3.2.5　 　量子学的应用和发展

量子力学建立后，应用它计算氢原子的光谱，获得巨大成功，其理论计算与实验结果完全符合。量子力学不仅可以正确地解释氢原子光谱，而且，还可以说明复杂原子的构造，解释复杂原子的光谱。这确实表明，量子力学是微观粒子所遵从的规律。

在量子力学发展的早期，就认识到它的应用不限于电子，对其它粒子也一样适用。1927年，美国物理学家康登应用量子力学解释了α衰变现象。这又称为隧道效应。在α粒子放射体中α粒子被约束在原子核内，其能量小于核对它的结束能量--势垒，按照经典理论，α粒子是不可能穿出原子核的。但是，按照量子力学，α粒子有穿过势垒的概率。这个概率即使很小，但不为零。对大量的原子核来说，总会有一小部分原子核的α粒子，穿透势垒而发射出来。理论计算为实验数据所证实。

量子力学在建立之初，就用于研究分子的结构。美国物理学家和化学家泡利阐明了化学键的本性，就是以量子力学为依据的。比如，对,CO等分子，原子之间的相互作用是量子力学效应。当两个氢原子互相靠近时，它们能量的减小在于相互吸引作用

而这是由于两个原子共享两个电子造成的。和电子波函数的对称性密切相关。量子力学可以算出分子的平衡距离为米，两个氢原子结合成氢分子时释放的能量为4.52电子伏。同样，量子力学也解释了共价键以外的结合键。这里不作具体介绍。

凝聚态物理，如液体和固体的构造理论，其导电与导热性能的解释，也是建立在量子力学基础之上的。比如研究电子在晶体中的运动，因为晶体点阵的周期性结构。电子受的力也具有空间的周期性，量子力学能揭示电子在晶体中的运动状态，就像一个原子中的电子可以处在不同的能级上，在固体中，电子可以在不同的能带上，能带有一定的宽度，代表一个能量范围。这就是能带理论。应用能带理论，可以成功地解释金属和半导体的导电特性。在近代，其实际应用几乎随处可见。

薛定谔方程是非相对论的，不能应用于高速的微观粒子。1928年，狄拉克建立了相对论的量子力学方程，称为狄拉克方程。它不仅成功地说明电子自旋的存在，而且还证明，对于每一种粒子，都存在相应的反粒子。电子的反粒子带正电，其他性质都和电子相同。1932年，美国物理学家安德森从宇宙射线中发现了正电子，证明了狄拉克理论的正确性，这是基本粒子广泛研究的开始。

　 基本粒子

§4、1、基本粒子

3.2.4　　 　概率密度与电子云 　

我们将以原子的稳定态为例，讨论一下由波函数所决定的电子在原子中的概率密度，这波函数就是由薛定谔方程求解出来的。因为是稳定态，所以和时间无关，说明在任何时候，电子出现在任一处的概率密度都相同。例如，氢原子处在基态时，电子经常出现的概率最大的地方，是以原子核为中心的一个球壳，这个球壳的半径为米，这个数值与玻尔原子理论计算出来的基态轨道半径相同，可见，玻尔的原子轨道只不过电子出现概率最大的地方。

电子核外的运动情况，通常用电子云来形象地描述。用小黑点的稠密与稀疏，来代表电子核外各处单位体积中出现的概率(即概率密度)的大小，这样就可以画出原子的电子云图。图11-8是氢原子基态的电子云。

看一下以核为中心的一层层很薄的球壳中电子出现的概率，在靠近原子核的地方，虽然云雾浓度较大，小黑点稠密，但是靠近原子核的一个薄球壳中包含的小黑点的总数不会很多，即电子出现在这个球壳中的概率不会很大，因为这个球壳的体积较小。在远

离原子核的地方，球壳的体积虽然较大，但是小黑点稀疏，因而出现在这个球壳中的概率不会很大。经过计算知道，在半径为米的一薄的球壳中电子出现的概率最大，就是玻尔理论中氢原子基态的轨道半径。

