量子物理学

量子物理学是物理学的一个分支，研究的是物质和能量。物质由大量振荡的粒子组成，它们以不同的频率振动。这些物质粒子具有任何频率和振动的数值。

能量以称为量子的包裹形式存在。这些包裹不能再进一步分割成组件。因此，量子物理学是一种基于理论概念的现代物理学。

量子物理学与量子力学

量子力学是从量子物理学的基础发展而来的。量子物理学是对原子层面的粒子和物质的研究，而量子力学是对特定层面上粒子和物质的研究。我们也可以说它是对亚原子层面的研究。

让我们来讨论一下量子物理学和量子力学的发展。

在早期，量子物理学及其定律无法遵循经典力学定律。因此，它被命名为量子理论。它是一种理论方法，而不是实践方法。因此，我们可以说量子物理学通常被称为量子理论。

大约在20世纪20年代，物理学家们发展了描述量子理论的数学定律。在这些定律发展之后，物理学家们称之为量子力学或经典力学。

因此，我们可以说量子物理学与量子力学相似。区别在于理论和数学计算。

在这里，我们将主要讨论量子理论，它指的是理论上的量子力学。本主题讨论的主题如下

历史

黑体

辐射量子理论

不确定性原理

薛定谔方程

对称性

量子态

狄拉克方程

光子的性质

光子与物质粒子碰撞

光电效应

长波长

光电子的动能

光电电池的类型

历史

• 迈克尔·法拉第于1838年发现阴极射线，促成了黑体辐射定律的形成。
• 量子理论是由马克斯·普朗克（德国物理学家）于1900年左右提出的，当时他正试图找出黑体辐射曲线的形状。
• 爱因斯坦在1905年左右扩展了量子理论。它涵盖了所有辐射，包括X射线和伽马射线。
• 在17世纪末，牛顿发展了微粒说。根据该理论，光由一束看不见的快速移动的粒子组成，称为微粒。
• 大约在1864年，麦克斯韦电磁理论遵循了这一理论。根据麦克斯韦理论，光由源自电运动的电和磁应力变化组成。
• 量子物理学在现代已被进一步修改为量子力学。
• 大约在20世纪20年代，量子力学成为原子物理学的标准表述。
• 它包含量子化学、量子电子学等各个学科。它为现代技术提供了有用的框架。例如，描述化学键合和半导体中电子的行为以及超导体中的宏观现象。

黑体

黑体或表面是热的良好吸收体。这意味着它也是热辐射的良好吸收体。物理学家定义的黑体并不是一个完美的物体。它被定义为一个能够吸收落在其上的所有波长的物体。黑体发出的辐射称为黑体辐射。

辐射量子理论

在马克斯·普朗克于1900年发展了量子理论之后，爱因斯坦在1905年左右扩展了该理论。普朗克对黑体辐射的研究得出结论，热能的吸收或发射不是一个连续的过程。它以离散的形式进行。

