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量子力學的應用
在許多現代技術裝備中,量子物理學的效應起了重要的作用。從鐳射、電子顯微鏡、原子鐘到核磁共振的醫學影象顯示裝置,都關鍵地依靠了量子力學的原理和效應。對半導體的研究導致了二極體和三極體的發明,最後為現代的電子工業鋪平了道路。在核武器的發明過程中,量子力學的概念也起了一個關鍵的作用。
在上述這些發明創造中,量子力學的概念和數學描述,往往很少直接起了一個作用,而是固體物理學、化學、材料科學或者核物理學的概念和規則,起了主要作用,但是,在所有這些學科中,量子力學均是其基礎,這些學科的基本理論,全部是建立在量子力學之上的。
以下僅能列舉出一些最顯著的量子力學的應用,而且,這些列出的例子,肯定也非常不完全。實際上,在現代的技術中,量子力學無處不在。 原子物理和化學
任何物質的化學特性,均是由其原子和分子的電子結構所決定的。透過解析包括了所有相關的原子核和電子的多粒子薛定諤方程,可以計算出該原子或分子的電子結構。在實踐中,人們認識到,要計算這樣的方程實在太複雜,而且在許多情況下,只要使用簡化的模型和規則,就足以確定物質的化學特性了。在建立這樣的簡化的模型中,量子力學起了一個非常重要的作用。
一個在化學中非常常用的模型是原子軌道。在這個模型中,分子的電子的多粒子狀態,透過將每個原子的電子單粒子狀態加到一起形成。這個模型包含著許多不同的近似(比如忽略電子之間的排斥力、電子運動與原子核運動脫離等等),但是它可以近似地、準確地描寫原子的能級。除比較簡單的計算過程外,這個模型還可以直覺地給出電子排布以及軌道的影象描述。
透過原子軌道,人們可以使用非常簡單的原則(洪德定則)來區分電子排布。化學穩定性的規則(八隅律、幻數)也很容易從這個量子力學模型中推匯出來。
透過將數個原子軌道加在一起,可以將這個模型擴充套件為分子軌道。由於分子一般不是球對稱的,因此這個計算要比原子軌道要複雜得多。理論化學中的分支,量子化學和計算機化學,專門使用近似的薛定諤方程,來計算複雜的分子的結構及其化學特性的學科。 原子核物理學
原子核物理學是研究原子核性質的物理學分支。它主要有三大領域:研究各類次原子粒子與它們之間的關係、分類與分析原子核的結構、帶動相應的核子技術進展。 固體物理學
以上這些例子,可以使人想象出固體物理有多麼多樣性。事實上,凝聚態物理學是物理學中最大的分支,而所有凝聚態物理學中的現象,從微觀角度上,都只有透過量子力學,才能正確地被解釋。使用經典物理,頂多只能從表面上和現象上,提出一部分的解釋。
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量子力學的應用 在許多現代技術裝備中,量子物理學的效應起了重要的作用。從鐳射、電子顯微鏡、原子鐘到核磁共振的醫學影象顯示裝置,都關鍵地依靠了量子力學的原理和效應。對半導體的研究導致了二極體和三極體的發明,最後為現代的電子工業鋪平了道路。在核武器的發明過程中,量子力學的概念也起了一個關鍵的作用。 在上述這些發明創造中,量子力學的概念和數學描述,往往很少直接起了一個作用,而是固體物理學、化學、材料科學或者核物理學的概念和規則,起了主要作用,但是,在所有這些學科中,量子力學均是其基礎,這些學科的基本理論,全部是建立在量子力學之上的。 以下僅能列舉出一些最顯著的量子力學的應用,而且,這些列出的例子,肯定也非常不完全。實際上,在現代的技術中,量子力學無處不在。 原子物理和化學 任何物質的化學特性,均是由其原子和分子的電子結構所決定的。透過解析包括了所有相關的原子核和電子的多粒子薛定諤方程,可以計算出該原子或分子的電子結構。在實踐中,人們認識到,要計算這樣的方程實在太複雜,而且在許多情況下,只要使用簡化的模型和規則,就足以確定物質的化學特性了。在建立這樣的簡化的模型中,量子力學起了一個非常重要的作用。 一個在化學中非常常用的模型是原子軌道。在這個模型中,分子的電子的多粒子狀態,透過將每個原子的電子單粒子狀態加到一起形成。這個模型包含著許多不同的近似(比如忽略電子之間的排斥力、電子運動與原子核運動脫離等等),但是它可以近似地、準確地描寫原子的能級。除比較簡單的計算過程外,這個模型還可以直覺地給出電子排布以及軌道的影象描述。 透過原子軌道,人們可以使用非常簡單的原則(洪德定則)來區分電子排布。化學穩定性的規則(八隅律、幻數)也很容易從這個量子力學模型中推匯出來。 透過將數個原子軌道加在一起,可以將這個模型擴充套件為分子軌道。由於分子一般不是球對稱的,因此這個計算要比原子軌道要複雜得多。理論化學中的分支,量子化學和計算機化學,專門使用近似的薛定諤方程,來計算複雜的分子的結構及其化學特性的學科。 原子核物理學 原子核物理學是研究原子核性質的物理學分支。它主要有三大領域:研究各類次原子粒子與它們之間的關係、分類與分析原子核的結構、帶動相應的核子技術進展。 固體物理學 以上這些例子,可以使人想象出固體物理有多麼多樣性。事實上,凝聚態物理學是物理學中最大的分支,而所有凝聚態物理學中的現象,從微觀角度上,都只有透過量子力學,才能正確地被解釋。使用經典物理,頂多只能從表面上和現象上,提出一部分的解釋。