3.2.3　　 　　量子力学的基本规律--薛定谔方程　

　波函数是描写微观粒子的基本物理量，波函数所遵从的规律，就是量子力学的基本规律，它将决定粒子函数的特征，从而决定粒子的运动状态。正像在经典力学学里，粒子的位置和动量描写粒子的运动状态，牛顿运动定律决定了粒子的位置和动量如何变化，因而牛顿运动定律是经典力学的基本规律。

奥地利物理学家薛定谔(1887~1961)在1926年找到了遵从的规律，称为薛定谔方程。在应用数学形式描述电子的波粒二象性上，他从麦克斯韦电磁理论得到启发，认为电子的德布罗意波也可以应用类似于光波的方式加以描述。这个方程既描述了电子的波动行为，又蕴涵着粒子性特征。写出并求解薛定谔方程，超出本书的范围。不过，我们可以讨论一下有关结论。

波函数必须满足一些物理条件：作为描写粒子运动状态的应是时空坐标的单值函数，变化应是连续的，不能变为无限大，即应有界。这样，薛定谔方程的解，不但成功地解释了玻尔原子理论所能解释的现象，而且能够解释大量玻尔理论所不能解释的现象。玻尔的基本假设，在量子力学里是从理论上推导出来的必然结果。原来，在薛定谔方程中，只有原子中电子具有某些不连续的能量值时，方程的解才满足上述物理条件。由薛定谔方程解中得出的氢原子中电子能量的可能值，正好就是玻尔原子理论给出的值。

3．2．2、海森伯测不准原理

设一束自由粒子朝z轴方向运动，每一个粒子的质量为m，速度为v，沿z轴方向的动量P=mv。这一束自由粒子对应一个平面简谐波，在与z轴垂直的波阵面上沿任何一个方向(记为x方向)的动量取精确值。波阵面上各处振幅相同，每一个粒子在各处出现的概率相同，这意味着粒子的x位置坐标可取任意值，或者说粒子的x位置坐标不确定范围为。为了在波阵面的某个x位置“抓”到一个粒子，设想用镊子去夹粒子。实验上可等效地这样去做：在波阵面的前方平行地放置一块挡板，板上开一条与x轴垂直的狭缝，狭缝相当于一个并合不够严实的镊子。如果狭缝的宽度为△x，那么对于通过狭缝的粒子可以判定它的x位置不确定范围为△x。△x越小，通过狭缝粒子以x位置就越是确定。然而问题在于物质波与光波一样。通过狭缝即会发生衍射，出射波会在缝的上、下两侧散开，或者说通过狭缝的粒子既有可能继续沿x轴方向运动，也有可能朝x轴正方向或负方向偏转地向前运动。偏向的粒子必对应地取得x方向的非零动量，即有，这表明出射粒子在x方向的动量不再一致地为，因此x方向动量有不确定性，不确定范围可记为。缝越窄，△x越小，粒子的x位置越接近准确，但衍射效应越强，越大，粒子的x方向动量值越不准确。反之，缝越宽，△x越大，粒子的x位置越不准确，但衍射效应越弱，越小，粒子的x方向动量值越准确。总之，由于波动性，使粒子的x位置和x方向动量不可能同时精确测量，这就是测不准原理。