根据爱因斯坦的理论，

• 光能量由称为量子的不可分割的辐射能量量发出。
• 量子以包裹或束的形式在空间中传播。
• 这些包裹称为光子。它携带一定量的能量。

特定光子携带的能量由以下公式给出

E = hf

其中，

h 是普朗克常数。

f 是辐射频率。

例如：

光子可以是高频的也可以是低频的。高频光子是伽马射线的，而低频光子是无线电波的。

量子态

量子态被定义为提供结果概率分布的实体。它针对系统可能进行的每一次测量进行计算。对量子态的了解有助于我们预测系统的行为。

量子态分为纯量子态和混合量子态。纯量子态不能写成其他态的混合，而混合量子态可以表示为其他态或混合态的形式。

设二维向量分量为a和b。纯量子态可以表示为

|a|^2 + |b|^2 = 1

其中，

|a| 和 |b| 称为 a 和 b 的绝对值。

不确定性原理说明了各种测量的概率分布。不确定性原理说明了各种测量的概率分布。它是一个数学不等式，可以确定某些物理量，例如动量、位置、粒子和初始条件。

不确定性原理由德国理论物理学家维尔纳·卡尔·海森堡于1927年提出。

薛定谔方程

薛定谔方程描述了电子在空间和时间中的位置和能量。它被定义为一个数学表达式，以奥地利-爱尔兰物理学家埃尔温·薛定谔的名字命名。

单变量一维薛定谔方程表示为

上述方程的波函数为x点和每个时间t实例分配一个复数。

其中，V(x, t) 是势能，m 是粒子的质量。H 是普朗克常数。

感兴趣的物理量是作用在希尔伯特空间上的算符。这些量包括位置、动量和能量。

时间相关薛定谔方程表示为

其中，

希腊字母 psi 是状态向量。

T 是时间。

H 是哈密顿算符。

哈密顿算符对应于系统的动能和势能。这两种能量共同构成了系统的总能量。概率密度函数可以表示为波函数绝对值的平方。

光子的性质

让我们讨论一些光子的性质。

• 能量
  光子的能量由hf表示。它对不同种类的辐射是不同的。根据量子物理学，光子的能量始终被认为是 hf 的整数倍。
  其中，
  E = nhf
  但是，这在量子力学中是不同的。根据量子力学，光子的能量表示为
  E = (n + ½) hf
  n 和 f 是整数值和频率。
  光子的能量取决于辐射的频率。这意味着光子的能量与强度无关。
• 光子的质量
  质能关系表示为
  E = mc^2
  其中，
  m 是光子的质量
  c 是光速
  m = E/ c^2
  m = hf / c^2
  我们也可以写成
  
• 光子的动量
  动量可以表示为
  P = mc
  P = hf / c^2
  我们也可以写成
  

光子是电中性的。这意味着光子在电场和磁场的作用下不受影响。测量光子能量或强度的方法与测量其他载流子的常规方法不同。

光子与物质粒子碰撞

当光子与物质粒子碰撞时，能量守恒定律适用。光子在碰撞过程中可以消失或出现，如下所示

上图显示了光子的移除或消失。

同样，上图显示了光子的出现。我们也可以说光子可以被创造或销毁。

我们知道光子的能量由下式给出

E = hf

其中，

h 是普朗克常数，f 是辐射频率。

光子损失或获得的动能为 ½ mv^2。

K.E. = ½ mv^2

其中，

m 是粒子的质量

v 是速度

根据能量守恒定律，

hf = ½ mv^2

如果物质粒子带电并由电势差 V 加速，则动能为 eV。

hf = eV

因此，我们可以说

½ mv^2 = hf = eV

从上式，我们可以轻松找出带电物质粒子的速度和辐射的频率。

带电物质粒子的速度

1. 发射辐射的频率

当加速带电粒子撞击金属表面时，会发射出辐射的频率。该关系可表示为

hf = eV

光电效应

光电效应定义为当适当波长的辐射或光照射到金属表面时，电子从金属表面发射出来的过程。发射出的电子与普通电子没有区别。当辐射照射到金属表面后电子被发射出来时，就用光电子一词来描述。

长波长

对应于阈值频率的波长称为长波长。它表示为

大于长波长的入射辐射波长将无法从给定的材料中发射出电子。它可以表示为

这意味着入射辐射的波长小于长波长可以从给定的材料中发射出电子。这种波长也称为阈值波长。

其中，

fo 是阈值频率。它被定义为能够引起光电发射的最小频率。

Wo 是光电功函数。

h 是普朗克常数。

c 是光速。

光电子的动能

爱因斯坦的光电方程可用于找出发射出的光电子的速度和动能。

hf = Wo + ½ mv^2

= hfo + K.E.

K.E. = hf - hfo

K.E. = h (f - fo)

我们知道：

因此，我们可以将上述方程写成

光电电池的类型

光电电池将光能转化为电能。电路包括两个电极（阴极和阳极）和一个真空玻璃管。

光电电池分为

• 光发射电池
• 光伏电池
• 光电导电池

让我们详细讨论以上三种电池。

光发射电池

光发射电池包含两个金属电极（阴极和阳极），它们安装在一个类似于热离子阀的底座上，如下图所示

当阴极被照明时，从阴极发射出的电子被正极阳极吸引。因此，通过电子流产生的电流的大小取决于入射辐射的强度和阳极到阴极的电压。

光发射电池的用途包括光度学、量热学等。

光伏电池

光伏电池使用半导体触点而不是金属。入射光会引起内部电压的产生。即使外部电池未连接到电路，它也会导致电流流动。

光伏电池的电路如下图所示

它不需要任何外部电池即可运行，这是它的主要优点。常见的_光伏电池是铁硒电池或铜-CuO2电池。这些电池产生的电流足够大，可以测量。因此，它用于便携式测光表、低电阻继电器等应用。

光电导电池

光电导电池的性能基于半导体的电阻率。光电导电池的最简单形式如下所示

当这些受到照射时，电阻率会降低。这意味着半导体具有低辐射电阻。照射是指物质暴露于辐射。

常用的电池是 CdS 电池，如下所示

光电导电池由两个电极和半导体材料组成。当光照射到电池上时，其电阻降低，电流增大。当没有照明时，电流会变小。

光电导电池用于检测舰船和飞机等应用。

量子理论的应用

量子理论的概念是我们日常生活中的各种应用的基础。一个常见的例子是计算机的使用。计算机的工作原理基于量子物理学。

其他应用包括量子光学、量子化学、量子计算、光放大器、超导磁体、激光、超导磁体、晶体管、半导体等。