目錄
第1章 量子與黑體輻射
1.1 黑體輻射的概念 1
1.2 黑體輻射的實(shí)驗(yàn)規(guī)律 2
1.3 黑體輻射的經(jīng)典理論 6
1.4 黑體輻射的研究
1.4.1 維恩的理論 8
1.4.2 瑞利-金斯 9
1.4.3 瑞利-金斯公式 14
1.5 普朗克的公式
1.5.1 普朗克公式的形式 20
1.5.2 普朗克公式的推證 20
1.6 黑體輻射公式的應(yīng)用
1.6.1 波長分布的峰值 22
1.6.2 黑體的角量子論 23
第2章 光子 神秘的粒子——光的本性
2.1 光是什么
2.1.1 光的微粒說 27
2.1.2 光的波動說 27
2.1.3 光的量子說 28
2.1.4 波粒二象性 31
2.2 算符的對易關(guān)系
2.2.1 算符對易關(guān)系的意義 34
2.3 算符的對易關(guān)系
2.3.1 坐標(biāo)和動量的對易關(guān)系 38
2.3.2 角動量的對易關(guān)系 41
2.3.3 電子自旋的對易關(guān)系 42
2.4 算符的應(yīng)用
2.4.1 角動量的應(yīng)用 43
2.5 幾個簡單的例子
2.5.1 自由粒子 45
2.5.2 諧振子 54
2.5.3 氫原子及類氫離子 58
2.5.4 矩陣力學(xué)的幾個要點(diǎn) 59
2.6 能量-時間的不確定關(guān)系
2.6.1 作為單縫衍射不確定關(guān)系的推證 58
2.6.2 作為一般的推導(dǎo)方法 59
2.6.3 關(guān)于測不準(zhǔn)關(guān)系的討論 60
第3章 粒子 微觀世界的另一半——實(shí)物粒子
3.1 從“粒子”到“波”
3.1.1 德布羅意的假設(shè) 66
3.1.2 德布羅意的驗(yàn)證 70
3.1.3 波函數(shù)的歸一化和物理意義 72
3.2 薛定諤方程的建立
3.2.1 定態(tài)薛定諤方程 73
3.2.2 自由粒子的波函數(shù) 76
3.2.3 定態(tài)薛定諤方程的求解 80
3.2.4 薛定諤方程的本征解 82
3.3 幾個簡單的例子
3.3.1 勢阱中的粒子——分立能級 90
3.3.2 隧道效應(yīng) 91
3.3.3 諧振子 92
3.3.4 與氫原子的比較 93
第4章 原子 微觀世界的基石
4.1 早期量子論的方法與結(jié)論
4.1.1 玻爾的量子論 94
4.2 元素周期表
4.2.1 元素的周期性 97
4.3 原子殼層
4.3.1 泡利不相容原理 104
4.3.2 原子的電子組態(tài) 105
4.3.3 朗德間隔定則 107
4.3.4 原子的磁矩 108
4.3.5 塞曼效應(yīng) 111
4.3.6 隧道效應(yīng) 111
4.3.7 核磁共振 112
4.3.8 掃描隧道顯微鏡 115
4.3.9 原子鐘 116
4.3.10 原子干涉儀 119
4.4 分子 化學(xué)鍵與分子的結(jié)構(gòu)
4.4.1 離子鍵 121
4.4.2 共價鍵 121
4.4.3 金屬鍵 122
4.4.4 范德瓦爾斯鍵 125
4.5 固體 晶體的結(jié)構(gòu)
4.5.1 晶體的微觀結(jié)構(gòu) 126
4.5.2 晶體的宏觀對稱性 130
4.6 電子與光的相互作用
4.6.1 光電效應(yīng) 136
4.6.2 康普頓散射 140
4.7 自發(fā)發(fā)射、受激發(fā)射、激光
4.7.1 自發(fā)發(fā)射與受激發(fā)射 141
4.7.2 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、光放大和激光 142
第5章 電子 神奇的粒子——自旋和磁矩
5.1 泡利不相容原理
5.1.1 泡利不相容原理的提出 145
5.1.2 泡利不相容原理的內(nèi)容 150
5.1.3 泡利不相容原理的應(yīng)用 152
5.2 電子的自旋角動量
5.2.1 自旋角動量的發(fā)現(xiàn) 154
5.2.2 自旋角動量的性質(zhì) 158
5.3 電子的自旋磁矩
5.3.1 自旋磁矩的提出 159
5.3.2 自旋磁矩的性質(zhì) 160
5.3.3 自旋磁矩的測量 163
5.4 電子自旋的相對論量子力學(xué)描述
5.4.1 電子自旋的相對論量子力學(xué)描述 167
5.5 電子的自旋角動量是電子的固有屬性
5.5.1 電子的自旋角動量是電子的固有屬性 172
第6章 固體 電子的海洋——能帶理論
