新概念物理教程――量子物理

前言

從教學(xué)順序上看，本書(shū)是《新概念物理教程》中的第五卷，全套書(shū)各卷的編寫(xiě)和改革思路是一脈相承的，但根據(jù)內(nèi)容的特點(diǎn)，本卷更加強(qiáng)調(diào)用普通物理課的風(fēng)格講述量子物理。本書(shū)不是“量子力學(xué)”教材。本書(shū)由實(shí)驗(yàn)事實(shí)出發(fā)，從特殊到一般引入一些概念，較多地注重形象化和直觀性，不追求邏輯上的嚴(yán)格性和理論上的完整性和系統(tǒng)性。在數(shù)學(xué)工具上，本書(shū)幾乎從頭起就運(yùn)用狄拉克符號(hào)和矩陣來(lái)表示，采用了與通常量子力學(xué)中以偏微分方程為基礎(chǔ)所不同的甚至顛倒了的講述體系。書(shū)中只介紹量子力學(xué)的基本概念和架構(gòu)，不涉及量子力學(xué)中許多基本而重要的計(jì)算方法。所以，物理專(zhuān)業(yè)的學(xué)生在學(xué)習(xí)了本卷教材之后，必須再學(xué)習(xí)作為理論物理課的“量子力學(xué)”。在制訂物理專(zhuān)業(yè)的教學(xué)計(jì)劃時(shí)，我們往往遇到一個(gè)困難，即有些重要課程，如固體物理、原子核物理等，需要等待量子力學(xué)課先行而不得不排得相當(dāng)靠后。我們相信，在學(xué)生讀了本卷教材之后，上述課程就不必等量子力學(xué)之后再開(kāi)設(shè)了，這將給教學(xué)計(jì)劃的制訂帶來(lái)相當(dāng)大的靈活性。此外，本卷教材的學(xué)習(xí)，也對(duì)物理類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生做近代物理實(shí)驗(yàn)大有幫助。傳統(tǒng)上普通物理課的第五部分是“原子物理”，本書(shū)與原子物理教材也大有區(qū)別。本書(shū)一改國(guó)內(nèi)多年來(lái)原子物理教材以原子光譜和玻爾舊量子論為主線的模式，而是從頭起就用量子力學(xué)的基本概念和語(yǔ)言，較全面地介紹了當(dāng)代量子物理的方方面面，除原子物理課程傳統(tǒng)內(nèi)容外，還介紹了諸如量子共振、勢(shì)壘隧穿、能帶、半導(dǎo)體、聲子與元激發(fā)、超導(dǎo)體、AB效應(yīng)、約瑟夫森結(jié)、分子軌函及其雜化等，并作為窗口，簡(jiǎn)單介紹了量子態(tài)交纏、薛定諤貓態(tài)的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)、貝爾不等式實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)、量子超空間傳態(tài)與量子計(jì)算等近年來(lái)量子物理的最新進(jìn)展。但是從課程的銜接來(lái)說(shuō)，本書(shū)只要求讀者學(xué)過(guò)普通物理的光學(xué)部分、微積分和線性代數(shù)。對(duì)學(xué)時(shí)的要求和原子物理課程大致相仿。20世紀(jì)是科學(xué)技術(shù)空前迅猛發(fā)展的世紀(jì)，在此世紀(jì)內(nèi)，人類(lèi)社會(huì)在科技進(jìn)步上經(jīng)歷了一個(gè)又一個(gè)劃時(shí)代的變革。繼19世紀(jì)的物理學(xué)把人類(lèi)社會(huì)帶進(jìn)“電氣化時(shí)代”以后，20世紀(jì)40年代物理學(xué)又使人類(lèi)掌握了核能的奧秘，把人類(lèi)社會(huì)帶進(jìn)“原子時(shí)代”。今天核技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)不止于為社會(huì)提供長(zhǎng)久可靠的能源，放射性與核磁共振在醫(yī)學(xué)上的診斷與治療作用，已幾乎家喻戶曉。