由近代量子理论可导出△x与之间的定量关系，这一关系经常可近似地表述为：

h

对y和z方向，相应地有：

,　　

有时作为估算，常将上述三式再近似取为：

在经典力学中，运动粒子任意时刻的位置和动量或者说速度都可以精确测定，粒子的运动轨道也就可以确定。在量子理论中，运动粒子在任意时刻的位置和动量或者说速度不能同时精确测定，粒子的运动轨道也就无法确定。微观世界中，粒子的运动轨道既然不可测，也就失去了存在的意义。如在经典力学中，可以说氢原子中的电子绕核作圆轨道或椭圆轨道运动。在量子力学中，只能说粒子在核周围运动，某时刻电子的位置可能在这里，也可能在那里。描述这种可能性的概率有一个确定的分布。即使在这一时刻于某一位置“捕捉”到了该电子，也不能预言下一时刻该电子会出现在什么位置，因为电子的运动没有可供预言的轨道。经典力学中一个粒子可静止在某一确定的位置，量子力学则否定了这种可能性。据测不准原理，如果一个粒子在x、y、z 坐标完全确定，即△x=△y=△z=0，那么它的x、y、z方向动量均不可为零，否则，与上面给出的关系式显然会发生矛盾。

例2、实验测定原子核线度的数量级为。试应用测不准原理估算电子如被束缚在原子核中时的动能。从而判断原子核由质子和电子组成是否可能。

取电子在原子核中位置的不确定量，由测不准原理得

由于动量的数值不可能小于它的不确定量，故电子动量考虑到电子在此动量下有极高的速度，由相对论的能量动量公式

故　　　　

电子在原子核中的动能。理论证明，电子具有这么大的动能足以把原子核击碎，所以，把电子禁锢在原子核内是不可能的，这就否定了原子核是由质子和电子组成的假设。

3．2．1、　 物质的二象性

①光的二象性：

众所周知，光在许多情况下(干涉、偏振、衍射等)表现为波动性，但在有些情况下(如光电效应、黑体辐射等)又表现为粒子字。因而对光完整的认识应是光具有波粒二象性。

一个光子的能量： E=hv　　 v是光的频率，h是普朗克常数

光子质量：　　　　 　　　

光子动量：　　　　

②德布罗意波

德布罗意把光的波粒二象性推广到实物粒子。他认为，波粒二象性是一切微观粒子共有的特性。第一个实物粒子在自由运动时所具有的能量为E、动量为p，这样的自由粒子必定对应一个振动频率为v、波长为λ的平面简谐波。这两组特征量之间的关系仍是

自由的实物粒子所对应的平面简谐波常称为物质波或德布罗意波，它的客观真实性已为许多实验所证实。

物质波的物理意义究竟是什么？波是振动状态在空间传播形成的，波在空间某处振动状态的强弱可用该处振幅的平方米来表征。对于光波，若某处振幅平方较大，则该处的光较强，光子数较多，这也意味着光子在该处出现的可能性较大，物质波也是如此。物质波若在某处振幅的平方较大，则实物粒子在该处出现的可能性较大，可能性的大小可定量地用数学上的概率大来表述，物质波各处振幅的平方便与粒子在该处出现的概率联系起来，这就是物质波的物理意义。