6.1 自由電子模型 176
6.2 三維自由電子模型 177
6.3 能帶理論的基本思想 178
6.4 能帶形成的機(jī)制 180
6.5 能帶理論的成功與應(yīng)用 182
6.6 金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶結(jié)構(gòu) 185
6.7 電子的能態(tài)密度 187
6.8 電子的熱容量 190
6.9 半導(dǎo)體 194
6.9.1 半導(dǎo)體的基本性質(zhì) 195
6.9.2 半導(dǎo)體的實(shí)際應(yīng)用 196
6.9.3 半導(dǎo)體的載流子的輸運(yùn) 199
第7章 原子核 物質(zhì)的更深層次
7.1 原子核的組成 204
7.2 原子核的性質(zhì) 207
7.3 原子核的結(jié)合能 215
7.4 原子核的衰變 215
7.5 原子核的裂變 216
7.6 原子核的聚變 221
7.7 原子核的輻射 223
7.8 原子核的磁矩 225
7.9 原子核的宇稱 226
7.10 穆斯堡爾效應(yīng) 227
7.11 核磁共振 230
第8章 粒子 物質(zhì)的最小單元
8.1 粒子的發(fā)現(xiàn) 230
8.2 粒子的分類 231
8.2.1 輕子 232
8.2.2 強(qiáng)子 234
8.2.3 規(guī)范玻色子 237
8.3 粒子的相互作用 238
8.3.1 強(qiáng)相互作用 240
8.3.2 電磁相互作用 243
8.3.3 弱相互作用 245
8.4 粒子的對稱性 247
8.4.1 對稱性的基本性質(zhì) 247
8.4.2 守恒量 250
8.5 粒子的分類 252
8.5.1 輕子 253
8.5.2 強(qiáng)子 254
8.5.3 規(guī)范玻色子 257
8.5.4 希格斯粒子 259
第9章 量子糾纏 神奇的量子現(xiàn)象
9.1 量子糾纏的提出 261
9.2 量子糾纏的制備 262
9.3 量子糾纏的特性 263
9.4 量子糾纏的應(yīng)用 269
第10章 量子信息 量子世界的新應(yīng)用
10.1 量子比特 275
10.2 量子隱形傳態(tài) 277
10.3 量子密碼 280
10.3.1 經(jīng)典密碼系統(tǒng) 281
10.3.2 量子密碼系統(tǒng) 282
10.4 量子計算 285
10.4.1 量子算法 287
10.4.2 量子計算機(jī)的物理實(shí)現(xiàn) 288
第11章 量子測量 量子世界的觀測
11.1 量子測量的基本原理 291
11.1.1 態(tài)的坍縮與測量公設(shè) 291
11.1.2 測量的數(shù)學(xué)描述 292
11.1.3 測量的物理過程 294
11.1.4 測量的結(jié)果 295
11.2 量子測量的類型 298
11.2.1 投影測量與一般測量 298
11.2.2 混合態(tài)的測量與正交測量 299
11.3 量子測量的應(yīng)用 305
11.3.1 量子測量的一個例子 305
11.3.2 量子測量的應(yīng)用 309
11.4 量子測量的極限 319
11.4.1 量子測量的極限 319
11.4.2 量子測量的海森堡極限 320
11.4.3 量子測量的散粒噪聲極限 323
11.4.4 量子測量的壓縮極限 325
11.4.5 量子測量的標(biāo)準(zhǔn)量子極限 327
11.5 量子測量的應(yīng)用 329
11.5.1 量子精密測量 330
11.5.2 量子傳感 332
11.5.3 量子成像 334
11.5.4 量子通信 339
11.5.5 量子計算 340
第12章 量子場論 粒子物理的基石
12.1 量子場論的基本思想 349
12.2 經(jīng)典場論的量子化 351
12.2.1 標(biāo)量場的量子化 352
12.2.2 電磁場的量子化 359
12.2.3 電子場的量子化 371
12.3 量子場論的對稱性 379
12.3.1 對稱性的基本概念 380
12.3.2 對稱性與守恒律 382
12.3.3 對稱性的自發(fā)破缺 388
12.4 量子場論的應(yīng)用 391
12.4.1 量子電動力學(xué) 391
12.4.2 量子色動力學(xué) 395
12.4.3 電弱統(tǒng)一理論 401
12.4.4 標(biāo)準(zhǔn)模型 406
