新概念物理教程――量子物理

前言

從教學(xué)順序上看，本書是《新概念物理教程》中的第五卷，全套書各卷的編寫和改革思路是一脈相承的，但根據(jù)內(nèi)容的特點，本卷更加強(qiáng)調(diào)用普通物理課的風(fēng)格講述量子物理。本書不是“量子力學(xué)”教材。本書由實驗事實出發(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，本書幾乎從頭起就運用狄拉克符號和矩陣來表示，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算方法。所以，物理專業(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)”。在制訂物理專業(yè)的教學(xué)計劃時，我們往往遇到一個困難，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)之后再開設(shè)了，這將給教學(xué)計劃的制訂帶來相當(dāng)大的靈活性。此外，本卷教材的學(xué)習(xí)，也對物理類專業(yè)的學(xué)生做近代物理實驗大有幫助。傳統(tǒng)上普通物理課的第五部分是“原子物理”，本書與原子物理教材也大有區(qū)別。本書一改國內(nèi)多年來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，簡單介紹了量子態(tài)交纏、薛定諤貓態(tài)的實驗實現(xiàn)、貝爾不等式實驗檢驗、量子超空間傳態(tài)與量子計算等近年來量子物理的最新進(jìn)展。但是從課程的銜接來說，本書只要求讀者學(xué)過普通物理的光學(xué)部分、微積分和線性代數(shù)。對學(xué)時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)，人類社會在科技進(jìn)步上經(jīng)歷了一個又一個劃時代的變革。繼19世紀(jì)的物理學(xué)把人類社會帶進(jìn)“電氣化時代”以后，20世紀(jì)40年代物理學(xué)又使人類掌握了核能的奧秘，把人類社會帶進(jìn)“原子時代”。今天核技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)不止于為社會提供長久可靠的能源，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，本書是《新概念物理教程》中的第五本，全套書各本的編寫和改革思路是一脈相承的，但根據(jù)內(nèi)容的特點，本卷更加強(qiáng)調(diào)用普通物理課的風(fēng)格講述量子物理。本書取材覆蓋所有量子物理的各個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；本書也不是“量子力學(xué)”教材，因書中只介紹量子力學(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)和許多重要的計算方法。本書只要求讀者學(xué)過普通物理的光學(xué)部分、微積分和線性代數(shù)。本書共分實驗基礎(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、物理常量等三個附錄。
　　本書可作為高等學(xué)校物理類專業(yè)、電子信息專業(yè)的教科書或參考書，特別適合物理學(xué)基礎(chǔ)人才培養(yǎng)基地選用。對于其他理工科專業(yè)，　　本書也是教師備課時很好的參考書和優(yōu)秀學(xué)生的輔助讀物。

作者簡介

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)委員會委員、基礎(chǔ)物理教學(xué)指導(dǎo)組組長，中國物理學(xué)會副理事長、教學(xué)委員會主任?？蒲蟹较驗榈入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

書籍目錄

第一章　實驗基礎(chǔ)與基本原理
　1.熱輻射與普朗克的量子假說
　　1.1　一般特征與輻射場的定量描述
　　1.2　基爾霍夫熱輻射定律
　　1.3　絕對黑體和黑體輻射
　　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　輻射場的態(tài)密度和能均分定理
　　1.7　普朗克公式與能量子假說
　2.光的粒子性和電子的波動性
　　2.1　光電效應(yīng)
　　2.2　愛因斯坦的光子假說與光電效應(yīng)的解釋
　　2.3　康普頓效應(yīng)
　　2.4　德布羅意波
　3.電子干涉實驗概率幅及其疊加
　　3.1　電子的雙縫干涉實驗
　　3.2　追蹤電子
　　3.3　用概率幅來描述
　4.海森伯不確定度關(guān)系動力學(xué)變量算符
　　4.1　海森伯不確定性原理
　　4.2　動量的平均值與動量算符
　　4.3　算符的本征值
　　4.4　動量與位置算符的對易關(guān)系
　5.軌道角動量
　　5.1　軌道角動量算符
　　5.2　軌道角動量的對易關(guān)系
　　5.3　軌道角動量的本征值與本征態(tài)的簡并度
　6.空間操作算符薛定諤方程
　　6.1　動量與空間平移算符
　　6.2　角動量與空間轉(zhuǎn)動算符
　　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　動力學(xué)變量的測量與平均值
　　7.7　守恒量
　　7.8　對易算符的共同本征態(tài)與動力學(xué)變量完全集問題
　8.電子的自旋
　　8.1　角動量和磁矩的關(guān)系
　　8.2　施特恩一格拉赫實驗
　　8.3　原子的磁矩
　　8.4　電子自旋泡利矩陣
　9.光子的角動量
　　9.1　光子自旋角動量
　　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量矩陣
　10.光子的發(fā)射與吸收
　　10.1　愛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.等價雙態(tài)系統(tǒng)
　　1.1　能級離散系統(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　問題的提出
　　2.2　拉比嚴(yán)格解
　　2.3　共振與失諧
　　2.4　弱場近似
　　2.5　考慮衰減時的情形
　3.受激發(fā)射理論中的愛因斯坦
　……
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 實驗基礎(chǔ)與基本原理本章是全書開宗明義第一章 ，如果說全書將帶領(lǐng)讀者到量子王國去游覽的話，本章是一張導(dǎo)游圖。量子王國地處微觀世界，那里的一切對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“語言”、“法制”和“風(fēng)土人情”是相當(dāng)困難的。我們必須“入邦問俗”，最好先粗通量子物理的術(shù)語和理論架構(gòu)，再進(jìn)入各個具體問題的討論時，會感到主動一些。本章的前兩節(jié)介紹量子論的實驗基礎(chǔ)。這些實驗表明，經(jīng)典物理中一些熟知的概念行不通了。本來光已被公認(rèn)為電磁波，卻在一些場合表現(xiàn)得像“粒子”。于是有人猜測，電子是公認(rèn)的粒子，會不會也有“波動性”？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（稱為“動力學(xué)變量”）卻是“態(tài)矢空間”里的“算符”，一般說來，一個動力學(xué)變量有多個“本征值”，測量它們時并不得到確定的量值，而是以一定的概率得到它們的某個本征值。概率是用“概率幅”來描述的，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、見所未見的，且不說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)基本原理做一個小結(jié)。這樣，我們就取得了進(jìn)入后面各章的“入場券”。

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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