內(nèi)容概要

　　本書(shū)是教育部“高等教育面向21世紀(jì)教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革計(jì)劃”的研究成果，是面向21世紀(jì)課程教材和教育部理科物理學(xué)和天文學(xué)“九五”規(guī)劃教材。從教學(xué)順序上看，本書(shū)是《新概念物理教程》中的第五本，全套書(shū)各本的編寫(xiě)和改革思路是一脈相承的，但根據(jù)內(nèi)容的特點(diǎn)，本卷更加強(qiáng)調(diào)用普通物理課的風(fēng)格講述量子物理。本書(shū)取材覆蓋所有量子物理的各個(gè)重要方面和前沿課題，遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)普通物理教材中的“原子物理”部分；本書(shū)也不是“量子力學(xué)”教材，因書(shū)中只介紹量子力學(xué)的基本概念和理論框架，而不涉及量子力學(xué)中較深的數(shù)學(xué)和許多重要的計(jì)算方法。本書(shū)只要求讀者學(xué)過(guò)普通物理的光學(xué)部分、微積分和線性代數(shù)。本書(shū)共分實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)與基本原理，雙態(tài)系統(tǒng)，從一維系統(tǒng)到凝聚態(tài)物質(zhì)，原子、分子，原子核、粒子，量子力學(xué)的新進(jìn)展等六章和線性代數(shù)、高斯函數(shù)與高斯積分、物理常量等三個(gè)附錄。
　　本書(shū)可作為高等學(xué)校物理類(lèi)專(zhuān)業(yè)、電子信息專(zhuān)業(yè)的教科書(shū)或參考書(shū)，特別適合物理學(xué)基礎(chǔ)人才培養(yǎng)基地選用。對(duì)于其他理工科專(zhuān)業(yè)，　　本書(shū)也是教師備課時(shí)很好的參考書(shū)和優(yōu)秀學(xué)生的輔助讀物。

作者簡(jiǎn)介

趙凱華，北京大學(xué)物理系教授，曾任北京大學(xué)物理系主任，國(guó)家教委高等學(xué)校理科物理學(xué)與天文學(xué)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)委員、基礎(chǔ)物理教學(xué)指導(dǎo)組組長(zhǎng)，中國(guó)物理學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)、教學(xué)委員會(huì)主任?？蒲蟹较?yàn)榈入x子體理論和非線性物理。主要著作有《電磁學(xué)》（與陳熙謀合編，高等教育出版社

書(shū)籍目錄

第一章　實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)與基本原理
　1.熱輻射與普朗克的量子假說(shuō)
　　1.1　一般特征與輻射場(chǎng)的定量描述
　　1.2　基爾霍夫熱輻射定律
　　1.3　絕對(duì)黑體和黑體輻射
　　1.4　斯特藩一玻耳茲曼定律和維恩位移定律
　　1.5　維恩公式和瑞利一金斯公式
　　1.6　輻射場(chǎng)的態(tài)密度和能均分定理
　　1.7　普朗克公式與能量子假說(shuō)
　2.光的粒子性和電子的波動(dòng)性
　　2.1　光電效應(yīng)
　　2.2　愛(ài)因斯坦的光子假說(shuō)與光電效應(yīng)的解釋
　　2.3　康普頓效應(yīng)
　　2.4　德布羅意波
　3.電子干涉實(shí)驗(yàn)概率幅及其疊加
　　3.1　電子的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)
　　3.2　追蹤電子
　　3.3　用概率幅來(lái)描述
　4.海森伯不確定度關(guān)系動(dòng)力學(xué)變量算符
　　4.1　海森伯不確定性原理
　　4.2　動(dòng)量的平均值與動(dòng)量算符
　　4.3　算符的本征值
　　4.4　動(dòng)量與位置算符的對(duì)易關(guān)系
　5.軌道角動(dòng)量
　　5.1　軌道角動(dòng)量算符
　　5.2　軌道角動(dòng)量的對(duì)易關(guān)系
　　5.3　軌道角動(dòng)量的本征值與本征態(tài)的簡(jiǎn)并度
　6.空間操作算符薛定諤方程
　　6.1　動(dòng)量與空間平移算符
　　6.2　角動(dòng)量與空間轉(zhuǎn)動(dòng)算符
　　6.3　薛定諤方程
　　6.4　定態(tài)
　7.態(tài)矢和態(tài)矢空間
　　7.1從光子線偏振態(tài)的分解說(shuō)起
　　7.2圓偏振態(tài)的分解
　　7.3　態(tài)矢和態(tài)矢空間
　　7.4　基矢變換
　　7.5　算符的本征矢和本征值
　　7.6　動(dòng)力學(xué)變量的測(cè)量與平均值
　　7.7　守恒量
　　7.8　對(duì)易算符的共同本征態(tài)與動(dòng)力學(xué)變量完全集問(wèn)題
　8.電子的自旋
　　8.1　角動(dòng)量和磁矩的關(guān)系
　　8.2　施特恩一格拉赫實(shí)驗(yàn)
　　8.3　原子的磁矩
　　8.4　電子自旋泡利矩陣
　9.光子的角動(dòng)量
　　9.1　光子自旋角動(dòng)量
　　9.2　電偶極輻射和磁偶極輻射
　　9.3　電偶極輻射光子的角動(dòng)量矩陣
　10.光子的發(fā)射與吸收
　　10.1　愛(ài)因斯坦的受激輻射理論
　　10.2　光子的產(chǎn)生算符和消滅算符
　11.量子力學(xué)基本原理小結(jié)
　　11.1　基本概念
　　11.2　基本公設(shè)
　本章提要
　思考題
　習(xí)題
第二章　雙態(tài)系統(tǒng)
　1.等價(jià)雙態(tài)系統(tǒng)
　　1.1　能級(jí)離散系統(tǒng)中薛定諤方程的矩陣形式
　　1.2　氨分子概率幅的振蕩與能級(jí)的分裂
　　1.3　苯分子的“共振能”
　　1.4　染料分子的共軛雙鍵
　　1.5　氫分子離子
　2.量子共振
　　2.1　問(wèn)題的提出
　　2.2　拉比嚴(yán)格解
　　2.3　共振與失諧
　　2.4　弱場(chǎng)近似
　　2.5　考慮衰減時(shí)的情形
　3.受激發(fā)射理論中的愛(ài)因斯坦
　……
第三章　從一維系統(tǒng)到凝聚態(tài)物質(zhì)
第四章　原子 分子
第六章　量子力學(xué)的新進(jìn)展
附錄A　線性代數(shù)
附錄B　高斯函數(shù)與高斯積分
附錄C　物理常量 單位換算與數(shù)據(jù)
習(xí)題答案
索引