12.5 量子場論的發(fā)展 410
12.5.1 量子場論的早期發(fā)展 410
12.5.2 量子場論的現(xiàn)代發(fā)展 412
12.5.3 量子場論的挑戰(zhàn)與展望 416
第13章 量子引力 探索時空的量子本質(zhì)
13.1 量子引力的基本問題 419
13.2 量子引力的主要理論 421
13.2.1 圈量子引力 421
13.2.2 弦理論 424
13.2.3 其他量子引力理論 428
13.3 量子引力的實(shí)驗(yàn)探索 430
13.3.1 量子引力的觀測效應(yīng) 430
13.3.2 量子引力的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 432
13.4 量子引力的哲學(xué)意義 434
13.4.1 時空的本質(zhì) 434
13.4.2 量子引力與哲學(xué) 436
第14章 量子宇宙學(xué) 探索宇宙的起源與演化
14.1 宇宙的起源 439
14.1.1 大爆炸理論 439
14.1.2 宇宙的暴脹 442
14.2 宇宙的演化 445
14.2.1 宇宙的膨脹 445
14.2.2 宇宙的結(jié)構(gòu)形成 448
14.3 量子宇宙學(xué)的基本概念 451
14.3.1 時空的量子化 451
14.3.2 宇宙的波函數(shù) 453
14.4 量子宇宙學(xué)的主要理論 455
14.4.1 哈特爾-霍金無邊界假設(shè) 455
14.4.2 其他量子宇宙學(xué)理論 457
14.5 量子宇宙學(xué)的觀測檢驗(yàn) 459
14.5.1 宇宙微波背景輻射 459
14.5.2 宇宙的大尺度結(jié)構(gòu) 462
14.5.3 引力波 464
第15章 黑洞 時空的奇點(diǎn)
15.1 黑洞的概念 472
15.2 黑洞的形成 475
15.2.1 恒星的演化 475
15.2.2 黑洞的形成過程 479
15.3 黑洞的性質(zhì) 482
15.3.1 黑洞的質(zhì)量 482
15.3.2 黑洞的電荷 484
15.3.3 黑洞的角動量 486
15.4 黑洞的熱力學(xué) 487
15.4.1 黑洞的溫度 487
15.4.2 黑洞的熵 489
15.5 黑洞的量子效應(yīng) 492
15.5.1 黑洞的霍金輻射 492
15.5.2 黑洞的信息悖論 498
15.5.3 黑洞的量子引力效應(yīng) 502
15.6 黑洞的觀測 505
15.6.1 黑洞的間接觀測 505
15.6.2 黑洞的直接觀測 508
15.6.3 黑洞的多信使觀測 514
15.7 黑洞的研究意義 517
15.7.1 黑洞與引力波 517
15.7.2 黑洞與量子引力 519
第16章 中微子 幽靈粒子
16.1 中微子的標(biāo)準(zhǔn)模型 528
16.1.1 中微子的產(chǎn)生 528
16.1.2 中微子的性質(zhì) 529
16.2 中微子的振蕩 532
16.2.1 中微子的質(zhì)量 532
16.2.2 中微子的振蕩機(jī)制 537
16.3 中微子實(shí)驗(yàn) 533
16.3.1 實(shí)驗(yàn)裝置與探測原理 533
16.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 536
16.4 中微子振蕩的量子理論 538
16.4.1 中微子的味本征態(tài) 538
16.4.2 中微子的質(zhì)量本征態(tài) 540
16.4.3 中微子振蕩的物理意義 542
16.4.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 545
16.4.5 關(guān)于實(shí)驗(yàn)的說明 547
16.5 中微子振蕩的新進(jìn)展 548
16.6 中微子研究的新意義 558
16.6.1 中微子的質(zhì)量上限 558
16.6.2 中微子的質(zhì)量本征態(tài) 559
16.6.3 中微子的味本征態(tài) 562
16.6.4 高能中微子的產(chǎn)生 564
16.6.5 高能中微子的探測 565
16.6.6 中微子的“標(biāo)準(zhǔn)模型”粒子數(shù) 565
16.6.7 中微子的自旋性質(zhì) 566
16.7 中微子技術(shù)的應(yīng)用前景 562
