MENU
量子力学的预 备知识
ADVERTISEMENT
inmr adv CTC

量子力学的预 备知识(一)

November 5, 2015 • Commentary from Professor Zhang, 最近文章汇总

1、大千世界, 五彩缤纷。但是, 科学的基本原理之一, 就是万物都是由难以 察觉的微小粒子构成的。这条原理解释了范围非常广泛的观察事实, 并深刻 地影响着人类文化对实在的认识。首先提出这种思想的人是2500年前的一 批古希腊的思想家, 这些具有哲学头脑的人想要对万物溯本探源。他们思考 香肠和黄金有什么共同之处, 他们相信这些不同物质的背后一定有着潜在的 统一性, 并猜测这种统一性是什么?2500年前的希腊, 生存状态非常原始, 土地贫瘠, 没有笔, 没有纸, 照明用油灯, 交通用骡马, 信息靠人跑步传递… 就是在这样一种状态下, 他们却在思考着上述如此细腻的问题, 想起来真是 不可思议。最后他们得出结论:物质由小得不能察觉的 “a-tomic” (希腊文, 意为不可分割的)粒子构成。他们把这种最小的粒子称为原子 (atom)。在古 希腊时代, 这只是一个假说, 但是今天它已是一个确定的理论。今天所说的 原子, 实际上是可分的, 它由更小的亚原子部分组成:电子、质子和中子。事 实上, 质子和中子本身又由夸克构成。现在我们所能说的是, 电子和夸克是 终极的、最小的粒子, 其他东西都由它们构成。古希腊人所说的原子应该指 的是这些可能存在的最小部分。   2、人类认识外部世界是从感观开始的。眼见为实, 通过光才能看到物体。 但是, 只有当物体的尺寸比光的波长大很多时才行。可见光的波长为0.76微 米 (760纳米) 到0.38 (380纳米) 微米, 其平均波长近似等于0.5微米 (500 纳米)。原子的半径为0.1纳米, 即一个埃。所以原子的半径只有光的平均波 长的五千分之一, 或光的平均波长为原子半径的5000倍。即用最好的光学 显微镜也看不到原子。要想看到原子, 必须使用波长只有光波长几千分之一 的波。这是个什么波?1920年发现, 电子也是波, 其波长正是我们想观察原 子所需要的波。   说得再具体一些, 光是一种波动, 分辨能力与照射观察对象的光波的波长有 关, 波长越小分辨能力越高。因此观察时用紫光照明就比用红光照明的分辨 率高, 因为紫光的波长比红光短。也许大家知道电子也可以看作波动。通常 我们总是将电子想象成如玻璃弹子一般, 当成一个带负电的质点, 这是表 现它的粒子性;可是在许多场合下, 电子又表现出波动性。这就是所谓的波 粒二象性。其实波粒二象性在微观世界里是普遍存在的。光不就是具有波 动和粒子二象性的最典型的例子吗?我们可以通过一个例子来加深印象。 一般而言, 粗颗粒的道路扬尘的平均粒径为5微米 (即现在经常说的PM5), 在阳光照射下, 可以看到这些灰尘在空中四处飞舞。试想, 当比灰尘小25000 分之一的电子 (因为电子的直径为0.2纳米, 灰尘的直径为5微米, 即5000纳 米) 在空中飞舞时, 那会是一种什么情景?即与灰尘的波动相比, 电子的波动 将剧烈得不可思议。电子波的波长与它的动能有关, 动能越大, 波长越小。 所以利用短波长的电子来做光源可以提高显微镜的分辨能力, 这就是显微 镜的基本原理。   再来加深一下小长度单位的印象。1纳米=10的负9次方米=10的负3次方微米 =10个埃。1纳米等于十亿分之一米, 如果将1米与1纳米相比, 就相当于地球 与一个玻璃弹球大小相比。我们通常认为头发是很细的, 其直径约为80微 米, 即80000纳米。我们平常吃的白面粉, 用手指捻一捻, 会觉得有扎手的 感觉, 其平均粒径在50微米, 比光的波长大100倍。蜡烛的烟灰是黑色的, 用 手指捻一捻, 烟灰全部进入手的指纹里, 其平均粒径在1微米。 人们对光的研究始于公元16世纪, 激动人心的是在1666 年, 牛顿将一束白光穿过一个通体透明的三棱镜后, 白 光突然变成七种颜色依次排列的绚丽光带。此后近100 年的时间里, 人们相信牛顿的实验发现, 信赖自己的眼 睛, 以为七色之外就是 “黑暗”, 都是 “虚无”。谁知, 在 这之后惊人的发现一个接着一个。1800年, 一位天文 学家实验观察到七色光带的红端之外还有 “红外线”, 1856年, 又有人用实验证明紫端之外还有 “紫外线”。   红外线、紫外线在太阳光谱中跨越的范围比可见光区 要宽成千上万倍。人类和其他高等动物的眼睛可以感 受到的只是太阳辐射中很小很小的一部分。 红外线与紫外线是电磁辐射 (任何波都会携带能量。 电磁波的能量称为辐射能, 也常常称为电磁辐射) 的 两个组成部分, 位于可见光的两侧。红外辐射由物质 内原子和分子的振动、旋转产生。凡是温度为绝对零 度以上的物体都有红外辐射, 因此自然界的所有物体 都可以是红外辐射源, 它们的区别仅表现在波长及强 度上。太阳的辐射能量中红外线占46%。红外线又称 为热线, 红外线的生物效应主要是热效应。 当然, 人类的眼睛对可见光的不同部分也并非 “一视 同仁”, 而是对黄绿光较敏感, 对可见光光谱的两端则 较迟钝。而对于波长比390纳米更短的紫外线、X射线 和γ射线, 以及波长比780纳米更长的红外线和无线电 波, 我们的眼睛都 “视而不见”。   物理学家告诉我们, 无线电波、红外线、可见光、紫外 线、X射线、γ射线, 都是电磁波。所有这些电磁波在物 理本质上是相同的, 只是在波长或频率上有差别。倘若 我们的视觉器官所接受的不是780纳米到390纳米这一 段的电磁波, 而是X射线, 请设想一下, 我们的世界将会 以什么样的面貌展现在我们面前:原来不透明的透明了, 原来是暗的变亮了, 可是我们喜欢的青山绿水消失了, 美 丽的服饰不见了, 漂亮的面庞消失得无影无踪…人类的 文明与感觉器官所接受的物理刺激原来是如此的休戚 相关, 幸亏我们的眼睛接受了被称之为可见光的这一段 电磁波谱, 否则, 多彩的世界与灿烂的文化都将重写。   张德赛 武汉大学电气工程学院 desaizhang@whu.edu.cn

分享至:

Related Posts

« »

INMR主要的广告商包括且不限于:

Taiguang