过孔后,在下方形成类似于孔的干涉环。对于图1(a)的结果,利用牛顿定律,可以满意地解释;但是对于图1(b)的结果,微观粒子穿过小孔后不再是匀速直线运动,也就是说,在微观粒子物质波相当的空间内运动,即使粒子不受外力,其运动方向也会✄“无规律变化”,这与经典力学中一切物体所受合外力为零时,将保持静止或匀速直线运动相矛盾。经典力学对于图1(b)这种情况无能为力,无法给出一个合理的解释,这正是微观粒子波动性的表现,必须引入新的理论ม(量子力学的原理)来描述这种情况。事实上,宏观物体的运动也有波动性,只是它的物质波波长很短,在宏观世界里很难有这样的条件让它表现出波动性。
通过上面的例子,我们可以看出微观粒子和经典粒子只是相对而言的,正如电子是微观粒子还是经典粒子?在某些条件下,电子要视为经典粒子,如电子在宏观磁场中运动,在另外一些条件下,电子要视为微观粒子,如电子在原子中运动。当然这里的微观粒子是指其运动规律无法用经典牛顿定律来描述,只能通过统计的方法来解释,这是由于微观粒子在所处的环境下,其波动性明显地表现出来,不可忽略其影响,为此引进波函数来描述微观粒子的状态,状态随时间的变化所遵循的方程就是薛定谔方程。由此可见,我们所谓的“微观粒子”与“经典粒子”,其运动方式是完全不同的,对于经典物理学所遇到的困难,必须引入量子力学才能解释。
3 结束语
量子力学不仅支配着微观世界,而且支配着介观和宏观世界。在量子力学入门学习中,我们应尽量避开其繁琐的“数学”推导,构建明确的物理图,恰当地引入一些浅显易懂的例子,来帮助学生入门,提高其学习的兴趣,体会学习量子力学的乐趣。这样可提高教学质量,培养出具有坚实理论基础的高素质人才。