16.7.1 核反應(yīng)堆的應(yīng)用前景 563
16.7.2 海洋的應(yīng)用前景 564
16.7.3 其他可能的應(yīng)用 564
第17章 核 應(yīng)用的廣闊前景
17.1 核技術(shù)的應(yīng)用 566
17.2 放射性化學(xué)與核化學(xué) 570
17.3 核醫(yī)學(xué) 574
17.4 核工業(yè) 577
17.4.1 核燃料的生產(chǎn) 577
17.4.2 核反應(yīng)堆的原理 580
17.4.3 核反應(yīng)堆的類型 583
17.4.4 核裂變的應(yīng)用 587
17.4.5 核聚變的應(yīng)用 589
17.5 核技術(shù)的不同方法 591
17.5.1 粒子束治療法 592
17.5.2 粒子束診斷法 593
17.6 核診斷的技術(shù) 595
17.6.1 核診斷的技術(shù) 595
17.6.2 核診斷的方法分析 597
17.6.3 核診斷的應(yīng)用 597
17.6.4 200MeV核診斷的性能 599
17.7 核診斷的巨大的潛力 601
17.7.1 核診斷的巨大的潛力 601
17.7.2 核診斷的應(yīng)用 602
17.7.3 核診斷的新應(yīng)用 604
17.7.4 核診斷的展望 606
17.8 核診斷的應(yīng)用 609
17.8.1 核診斷的未來 612
17.8.2 核診斷成為一項產(chǎn)業(yè) 613
17.8.3 核診斷的應(yīng)用 613
第18章 地球物理中的核子輻射
18.1 放射性測量的基本原理 620
18.2 影響測量的主要因素 621
18.2.1 放射性物質(zhì)的遷移 622
18.2.2 輻射場的變化 623
18.3 地球物理勘探 625
18.3.1 地球物理勘探的原理 625
18.4 油氣資源勘探的進(jìn)一步討論 628
18.5 若干重要問題的討論 631
第19章 看不見的量子糾纏
19.1 量子糾纏的基本概念 632
19.2 量子糾纏的產(chǎn)生與實(shí)驗(yàn) 634
19.3 微觀疊加態(tài)與宏觀疊加態(tài)的綜合 636
19.4 糾纏態(tài)描述之爭 637
19.5 糾纏態(tài)概述 638
19.5.1 EPR 佯謬 639
19.5.2 糾纏的度量 639
19.5.3 糾纏的性質(zhì) 640
19.6 幾個不同形式的界說 641
19.6.1 一種奇怪的關(guān)聯(lián) 642
19.6.2 量子非定域性 642
19.6.3 量子關(guān)聯(lián)不等式 645
19.7 近期的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn) 646
19.7.1 近期的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn) 646
19.7.2 近期的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn) 649
19.8 最新的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn) 653
19.9 最新的理論檢驗(yàn) 653
19.9.1 愛因斯坦的觀點(diǎn) 654
19.9.2 玻爾對問題的回應(yīng) 655
19.9.3 玻爾的物理學(xué) 656
19.10 量子態(tài)傳輸 659
19.10.1 量子態(tài)傳輸 659
19.10.2 實(shí)驗(yàn)過程與進(jìn)展 661
19.10.3 實(shí)驗(yàn)過程與進(jìn)展 663
19.11 量子計算的物理實(shí)現(xiàn) 664
19.12 量子通信的實(shí)現(xiàn) 668
19.13 生命運(yùn)動中的量子糾纏 668
19.13.1 生命運(yùn)動中的量子糾纏現(xiàn)象 669
19.13.2 生命運(yùn)動中的量子糾纏現(xiàn)象 671
第20章 時間與空間的量子糾纏
20.1 時間與空間的物理學(xué) 675
20.2 時間與空間的測量與時間 678
20.3 時間與空間的量子糾纏 681
20.4 時間與空間的量子化 684
20.5 時間與空間的量子化的進(jìn)展 685
20.6 時間與空間的量子化 687
20.7 時間與空間的應(yīng)用 691