Date1引言一.量子力学的研究对象 反映微观粒子运动规律的基础理论 二.学习量子力学的必要性(量子力学的发展与 应用) 1.量子力学是近代物理的基础, 20世纪物理学 两个划时代的里程碑: (1)、狭义相对论，改变了牛顿力学的绝对时 空观，指明了牛顿力学的适用范围 (2)、量子力学，涉及物质运动形式的根本变 革，经典物理学只适用描述一般宏观条件下的 物质运动，微观世界只有量子力学才可以描述 。Date22.量子力学在自然科学的各领域获得广泛 应用(生物、化学、信息科学、光学、统 计等） 3.量子力学与现代科技的发展密切相关( 原子能技术、激光、大规模集成电路、量 子通讯、量子计算机）量子力学走向工业 化已经势不可挡。 4.物理专业本科生提高专业素质的需要， 在物理学的任何领域工作，没有量子力学 ，是不可思议的。 Date3I）量子理论的诞生量子论的生日1900年12月14日。M. Planck：在柏林物理学会上报告他的公式（普朗克公 式）的量子说明辐射能量在吸收或发 射时以整个量子进行，频率为 的辐射振 子的能量为 。 这就宣告了量子论的 诞生。M. Planck, Ann.Physik, 4(1901)553.Date4II）量子力学是甚么？ 量子力学是什么？量子力学，更广泛地说量子理论，是研 究微观世界物质运动和变化的基本规律的 科学。由于我们宏观物质全是由微观物质组成的， 宏观世界全部建立在微观世界上面。因此 ，量子力学便无处不在、普遍适用。Date5III）自诞生起至今，它的势头（1）自从量子理论诞生以来， 它的发展和应用一直广泛深 刻地影响、促进和触发人类 物质文明的大飞跃。近80年 的人类全部历史可以作证。可以把所有学科名称前面 冠以“量子”二字，就会发现 ：已经形成或将要形成一门 新的理论、一门新的学问。 物理学内部就有很多这种情 况。不必说物理学中以量子 力学为主要理论支柱的学科 ；单是直接添加这两个字就 形成新学问的就有：光学量子光学 电子学量子电子学 电动力学量子电动力学 统计力学量子统计力学 经典场论量子场论 在物理学之外也是大量的： 化学量子化学 生物学量子生物学 宇宙学量子宇宙学 网络量子网络 信息论量子信息论 计算机量子计算机就连投机家所罗斯的基金会也时髦的冠 以“量子”二字：“量子基金会” Date6自诞生起至今，它的势头（续2） 百年（19012002）来总共颁发 Nobel Prize96 次 （其中1916,1931,1934,1940,1941,1942共6年未颁奖）单就物理奖而言：直接由量子理论得奖或与量子理论密切相关而得奖的次数有57 次（直接由量子理论得奖25次）Date7自诞生起至今，它的势头（续3） Nature杂志2000年总结100年来在它上面发表的文 章。从登载的数千篇文章中精选出21篇具有里程 碑性的文章。其中与量子力学有关的竟占14篇。 量子理论自20世纪20年代创立以来，直到现在， 已逐步成为核物理、粒子物理、凝聚态物理、超 流和超导物理、半导体物理、激光物理等众多物 理分支学科的共同理论基础。而且在量子理论的 框架内建立了弱电统一的标准模型；量子理论进 入了宇宙起源和黑洞理论。 总之，量子理论诞生后这100年来的发展，使得：量子理论成为整个近代物理学的共同理论基础。 