正文 第十七章 量子物理(二)(2 / 3)

從導電機製看,往往將可以為導電作出貢獻的能帶稱為“導帶”。因此,可供電子躍遷的未滿帶和空帶都可稱為導帶。

17.3習題指導

解題前應分清該習題屬於哪部分內容。計算題涉及:黑體輻射、光電效應、康普頓效應、光的量子性、德布羅意關係式、不確定關係、定態薛定諤方程、波函數等部分的主要公式隻要掌握公式,計算過程一般來說並不複雜。對於速度高的問題應考慮相對論修正,如題意申明不考慮的不在此列。求解薛定諤方程隻要求掌握一維無限深勢阱的解法及思路。

本章概念題較多,應結合本章第二節閱讀教材,弄懂基本概念、假說和重要實證。

本題中概率密度最大處概率最大。從上式可知當最大,即概率最大。

說明:概率密度和概率不是同一概念。概率應等於概率密度乘體積。對某坐標而言,概率應等於該處概率密度乘一個微體積:但對上述一維體係而言,可認為體積不是坐標的函數,坐標無關,就可以用概率密度函數表示概率分布,概率密度大處也是概率大處。但這種處理方法不能套用到複雜問題上去。如基態氫原子概率密度最大處在核附近,概率最大處卻在玻爾半徑處。

17.4教學建議

一、內容處理

1.本章地位

本章內容量子論與前一章的相對論共同組成近代物理學的核心。如果說,相對論把物理學擴展到與光速相比擬的高速度領域;那麼,量子論則是把物理學引伸到原子尺度的微觀領域。因此,代物理學應被認為是更全麵,更深入,更真實地反映物質存在狀態和運動規律的思想體係。相比之下,在上一世紀曾被視為“科學的終結”的經典物理學,其地位已下降為在一般特殊情況下才適用的近似理論。認識到這一點,本章在全書中的地位就不言而喻了。

量子論的建立,不僅使諸如黑體輻射、光電效應、康普頓散射、原子線狀光譜等一係列物理現象得到了解釋,標誌人類對物質的認識實現了一次突破,而且對整個科技發展起到了巨大的推動作用。當代新興的物理學領域,如原子物理、原子核物理、基本粒子物理、凝聚態物理及等離子原理等,無不用到量子力學的方法和結論。這一作用還擴展其他學科,如近代化學和近代生物學等,使整個自然科學大為改觀。量子論的基本原理還滲透到半導體、激光、超導、新能源、新材料等新技術研究之中,成了當代新技術革命不可缺少的理論武器。可見,作為工程技術人員,要防止知識的老化,以利未來的發展,掌握一定的近代物理知識是完全必要的。

2.講解係統

如何用一個較短的篇幅,介紹這樣一個課題教學係統的確立和內容的選取便成了問題的關鍵。

在理工科院校大量教學實踐的基礎上,初步形成了一個講授係統,即光的粒子性-波爾理論-實物粒子波粒二象性-波函數和薛定諤方程-求解和量子化-原子結構的近代解釋,再加上涉及新技術領域的補充知識如激光和能帶理論。可以發現,這個係統基本遵循的是近代物理學發展史的先後順序。從教學法角度看,這一係統不斷地提出問題和解決問題,符合認識的一般規律,有利於將學生一步步地從經典習慣導入近代方法,是有一定的優越性和可行性的。

在內容選取上,各種教材不盡相同。問題在於本章有部分內容與過去學過的知識發生重複。如波爾假說、四量子數、電子雲及電子分布規律,破壞知識的係統性,給學生造成內容不連貫的印象,但如果講得太詳盡又會造成不新鮮感。建議將注意力放到新舊知識的聯係和對照上,用舊知識襯托新知識,而不要平鋪直敘,另一個問題是廣度和深度問題。如在一些教材中提到哈密頓算符、本征函數和本征值等量子力學概念。我們建議,對所提及的概念,不提則已,提到的就應作適當講解,以免分散學生的注意力。

二、教法建議

1,學生學習本章中的一些

本章因研究對象是微觀客既看不見,也摸不著,比以往學過的內容更抽象,加之研究問題的方法由過去的“連續型”到“量子化”更難以適應,因而學生反映的問題較多例如:

(1)受“黑色物體最能吸熱”的影響,認為黑體隻是對輻射能吸收的最多而不是發射的也多。

(2)對光電效應的三條實驗規律的內在聯係搞不清,常發生混淆。

(3)對實物粒子具有波動性感到不可思議,將物質波與機_波和電磁波等同看待。

(4)不明確不確定關係是實物粒子波動性的必然反映,有的把“不確定”理解為:測量必然有誤差。

(5)由於物理和數學基礎較差,造成對波函數、薛定諤方程的建立和求解感到不可理解。

(6)把握不住本章內容的脈絡,認為沒有經典理論那樣條理清晰,有學生說:“知識是量子化的,內容銜接也是量子化的。”

2.教法探討

我們知道,量子力學的推理和表征,采用了大量抽象而複雜的數學形式,這就給本章教學帶來了很大的困難:講得太少,不能使學生建立近代物理學的新概念;講得太多,有變物理課為“數學課”的危險。為了克服這個困難,教師一定要吃透教材的係統和內容選取的目的。例如,為什麼要詳細介紹一維無限深勢阱的求解過程?主要目的是用這樣一個最簡單的例子來演示定態薛定譜方程的求解方法,表現量子數是在求解過程中自然出現的。這樣,在介紹氫原子求解情況時就可以大而化之,不必陷入繁瑣的數學處理過程中。如果向學生交待清楚這一情況,就可以得到學生的理解,免除認為內容不銜接的心理障礙。在講授過程中,還應注意以下幾點。

(1)抓住“兩頭”一頭是近代理論提出的背景。科學發展.總是先有問題,後有結論。當經典理論遇到“麻煩”時,就是近代理論出現“機會”時。為了引起學生的興趣,一定要把每一理論提出前發生的事情向學生交待清楚。另一頭是近代理論研究的結論。無論研究過程何等抽象、複雜,總是要得出明確結論的。這些結論應作為重點,向學生交待明白,使學生得到心理滿足。