★学过原子物理和量子力学的应该都知道zeeman effect（塞曼效应）和stark effect（斯塔克效应）。这两个效应互为对照，一个是外磁场引起的原子（或者分子）谱线的分裂，一个是外电场引起的原子谱线的分裂。历史上，二者中先被发现的是塞曼效应。1896年，塞曼发现很多物质的特征谱线在外加磁场下会分裂成几条。这个现象很快被lorentz完全用经典力学解释了。既然磁场可以引起谱线的分裂，那么自然地人们会想到，也许电场也可以引起谱线的分裂。最早着手这方面探索的是大牛Voigt。他试试了Na原子，没发现谱线分裂。参观过Voigt实验室的Stark意识到，应该采用质量轻元素如氢或者氦，并且应该用尽可能强的电场。然后，于1913年，他真的成功地观察到了氢原子在外电场下的谱线分裂。注意到这两个效应的发现之间有长达17年的间隔！为什么在已知塞曼效应的情况下，发现斯塔克效应这么难？其实，对于一个对电动力学有所了解的人来说，这二者在时间上的顺序貌似搞反了。通常，大家的经验是，在光与物质的作用中，重要的是电场分量，而磁场分量相比之下则可以被忽略。所以，也许斯塔克效应应该更容易被观察到。也许只有学过量子力学的人才能理解这背后的问题所在　工程师联盟&微信号：cckj-123中国工程师联盟国内最大的技术联盟社区，企业的人才银行，旨在帮助广大技术人员对接项目、技术交流、权益保障及求职招聘等欢迎您的加入，请联系以下微信！诚创科技(gh_22b)　
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用简并定态微扰理论求氢原子的二级斯塔克效应
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★第五章：原子新概念
第五章：原子新概念原子模型我以前一直相信电子和质子一样是一个球状的，但是我发现如果这样的话，那么就会有一个问题：为什么世界上每出现一个质子就要对应出现一个电子。我意识到只有把它们一体化才能解决这个问题。后来我发现只要把电子“打碎”，均匀的分布在质子的周围不就可以了吗。也就是质子的周围均匀的分布着时空子。这个想法并不是“子虚乌有”，我注意到了在实际中，直到米都没有看到电子的核，而计算出来的电子经典半径为米。所以我抛弃了电子原本的概念，把电子解释为原子内的时空子被外界因素激发后（电压），原子核周围势能场明显曲线下降那里的离开原子定向移动的时空子群。而且，还有一个实验可以证明这一点，这就是著名的电子双缝干涉实验，一个称之为“未解之谜”的实验。曾今看到过这样的观点：电子在干涉之前就知道自己该怎么运动，而我们在寻找它的时候却又找不到它，也许电子从宇宙的边界转了一圈又回来也说不定。我看到这样的观点后只能认为电子太“聪明”了，而且有能瞬间穿越的超能力。我们现在就来看一下这个实验。电子的干涉和光子的干涉原理几乎一样。相同的地方就不说了，我们说一下不同的地方。我想在做实验之前实验者就没想过这个问题：如果电子是有核的，那么它究竟是如何被发散出去的？想一想爱因斯坦的质能公式（），还有电子直径小于米的现实。不难发现，如此巨大的能量聚集在一起，通过一个其间能量如此之小狭缝，它会偏转吗？这正如你用嘴吹一颗飞行的子弹一样，子弹几乎完全不受影响。那为什么大家都没注意到这个问题呢？原因就是德布罗意提出了“德布罗意波”假设。他假设所有的物质都是有波动性的，不管是粒子还是宏观的物质。所以，电子干涉的原理就这样解决了。不过我觉得“德布罗意波”假设对于无核的粒子才满足，有核的粒子本身没有波动现象，要是有也是由于运动的空间不光滑而引起的。这样把电子解释为一团时空子能量团的话也就可以与光的干涉实验对比了。电子双缝干涉所以成为“未解之谜”的原因是因为在实验时，无法看到电子究竟是如何通过2个狭缝的。