章節(jié)摘錄

插圖：第一章 實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)與基本原理本章是全書(shū)開(kāi)宗明義第一章 ，如果說(shuō)全書(shū)將帶領(lǐng)讀者到量子王國(guó)去游覽的話，本章是一張導(dǎo)游圖。量子王國(guó)地處微觀世界，那里的一切對(duì)于我們這些生活在宏觀世界的人是那樣的陌生，理解那里的“語(yǔ)言”、“法制”和“風(fēng)土人情”是相當(dāng)困難的。我們必須“入邦問(wèn)俗”，最好先粗通量子物理的術(shù)語(yǔ)和理論架構(gòu)，再進(jìn)入各個(gè)具體問(wèn)題的討論時(shí)，會(huì)感到主動(dòng)一些。本章的前兩節(jié)介紹量子論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。這些實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)典物理中一些熟知的概念行不通了。本來(lái)光已被公認(rèn)為電磁波，卻在一些場(chǎng)合表現(xiàn)得像“粒子”。于是有人猜測(cè)，電子是公認(rèn)的粒子，會(huì)不會(huì)也有“波動(dòng)性”？果真被他猜著了，電子可以發(fā)生干涉和衍射?！安６笮浴边@個(gè)奇特（甚至令人感到荒誕和神秘）的概念，導(dǎo)致了量子力學(xué)的建立。從本章§3起我們逐步引入量子力學(xué)最基本的概念和理論架構(gòu)。在經(jīng)典物理中物理量具有確定的量值，服從一定的規(guī)律。而量子力學(xué)中物理量（稱(chēng)為“動(dòng)力學(xué)變量”）卻是“態(tài)矢空間”里的“算符”，一般說(shuō)來(lái)，一個(gè)動(dòng)力學(xué)變量有多個(gè)“本征值”，測(cè)量它們時(shí)并不得到確定的量值，而是以一定的概率得到它們的某個(gè)本征值。概率是用“概率幅”來(lái)描述的，概率幅是復(fù)數(shù)，它的模方才是概率。概率幅具有模量和相角，疊加時(shí)可以產(chǎn)生干涉。夠了，這些名詞和概念已經(jīng)是經(jīng)典物理中聞所未聞、見(jiàn)所未見(jiàn)的，且不說(shuō)其它一些更奧妙的東西了。我們將在本章§3中初步引入“概率幅”的概念，本章§4～§6引入“算符”的概念，§7引入“態(tài)矢”和“態(tài)矢空間”的概念。在本章§8～§10中介紹一些后面幾章將用到的概念之后，最后在§11里為本章學(xué)到的量子力學(xué)基本原理做一個(gè)小結(jié)。這樣，我們就取得了進(jìn)入后面各章的“入場(chǎng)券”。

編輯推薦

《新概念物理教程:量子物理(第2版)》是由高等教育出版社出版的。

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