Date8IV）自20世纪80年代以来，量子力 学又有很大发展量子信息论和量子计算 机：位(bit)量子位(qubit) 既是Yes又是No： |Yes+|No 存贮器量子存贮器 各个位不一定有确定的状态 逻辑门量子逻辑门 网络量子网络 算法量子算法 DeutschDFTShorGrover 并行计算、超高速、超大容量通讯量子通讯 超大容量、天然保密 编码量子编码 密码量子密码 密钥量子密钥 经典可克隆量子不可克隆 经典克隆是硬件克隆；量子克隆是软 硬件全部克隆，原理上不可能 经典通讯的定域传播量子 通讯的非定域传播Date9V）当前量子力学的重要应用量子生物学 量子生命科学 量子神经网络 量子化学 量子材料科学 量子信息科学 量子计算机科学 BEC器件、原子器件目前，它正在向材料 科学、化学、生物学、 信息科学、计算机科学 大规模渗透。 预计不久的将来它将 会成为整个近代科学共 同的理论基础Date10国家重点基础研究发展计划和重大科学 研究计划2013年重要支持方向 量子调控研究 1. 基于固态量子比特的量子计算研究固态体系中自旋退相干机理、抑制方法以及容错和纠错方案；研究固 态结构中单电子自旋态的检测和操控，固态自旋之间的纠缠技术、可扩展 性和多量子比特之间的微波调控技术，实现有代表性的运算门操作；研究 基于自旋量子比特的量子模拟，拓展基于超导量子比特和线性谐振腔的量 子计算。 2. 冷原子及偶极量子气体的性质和调控制备冷原子、偶极量子气体、超冷玻色-费米原子混合气体，获得基态异核偶极分 子，并实现量子简并；研究冷原子和分子体系的偶极相互作用，量子简并偶极气体 的新奇量子态和量子相变；研究新波色凝聚体中测量精度的标准量子极限。Date11 3. 量子有序现象及其多场调控研究金属化合物等量子材料中的电荷、自旋、轨道有序现象和相互竞争效应 及多场调控；研究自旋-轨道耦合效应及导致的量子态有序现象；发展高效的 理论和数值模拟以及实验新方法，揭示电荷、自旋、轨道及拓扑序导致的复 杂相图和奇异物性；发现具有新型量子序的量子材料，并探索其表征和调控 的新方法。 4. 新型量子材料中电子自旋、谷等内禀自由度的调控研究产生基于电子自旋、谷等内禀自由度极化的有效方法，以及在时间和空 间域的精密探测和操控；研究碳基、类石墨烯、拓扑绝缘体、氧化物、磁性 绝缘体等材料中内禀自由度的量子特性，以及相关联的奇异物性；探索发现 具有内禀自由度极化的新型量子材料，并揭示其奇异物性。 5. 固态量子器件及电路制备高质量特种半导体、高自旋极化度的半金属、铁磁和多铁等材料及其异 质结构，研究其量子特性及外场调控，构建可用于固态量子器件的材料结构 ；探索光量子相干系统中单量子态的制备、传递、操控和检测方案，研制可 片上集成的高效单光子源、全同纠缠光子源和光量子波导等核心元件。 Date12 6. 分子体系中电子电荷和自旋的调控 研究分子电子材料中的电荷转移，制备分子开关、分子导线、分 子二极管等分子器件；研究光电/电光分子材料中分子激发态的 电荷和能量转移，研制新型光电转换、光存储材料和器件。研究 新型分子磁体、有磁学特性的有机分子材料，与自旋和激发态相 关的量子效应，电荷、轨道和自旋间竞争导致的新奇量子现象。 7. 超快光场对分子、原子、电子的调控 研究超快光场与分子、原子、电子的相互作用，量子态的演化及 动力学特性，实现对量子态演化的实时精密观察和调控；研究化 学反应过程的超快光场调控，超快光场与物质的相互作用及产生 的新现象，揭示相关的超快动力学行为。 8. 高品质因子微腔中的光子-电子态耦合及 调控 制备具有高品质因子和微小模体积的微纳光子结构微腔以及微腔 /单电子态体系；研究光场与微腔高效耦合、表征方法及非线性 效应；研究微腔/单电子态体系中的强耦合效应，以及导致的量 子效应和调控方法，探索在量子信息和量子计算等领域的应用。Date13教学计划、参考书、教学要求 课时安排： 68课时（4*17）Date14教 材 及 参 考 书 a. 量子力学教程 曾谨言 科学出版社(2003)b. 量子力学教程 周世勋 高等教育出版社(1979 第一版，2009年第二版)c. 