当我们减小电子的数量，使之一个一个通过狭缝，并用光来检测电子究竟是从那个狭缝射出的话，干涉图像消失了，只会在光屏上看到子弹一样的图形。我们注意到在这里电子是一个一个的通过狭缝的，按照第三章中光子衍射的观点，当电子只有一个时，它只能射向第1级亮纹处；只有2个以上的电子同时通过同一条狭缝的时候，电子才会跑到更高级的亮纹处。这也正是我们只能看到子弹形图像的原因。那为什么光的干涉中没有发现这样的现象呢？原因就是电子与可见光光子能量比约为，如此大的悬殊使得人们无法控制光子使整个实验过程中光子都一个一个的通过狭缝，但是对于电子可以做到。而电子的干涉图像看上去非常的“粗糙”，也是由于电子数过少的原因。相比之下，光的干涉图像则非常“光滑”。奇特的量子世界量子力学，一门让世界疯狂的学科。疯狂的不是理论本身，而是它预言的一些东西。量子力学描述的其实就是原子。具体来说，是电子绕质子运动时，发生的一些奇妙的事。到底是怎么回事呢？说白了就是电子有特定的运动轨道。并且有的环形区域是“禁区”，电子只能穿过“禁区”而不能在那个环形区域内绕核旋转。如果电子没有特定的轨道，那会发生什么事情呢？想象一下一只发红光的激光电筒，如果它随时在变化着颜色，而且颜色还是七彩的，那就是电子没特定轨道的后果。如果这种事情发生在现实世界里那么该是多么可怕的事情。你可以想象一下，你在量子化的人行道上走着，但越到白色条纹的时候，就有一个莫名的推力在推你，使你迅速离开白色条纹区域，你永远不可能长时间的站在白色条纹上面。如果现实真的发生了这样的事情，那解释就只有一个：闹鬼了。量子力学还预言了一个特别奇怪的现象，那就是“隧道效应”。我们仍然把它放在我们的世界来看，看看有什么奇怪的事情发生。你开着一辆车，突然方向盘失控了，你的车向一面墙冲了过去。这时你脑海里肯定会想“完蛋了，后果是车毁人受伤。”但是奇迹发生了，你的车穿过了那面墙，而且完好无损。再看那面墙，纹丝不动。在这个事件中，只能用一些超自然的理论来解释，那就是似乎在空间形成了一个时空隧道，你的车从隧道穿了过去。这不是在讲科幻，这就是量子力学里预言的事。不过你千万别去试，因为这种事几乎不会发生，从概率上来说，你试十万亿亿亿亿次，才有一次成功。而且实际上这次也不能成功，这只是理论上预言的，现实中并不可能发生。那么，既然与现实情况格格不入，它为什么是物理学上非常重要的学科呢？因为它使用了量子化的微观模型解释了出许多宏观上的现象，单色激光不会变色就是其中之一。世界为之疯狂的原因就正好是它的奇特性。像波尔、薛定谔这些为量子力学的建立做过贡献的伟人们都对微观的世界感到莫名其妙。量子力学的世界似乎是一个上帝的世界，只有上帝明白它为什么会这样。当人们问它为什么会这样的时候，你通常会听到老师说这样的一句话，“不要试图用现实看到的世界去解释它，因为它们是完全不同的。”但是我是一个固执的人，有的东西你越是告诉我不可以解释，我也是好奇，越充满了试图去解释它的斗志。要解释量子力学首先就要解决的一个问题就是“量子化”问题，也就是如何构造出合理的模型，使之存在分离的现象而又不能让分离的世界失去连续性。当时爱因斯坦也是认为世界是连续的，他也试图想用连续的观点去解释微观的世界。我之所以那么肯定量子世界是连续的就是因为我认为如果原子核周围的某些地方不存在时空子的话，它根本不会有因果关系。如果没有因果关系，那么由微观世界产生的任何现象根本就不会在宏观世界看到。为了用连续的观点去解释分离的现象，我用了7、8种模型一个一个的试，每一个似乎都有道理，但是每一个都会有一些违背常理的现象发生。要不就是必须保证原子周围有一个个的环形能量阶梯，要不就是以4维空间的观点去看待。但每一种都不能保证它具有很好的流动性。终于，我发现了！这是一个非常难以想到的模型！