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2 1923年,美國物理學家康普頓研究x射線經物質散射的實驗(康普頓效應),表明光子和電子等微觀粒子相互作用時也遵循能量和動量守恆定律,進一步證實了光量子理論。
(九)量子力學的建立(1923 - 1927年左右 關鍵的幾年)
1 1923 年,法國物理學家德布羅意提出物質波的假說,認為微觀的實體粒子(如電子、原子等)也具有波粒二象性。
2 1924年,薩地揚德拉·n·玻色提出了一種全新的方法來解釋普朗克輻射定律,愛因斯坦將其推理應用於有質量的氣體,得到玻色 - 愛因斯坦分佈。
3 1925 - 1926 年:
沃爾夫剛·泡利提出不相容原理,為元素週期表奠定了理論基礎。
海森堡、馬克斯·玻恩和帕斯庫爾·約當提出了量子力學的第一個版本——矩陣力學。
埃爾溫·薛定諤提出了量子力學的第二種形式——波動力學 ,體系的狀態用薛定諤方程的解——波函式來描述。
4 1926 - 1927年:
證明矩陣力學和波動力學在數學上是等價的。
海森堡闡明測不準原理。
保爾·a··狄拉克提出了相對論性的波動方程用來描述電子,解釋了電子的自旋並且預測了反物質;提出電磁場的量子描述,建立了量子場論的基礎。
玻爾提出互補原理一個哲學原理)試圖解釋量子理論中一些明顯的矛盾,特別是波粒二象性。
(十)後續發展和應用(1927年之後)
1 20世紀30 - 40年代,量子力學在解釋和預言微觀物理現象(如原子結構、分子結構、化學鍵、固體能帶結構等)方面取得巨大成功。
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2 量子力學的理論被應用於固體物理領域,發展出半導體理論等,為現代半導體技術、電子技術奠定基礎。
3 在量子場論基礎上發展粒子物理學標準模型等。
4 如今量子力學在現代科學技術眾多領域如量子計算、量子通訊、量子精密測量等前沿領域繼續發揮著極其重要的推動作用。
(十一)量子力學的應用例項:
通訊領域:
1 量子通訊:利用量子糾纏等特性實現具有高保密性的通訊。例如中國發射的“墨子號”量子科學實驗衛星用於進行星地量子通訊實驗等。它可以確保資訊傳輸過程中不被竊聽和破解,對於軍事、政務、金融等對資訊保安要求極高的領域意義重大。
(十二)計算領域:
1 量子計算機:相比傳統計算機具有強大的平行計算能力。在一些複雜任務上有巨大潛力,如:
密碼破解:可以快速破解現有的許多加密演算法;
藥物研發:模擬複雜分子的行為和化學反應,加速藥物設計和篩選過程;
人工智慧中的複雜計算任務:如訓練複雜的神經網路模型;
最佳化問題求解:如物流運輸中的最優路徑規劃等;
大規模資料處理和分析:例如處理海量金融資料進行風險評估等。
(十三)材料科學領域:
1 超導材料 :1957年巴丁、庫珀和斯里弗用量子力學理論解釋超導現象。超導材料可以實現無電阻導電,應用包括:
超導磁懸浮列車,減少能耗和摩擦;
超導電纜用於高效輸電;
超導量子計算機中的超導量子位元。
2 半導體材料和器件:能帶理論(基於量子力學發展而來)極大推動了半導體研究。半導體應用如:
積體電路晶片,是現代電子裝置(電腦、手機等)的核心部件;
各種半導體感測器等。
(十四)測量領域:
1 原子鐘:是基於微觀粒子能級測量,其精度可以做到兩千萬年只差一秒,是全球定位系統(如gps、北斗等)實現精準定位和授時的關鍵。
2 量子陀螺儀等:基於量子相干性測量,在航空航天等高精度導航領域發揮重要作用。
(十五)能源領域:
科學家們正在探索利用量子力學原理開發更高效的太陽能電池材料,提高光電轉換效率。
(十六)醫療領域:
1 磁共振成像(ri):利用原子核的量子特性在磁場