量子力学 卷1 曾谨言 科学出版社(1990一版 ，2007四版)d. L. I. Schiff Quantum Mechanics Date15教 学 安 排a.课堂、期中、作业、出勤 40%b.期末考试 60%c.常规答疑每周一次(每周三下午15:30-17:30,地点:3-415 )ysyhutc.zj.cn 2321552(1552)13757290680(670680), QQ:865264862Date16教学要求1、认真听课，保持良好状态，避免迟 到、早退、上课玩手机（游戏、微 博，微信，信息、上网）等等。 2、独立完成作业 ，按时交作业 3、课后及时复习所学内容Date17p第一章 绪论p第二章 波函数和薛定谔方程p第三章 量子力学中的力学量p第四章 态和力学量的表象p第五章 微扰理论p第六章 散射p第七章 自旋与全同粒子目 录Date18第一章 绪论绪论1 经典物理学的困难 2 光的波粒二象性 3 原子结构的玻尔理论 4 微粒的波粒二象性Date191.1 经典物理学的困难经典力学从牛顿三大定律发展为分析力学电磁学与光学发展成为麦克斯韦理论热学在建立了以热力学定律为基础的宏观 理论的同时，玻尔兹曼和吉布斯建立了称之为 统计物理学的微观理论。一.经典物理学的成功十九世纪末叶，物理学理论在当时看来己发展到 相当完善的阶段，其各个分支已经建立起系统的理论 ：Date20在这种情况下，当时有很多人认为物理现象的基本规律已完全被揭露，剩下的工作只是把这些基本规律应用到各种具体问题上，进行一些计算而已。一.经典物理学的成功（续 )Date21但在进入二十世纪初物理学就暴露出了原有 理论的局限性,套用著名物理学家开尔文在 总结物理学近百年的成就时指出，在物理学 晴朗的天空中，还有两朵小小的令人不安的 乌云：。？寻找以太的零结果？热辐射的 紫外灾难寻找以太的 零结果 相对论热辐射的紫外灾难 量子论 相对真理 绝对真理 Date22二.经经典物理学的困难难经典理论在解释一些新的试验结果上遇 到了严重的困难。 （1）黑体辐射问题 （2）光电效应 （3）康普顿效应（4）原子结构的玻尔理论下面介绍经典物理学遇到的困难，以及如何解 决这些困难并导致量子力学的诞生。Date231.2 光的波粒二象性（1）黑体辐射问题揭示了把光看成波动的局限性黑体辐射问题所研究的是辐射（电磁波）与周围 物体处于平衡状态时能量按波长（频率）的分布。黑体:如果一个物体能全部 吸收投射在它上面的辐射而 无反射，这种物体称为黑体 (又称为绝对黑体）。一个开有小孔的封闭空腔可看作是黑体。Date24辐射热平衡状态: 处于某一温度 T 下的腔 壁，单位面积所发射出的辐射能量和它所吸收 的辐射能量相等时，辐射达到热平衡状态。例如加热铁块，随着温度的升高:开始不发光 黄白色橙色暗红热辐射通常与温度有关固体在温度升高时颜色的变化800K 1000K 1200K 1400KDate25黑体辐射实验事实：实验曲线热平衡时，空腔 辐射的能量密度， 与辐射的波长的分 布曲线，其形状和 位置只与黑体的绝 对温度 T 有关, 而 与黑体的形状和材 料无关。Date26结论: 在短波部分与 实验符合得很好，但长 波部分与实验则明显不 一致。 1896年, 维恩根据经典热力学得出 ：短波吻合好,长波段不一致普朗克瑞利-金斯维恩T=1646k（a）维恩（Wein）的解释获得1911年诺贝尔物理学奖Date27（b）瑞利(Rayleigh）金斯（Jeans）的解释结论:在长波部分与实 验符合，短波部分不符 合。1900年, 瑞利和金斯用能量均分定理和电磁理论得出：-“紫外光的灾难”普朗克瑞利-金斯