只要把流动宇宙的相对论观加进去，问题就解决了！可以说这个模型和流动宇宙的相对论观是同时想出的，如果没有相对论观，根本没法解释能级的问题。而反过来说，人们一直在做的，不就正是把这两个理论统一起来吗？非常感谢爱因斯坦，如果没有他的相对论做引导，微观的原子世界可能永远都是一个上帝造就的世界，人们可能永远无法去突破它。量子化的模型在介绍新模型之前，我们去看看电子的能级量子化的实验基础。在1885年的时候，人们从光谱仪中发现了氢光谱线有14条（现在的物理实验室里应该很容易见到氢灯。就是一种充满氢气的灯，通电后，它就会发出光来）。而这种光通过狭缝与三棱镜放宽后发现它是一条条不连续的亮线。有亮的地方，也有暗的地方。当然并不是在任何时候都能看到14条亮纹，大学实验室一般只能看到3、4条亮纹（易受环境或其它因素影响，要求精度高）。而通过计算发现这些不同条纹的光的频率是有规律的。也就是说氢原子只能发射出一定频率的光。当时里德伯（J.R.Rydberg）拿到实验结果的时候，提出了一个能把所有频率特征包括在内的方程（）。在这个方程中，是波的频率，是里德伯常量，与都代表能级（1，2，3…），且小于。之后波尔根据这个公式提出了波尔模型与能级的概念。波尔的模型与大多数的圆周运动模型相似，非常的像太阳系的模型。关键的不同点在于，能量密度大小比为…16：9：4：1时，电子不同轨道的半径比为1：4：9：16…（而行星的轨道半径比为1：2：3：4…）。这样处理的话，符合电子受质子吸引而转动时两体之间的间距与实验得到的势能的关系。如果说质子在第1秒激荡出第1个向外发散的球状波的话，按照波尔模型，第2个波应该在第4秒的时候激荡出，依次后推（这里假设每个波传播的速度相等）。这在逻辑上也说不清楚，如果真是这样的话，那么能级问题是解决了，新问题出现了：整个原子核周围所有空间的时空子密度相等！这在一个旋转的原子核周围是不可能的。而我要解决的问题核心就是如何做才能使它满足不同能级之间的距离满足1：2：3…的长度关系。只有这样才满足三维空间的时空子密度分布关系（与流体力学中涡流的压强与半径平方成反比类似）、原子核才能周期性的激发波。注意到这个问题后，我用了不同的模型去试，直到意识到只要把电子“打碎”，问题就解决了。相对论化的原子模型首先，这个模型满足这章的开头提到的公式。再次，我们回顾一下第四章的有关概念。在那章中提到：当运动物质的时空子密度未达到上限临界时，对于背景空间时空子密度未达到上限临界时，速度不变（在这里上限临界是以原子内部空间为背景空间来说的）。这两个概念具备后就可以往下讲了。要产生量子化的效果的前提是组成光子的时空子群从产生到原子边界速度不受影响。那么最后出射的光子是怎么产生的？这与激荡的波向外散发有关。而这种激荡的波是如何产生的呢？这里先卖一个关子，后面再解释。我们注意到光子产生的条件是需要外界传递能量，例如用火烧或者施加电压。其本质的原因是在原子周围制造了一些高能量密度的时空子。时空子会向火源的正对面或者电源负极移动过去。这时，物质中的时空子密度整体上就会提高了。对于一个原子来说，等于是原子周围的时空子能量密度增大了。而且这种增大还具有一定的方向性。质子的旋转会使时空子聚集，这里的原理和前面解释旋转物质产生引力的原理一样。当质子周围存在高能的时候，质子旋转造成的激波就会更加的剧烈（不加电压的物质不发光就是因为剧烈程度不够）。而处于最内层的激波时空子密度最大，所以它在穿过其它激波时，运动状态满足上面提到的第二条相对论的流动宇宙观原理。当讨论能级的时候我们需要注意两点：1.此时激波的能量密度大于由于质子旋转所吸引的时空子（此时在原子核自旋平面上的时空子密度与流体力学中涡流的密度分布差不多）能量密度。并且激波是环状分布的，符合能量密度从最外层向内算的1：1/4：1/9…关系。