例1、试估算热中子的德布罗意波长。(中子的质量)热中子是指在室温下(T=300K)与周围处于热平衡的中子，它的平均动能

它的方均根速率，相应的德布罗意波长

这一波长与X射线的波长同数量级，与晶体的晶面距离也有相同的数量级，所以也可以产生中子衍射。

3、1、3　　 电子及其他粒子的波动性　

我们已经了解到，玻尔把普朗克的量子论和爱因斯坦的光子理论，应用到原子系统上，于1913年提出了原子理论。按照玻尔理论，原子中存在着分立的能级，电子从某一能级向另一能级跃迁时，发射或吸收一个光子。这与经典物理的概念也迥然不同。这就启发人们：组成原子的粒子，如电子，必然不是经典意义下的粒子，所遵从的规律也不同于经典物理的规律。在光具有波粒二象性的启发下，法国物理学家德布罗意提出一个问题：“在光学中，比起波的研究方法来，如果说过于忽视粒子的研究方法的话，那么，在粒子的理论上，是不是发生了相反的错误，把粒子的图象想得太过分，而过分忽视了波的图象呢？”接着，他在1924年提出了一个假说，认为波粒二象性不只是光子才有，一切微观粒子，包括电子、质子和中子，都有波粒二象性。他指出：具有质量m和速度v的运动粒子也具有波动性，这种波长等于普朗克恒量h 与粒子mv动量的比，即λ=h/mv。这个关系式称做德布罗意公式。根据德布罗意公式，很容易算出运动粒子的波长。后来又用原子射线和分子射线做类似的实验，同样得到了衍射图样。质子和中子的衍射实验也做成功了。这就证明了一切运动的微观粒子都具有波粒二象性，其波长与动量的关系都符合德布罗意公式。粒子的波动性又称为德布罗意波或物质波。我们不能把电子等微观粒子视为经典的粒子，也不能把物质波视为经典的波。试验和论理的进一步研究发现，电子等微观粒子的波动性与声波或电磁波的特性并不完全相同，它们遵从的规律也不一样，这就导致了量子力学的诞生。

§3、2　　 量子力学初步

3．1．2、　　　 爱因斯坦光子理论 　

　因为电磁波理论也不能解释光电效应，在普朗克量子论的基础上，爱因斯坦于1905年提出了光子概念。他认为光的传播能量也是不连续的，而是一份一份的，每一份能量称为一个光子，即光是由光子组成的，频率为v光的光子能量等于hv，h为普朗

克常量。光子理论圆满地解释了光电效应。人们对光本性的认识前进了一步：光具有波粒二象性。在经典物理中，波是连续的，粒子是分立的，二者不相容。所以，不能把光看作经典物理中的波，也不能把光看作经典物理中的粒子。故此，有了爱因斯坦光电方程：

W为逸出功，γ为光子频率， m为光电子质量。

3．1．1、　　　 3．1．1、　　　 普朗克量子论　

　一切物体都发射并吸收电磁波。物体发射电磁波又称热辐射，温度越高，辐射的能量越多，辐射中短波成份比例越大。完全吸收电磁辐射的物体发射电磁辐射的本领也最强，称这种理想的物体为黑体。研究黑体辐射电磁波长的能量与黑体温度以及电磁波波长的关系，从实验上得出了著名的黑体辐射定律。

假设电磁辐射是组成黑体的谐振子所发出，按照经典理论，谐振子的能量可以连续地变化，电磁波的能量也是可以连续变化的，但是理论结果与实验定律相矛盾。1900年，德国物理学家普朗克提出了量子理论：黑体中的振子具有的能量是不连续的，从而，他们发射或吸收的电磁波的能量也是不连续的。如果发射或吸收的电磁辐射的频率为v，则发射或吸收的辐射能量只能是hv的整倍数，h为一普适常量，称为普朗克常量，普朗克的量子理论成功地解释了黑体辐射定律，这种能量不连续变化的概念，是对经典物理概念的革命，普朗克的理论预示着物理观念上革命的开端。

2．7．2、　 半导体的导电性

(1)半导体的导电性

导电性能介于导体和绝缘体之间的一类物质被称为半导体，如硅、锗、氧化亚铜等。以硅为例，硅是四价元素，硅原子最外层四个价电子，在形成单晶硅时，每个原子都以四个价电子与相邻的四个原子联系。相邻的两个原子就有一对共有电子，形成共价键。如图2-7-1所示。共价键中电子是被束缚的。但是由于热运动，极少数电子可能获得足够大能量，挣脱成为自由电子，同时共价键中留下一个空位叫空穴，原子是中性的，失去电子后可以看作空穴带正电，如图2-7-2所示。这个空穴很容易被附近共价键中束缚电子填补，形成新的空穴，束缚电子的填补运动叫空穴运动，在纯净的半导体中，自由电子和空穴是成对出现，叫电子--空穴对。半导体的导电是既有电子导电，又有空穴导电。但由于纯净的半导体中，电子--空穴对数目较少，导电性差。

