量子物理
第9次开课
开课时间: 2024年10月14日 ~ 2025年01月10日
学时安排: 3-5小时每周
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spContent=“量子物理”,是描写微观物质的物理学理论,许多物理学理论和科学都是以“量子物理”内容为基础的。二十世纪初,为了解释黑体辐射、光电效应等新现象,人们突破经典物理观念,建立起微观粒子能量量子化、光和微观粒子具有波粒二象性等概念,在此基础上建立了“量子物理”理论。
“量子物理”,是描写微观物质的物理学理论,许多物理学理论和科学都是以“量子物理”内容为基础的。二十世纪初,为了解释黑体辐射、光电效应等新现象,人们突破经典物理观念,建立起微观粒子能量量子化、光和微观粒子具有波粒二象性等概念,在此基础上建立了“量子物理”理论。
—— 课程团队
课程概述

物理学是研究物质的基本结构、基本运动形式、相互作用以及转化规律的自然科学。它的基本理论渗透在自然科学的各个领域,应用于生产技术的许多部门,是其他自然科学和工程技术的重要基础。在人类追求真理、探索未知世界的过程中,物理学展现了一系列科学的世界观和方法论,深刻影响着人类对物质世界的基本认识、人类的思维方式和社会生活,是人类文明发展的基石,在人才的科学素质培养中具有十分重要的地位,不但作为一门学科知识推动了社会前进,更作为一种人文的大科学引领了公民素质的提高。

1900年普朗克首先提出量子概念,到今天已经一百多年了。期间,经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、玻恩、海森堡、薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努力,到20世纪30年代,逐步建立了一套完整的量子力学理论。从此,人们对微观粒子的运动规律认识进入了一个全新的阶段。如今,量子物理已成为近代物理,包括原子分子物理、核物理、粒子物理以及固体物理、激光物理、半导体物理、微电子技术、信息技术等科技领域的重要基础,也成为很多交叉学科,如量子化学、材料物理等领域的重要基础,被广泛应用于高新技术及工、农、医等领域。因此,量子物理是人们认识和理解微观世界的基础,也是当今开展高新科技创新、推动社会发展的重要基础。

本课程为大学物理基础理论课程,面向各学科大学生和有志强化自己物理知识的工程技术人员,主要学习量子理论建立发展史、量子物理的基本内容、系列典型问题的处理方法,学习量子力学理论成果的应用等,并力求拓展学习者的知识面。课程将从理论与实践的结合上讲清科学规律的发现、归纳与应用的整个过程,使学习者对量子物理有较为清晰和系统的认识,形成科学的世界观和认识论,并为后续量子理论系列课程的学习打好基础。

课程教学团队成员具有长期丰富的教学经验,包括国家教学名师、优青基金获得者以及国家和省级微课教学竞赛一、二等奖的获得者。

授课目标

当今,全球科技创新正呈现出新的发展态势和特征,量子物理作为物理学理论中的重要组成部分必将在物质结构、宇宙演化、生命起源等基础科学领域和信息技术、生物技术、新材料技术、新能源技术等方面发挥更加积极的基础性作用。

通过学习本门课程,学习者可以较为系统的学习掌握量子力学建立发展的历史、基本知识、基本原理、基本方法以及基本应用,通过观察、分析、综合、演绎、归纳、科学抽象、类比联想、实验等方法,较为系统的掌握对典型问题的研究方法,培养学习者掌握科学的学习方法,增强学习者获取知识、扩展知识和独立思考的能力,形成科学的世界观,提升分析和解决物质世界问题的能力。学习量子物理知识必将像“撬动地球的杠杆”一样,为启迪学习者的智能和兴趣发挥积极作用。

课程大纲

第一讲 典型实验及理论解释

1.1 热辐射 普朗克量子化假设

1.2 光电效应 爱因斯坦光电效应方程

1.3 康普顿效应

1.4 氢原子光谱 波尔氢原子理论

第二讲 德布罗意假设 不确定关系

2.1 德布罗意假设

2.2 不确定关系

第一单元测验

第三讲 薛定谔方程及典型问题的求解

3.1 薛定谔方程

3.2 一维势阱中运动的粒子

3.3 一维方势垒与隧道效应

3.4 氢原子的量子力学描述

3.5 塞曼效应

3.6 电子自旋 原子的电子壳层结构

第二单元测验

第四讲 矩阵力学概要

4.1 光谱强度和克喇摩斯色散理论

4.2 基本对易关系和矩阵力学框架

4.3 矩阵力学求解一维谐振子

第五讲 固体能带 激光

4.1 晶体与固体能带

4.2 绝缘体、半导体、导体 掺杂半导体

4.3 PN结与晶体管

4.4 微电子技术基础

4.5 光与原子的相互作用 粒子数反转态

4.6 激光器结构 阈值条件

4.7 纵模 横模

第三单元测验

第六讲 量子纠缠简介

6.1 量子纠缠基础简介

6.2 神奇的量子隐态传输

第七讲 冷冻电镜显微学技术应用前沿

7.1 冷冻透射电子显微学技术应用前沿1

7.2 冷冻透射电镜显微学技术应用前沿2

7.3 冷冻电镜应用案例

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预备知识

矢量分析、微积分、概率论基础、波的干涉、衍射知识等。

参考资料
  1. 《大学物理》吴百诗主编 高等教育出版社
  2. 《量子物理》(新概念物理教程)赵凯华 罗蔚英主编 高等教育出版社
  3. 《物理学导论》张汉状 倪牟翠主编 高等教育出版社 
  4. 《量子力学基本概念的发展》(第2版) 黄永义编著 中国科学技术大学出版社,2021.4.
常见问题

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西安交通大学
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王小力

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刘丹东

刘丹东

教授

黄永义

黄永义

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