量子力学的应用有哪些?

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老北风 春芽

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量子力学的应用
在许多现代技术装备中,量子物理学的效应起了重要的作用.从激光、电子显微镜、原子钟到核磁共振的医学图像显示装置,都关键地依靠了量子力学的原理和效应.对半导体的研究导致了二极管和三极管的发明,最后为现代的电子工业铺平了道路.在核武器的发明过程中,量子力学的概念也起了一个关键的作用.
　　在上述这些发明创造中,量子力学的概念和数学描述,往往很少直接起了一个作用,而是固体物理学、化学、材料科学或者核物理学的概念和规则,起了主要作用,但是,在所有这些学科中,量子力学均是其基础,这些学科的基本理论,全部是建立在量子力学之上的.
　　以下仅能列举出一些最显著的量子力学的应用,而且,这些列出的例子,肯定也非常不完全.实际上,在现代的技术中,量子力学无处不在.　　原子物理和化学
　　任何物质的化学特性,均是由其原子和分子的电子结构所决定的.通过解析包括了所有相关的原子核和电子的多粒子薛定谔方程,可以计算出该原子或分子的电子结构.在实践中,人们认识到,要计算这样的方程实在太复杂,而且在许多情况下,只要使用简化的模型和规则,就足以确定物质的化学特性了.在建立这样的简化的模型中,量子力学起了一个非常重要的作用.
　　一个在化学中非常常用的模型是原子轨道.在这个模型中,分子的电子的多粒子状态,通过将每个原子的电子单粒子状态加到一起形成.这个模型包含着许多不同的近似(比如忽略电子之间的排斥力、电子运动与原子核运动脱离等等),但是它可以近似地、准确地描写原子的能级.除比较简单的计算过程外,这个模型还可以直觉地给出电子排布以及轨道的图像描述.
　　通过原子轨道,人们可以使用非常简单的原则(洪德定则)来区分电子排布.化学稳定性的规则(八隅律、幻数)也很容易从这个量子力学模型中推导出来.
　　通过将数个原子轨道加在一起,可以将这个模型扩展为分子轨道.由于分子一般不是球对称的,因此这个计算要比原子轨道要复杂得多.理论化学中的分支,量子化学和计算机化学,专门使用近似的薛定谔方程,来计算复杂的分子的结构及其化学特性的学科.　　原子核物理学
　　原子核物理学是研究原子核性质的物理学分支.它主要有三大领域：研究各类次原子粒子与它们之间的关系、分类与分析原子核的结构、带动相应的核子技术进展.　　固体物理学
　　以上这些例子,可以使人想象出固体物理有多么多样性.事实上,凝聚态物理学是物理学中最大的分支,而所有凝聚态物理学中的现象,从微观角度上,都只有通过量子力学,才能正确地被解释.使用经典物理,顶多只能从表面上和现象上,提出一部分的解释.

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