但采取某些措施如加热或光照，可使更多电子挣脱束缚，形成更多电子一空穴对，导电能力大大增强，这种性质称为热敏特性和光敏特性。同样在纯净半导体中掺入其他元素，也能使半导体的导电性能加强。

(2)N型半导体、P型半导体及P-N结

在纯净的硅中掺入微量的五价元素如磷、砷等，一些硅原子空间位置被五价的原子代替如磷原子。磷在与周围硅原子形成共价键时多出一个电子，很容易成为一个自由电子，相应原子失去电子成为正离子。这类半导体由于磷的掺入自由电子数目显著增多，导致电子浓度比空穴浓度要大得多，因而它主要靠电子导电，叫做电子型半导体或N型半导体。

在纯净的硅中掺入微量三价元素如铟、镓、硼等，同样在晶体中一些硅原子会被它们取代。由于形成共价键时缺少一个电子，附近共价键中电子很容易来填补，使得它们成为负离子，同时形成一个空穴。三价元素的

掺入使空穴的数目增加，这类半导体中空穴浓度要比自由电子浓度大得多，导电主要是空穴导电，因而被称为空穴型半导体P型半导体。

当采用特殊工艺使半导体一侧为P型半导体，另一侧成为N型半导体，由于N型半导体中电子浓度大，而P型半导体中空穴浓度大，结果发生扩散运动，N区由于跑掉电子留下正离子，P区跑掉空穴留下负离子，在它们的交界处附近形成一个电场，如图2-7-3所示，显然这个电场区是阻止它们扩散的，当该阻挡层达稳定时，扩散运动达到动态平衡，这个电场区阻挡层叫PN结。在PN结的N区和P区各引一电极就构成一晶体二极管。晶体二极管对应正、负极及符号如图2-7-4所示。

晶体二极管加正向电压时(P接电源“+”极，N接电源“-”极)，外电场与阻挡电场叠加，使PN结阻挡层变薄，这时P区空穴、N区电子又可顺利通过PN结，且外加电压大，这种作用对电子、空穴运动更有利。而电压反向时，会使阻挡层加厚，只有P区自由电子和N区空穴能通过PN结形成反向电流，但是它们的浓度太小，粗略地认为几乎没有反向电流。因而二极管表现为单向导电特性，其伏安特性曲线如图3-2-5所示。

(3)晶体三极管

晶体三极管由两个PN结、三个电极线和管壳构成，分PNP型和NPN型两类，如图2-7-6所示。它的三个电极e、b、c分别称为发射极、基极、集电极。三极管特性是放大作用，联接电路如图2-7-7所示。微小的基极电流变化能引起集电流较大变化。所以在输入端加一个较弱的信号，在输出端R_c 上得到一个放大的强信号。

三极管电流分配关系

放大倍数β　

例3、如图2-7-8所示，电阻，电动势，两个相同的二极管串联在电路中，二极管D的特性曲线如图2-7-9所示，试求：

(1)通过二极管D电流；

(2)电阻消耗的功率。

分析： 二极管属于非线性元件，它的电阻是随其不同工作点而不同。所以应当根据电路特点确定由电路欧姆的律找出其关系，在其特性曲线上作出相应图线，两根图线的交点即为其工作点。

解：　 设二极管D两端电压，流过二极管电流为，则有

代入数据解得与的关系为

在二极管特性曲线上再

作出上等式图线，如图2-7-10所示。　　　　　 图3-2-10

由图可见，两根图线交点P就在此状态下二极管工作点。

电阻上的电压为

其功率为　　

(4)电子电量的确定

按法拉第电解定律

按当今电子论的观点：一个电子所带的电量为e，在电解池中通过电量Q时，阴极板将向溶液提供个电子，这些电子可以使个化合价为的正离子还原。由于每析出N个原子(N是阿伏伽德罗数)，可以在极板上得到M克物质。因此电解池通过电量Q时所析出的物质质量为

比较以上二式得

　 或　 　

上式把法拉第恒量F、电子电量e、阿伏伽德罗数N三者联系起来，只要用实验精确测量出法拉第恒量F、阿伏伽德罗数N，就可以计算出电子的电量了。

2．7．1、导体的导电性

(1)金属中的电流

金属导体内的电流强度与自由电子的平均定向运动速率有关。设金属导体的横截面积为S，单位面积内自由电子的数密度为n，自由电子的平均定向运动速率v，电子电量为e，则

由上式可估算出电子的定向运动速率是很小的，一般为数量级，与电子热运动的平均速率(约数量级)和“电的传播速率”(即电场的传播速率，为)不能混为一谈。

(2)。液体中的电流

液体导电包括液态金属导电与电解质导电两种。电解质导电与金属导电的机理不同，固态金属导电跟液态金属(如汞)导电的载流子是自由电子，在导电过程中，金属本身不发生化学变化，而电解质导电的载流子是正负离子，在导电过程中，伴随着电解现象，在正负极板处同时发生化学反应(即电解)。

英国物理学家、化学家法拉第，通过大量的实验，在1833年总结出了两条电解定律。电解质导电时，所析出物质的质量m跟通过电解液的电流强度I成正比，跟通电时间t成正比，就这是法拉第电解第一定律。由于，法拉第电解第一定律也可表述为：电解时析出物质的质量m跟通过电解液的电量Q成正比，用公式表示为

式中比例恒量k叫做电化当量，其物理意义是：通过1C电量时，所析出这种物质的质量。

各种物质的电化当量跟它的摩尔质量M成正比，跟它的化合价n成正比。这就是法拉第电解第二定律。而在化学中，我们常将称为“化学当量”。因此，法拉第电解第二定律又可简述为：各种物的电化当量与它的化学当量成正比，

即　　　　　　

例如一价银的化学当量等于它的摩尔质量，二价铁的化学当量等于它的摩尔质量0.065 546 kg/mol除以它的化合价，得0.031 772 kg/mol。上式中的比例恒量C是一个普通恒量，对各种物质都是相同的，称为“法拉第恒量”，用F表示。因此，法拉第电解第二定律又可以表示为

实验指出，对于任何物质，都有，将上式代入电解第一定律可得

这就是法拉第电解定律的统一表达式。当析出物质的质量m等于该物质的化学当量，则F与Q在数值上相等。

例12、　 把的食盐溶解在1L的水中，测得44%的食盐分子发生电离。若钠离子的迁移率(单位电场强度所产生的平均速率)为，氯离子的迁移率为。求食盐溶液的电阻率。

分析：　 由于溶液中的电流是正、负离子共同提供的，所以溶液中导电电流微观表达式为

根据欧姆定律、电阻定律可以导出电阻率与钠离子、氯离子迁移率之间的关系，利用分子动理论求出离子体密度，代入数据可求解食盐溶液的电子率。

解：　 根据溶液中电流的微观表达式

根据欧姆定律、电阻定律

得：　　　　　

又由分子动理论，求得离子体密度n

为电离率，M为摩尔质量，N为阿伏加德罗常数。

(3)气体中的电流

①通常情况下，气体不导电。只有在电离剂存在或极强大的电场情况下，气体才会被电离而导电。气体导电既有离子导电，又有电子导电。气体导电不遵从欧姆定律。

②由于引起气体电离的原因不同，可分为被激放电和自激放电。在电离剂(用紫外线、X射线或放射性元素发出的放射线照射或者用燃烧的火焰照射气体)的作用下，发生的气体放电现象叫做被激放电。没有电离剂作用而在高电压作用下发生的气体放电现象叫做自激放电。

各种自激放电形式的区别如下表

种种自激放电形式间的联系主要表现在它们之间可以转化。在放电电流很强时，辉光放电可以变成弧光放电。若电源的功率很大时，火花放电可以变成弧光放电。