2.不能保证每一次产生的最内层激波的能量密度完全相等，这是因为在加电压的时候，电流的流动具有方向性。当电流流过原子的时候，原子周围的时空子密度不能保证是旋转不变的。所有的条件都具备后，我们就可以分情况解释为什么会存在各个不同的能级了。其实出现不同能级的原因就在于出现了一个相对高能的激波，与其它激波向外移动的速度不一样，并且全部的激波不是完全都在同一个面上。特殊激波在穿过其它的激波后，速度几乎不变。1. 当第1层（最内层）的特殊激波与其它激波不在同一平面上时，激波直接穿出物质表面。此时对应于电子从第1能级跃迁在第n能级的情况（n等于无限大），也就是对应于电子完全射出的概念。2. 当第1层的特殊激波速度大于第2层的激波时，它们之间会相互作用，能量会相减。这等于一群小球从另一群小球穿过去，碰撞的会改变速度，不碰撞的速度不变。此时，相减后由时空子群组成的能量团仍然继续前行。但此时它偏离第3层的激波了，向第3层的激波的上方或下方运动，且不再穿过其它激波。激波由于在运动过程中能量密度减小，最终与周围时空子混合后消失，而能量密度比较大的时空子群则满足上面提到的相对论的流动宇宙观那点，能保持其形态，最终穿出物质表面（最内层特殊激波）。此时的能量对应于能级由第1级向第2级跃迁，依次类推。3. 当穿过第2层激波的特殊激波正好正对着第3层激波时，它会穿过第3层激波，这时对应于第2能级向第3能级跃迁。而且跃迁的能级越高，出现穿过多能级的概率越小。这也比较符合实验事实。4. 那么第1级向第3级跃迁如何解释呢？你需要注意到每一层激波都是在运动的，并且不是所有激波都在同一平面内。只要第1层特殊激波在运动时，没穿过第2激波，而穿过第3激波的时候，就对应于第1级向第3级跃迁的情况。出现这种情况的概率也相对比较小。出现第2能级跃迁到第4能级的情况也是这个原因。说到这里，所有的问题似乎解决了。其实还有一个困扰我很久的问题：激波如何产生的？这也就是上面卖关子的话题。可以看到上述观点已经满足周期性条件了，但是仍然存在两个问题：我感觉它的时空子密度偏小了；激波出射时方向性不好。其实不提出这个问题，用相对论的流动宇宙观也可以解释。因为原子并不是随时都在产生光子，而产生光子时的那个激波刚好是属于时空子密度比一般情况下大时发射的激波。方向性不好就是我觉得最内层的激波环相对于光子偏大了，应该出现条状的能量密度分布，否则就会出现“散弹”。这个问题我也思考了很久，直到某一天我突然想到一个事实：质子是由三个夸克组成的！当时太激动了，因此密度偏小和方向性的问题也解决了。质子由三个夸克组成的事实为什么能解决问题呢？因为它在转动的时候会使相同能量密度线呈现外凸三角形的形状。在通常的质子模型中，质子被简化为完美的球状，所以当时一直没发现三角形分布的状况。这样的话，激波就不必非要以环状辐射出去了。它完全可以是非常短的弧线。而且这更好的符合了加电压后产生光子的情况。加电压后，电流具有一定的方向性，所以电流的反方向正好就是激波产生概率最大的方向。但是通常几安培的电流的时空子密度较小，也不会对电流方向产生激波的概率有很大影响。那个特殊激波之所以比其它的激波能量密度大的原因就在于质子从三角的一个角旋转到另一个角的时候，会聚集更多的时空子。当三角的中央聚集足够多的时空子的话，它就会由另一个角的顶点飞出。此时的时空子单向性更好，更不容易散开。产生光子的那个激波由于是由更高的时空子密度产生的，所以完全可以视为球状分布的时空子群。因为质子的自旋速度是非常稳定的，所以，从原子核周围汇聚时空子的速率相同、产生激波的速率也相同。尽管这时除了最内层的激波外，其它的激波只是很窄的弧形，但这些弧线仍然能保持在同一条直线上。此外，需要注意的一点就是原子核的周围时空子密度非常大，它的时空子密度分布状况基本相等，我们在原子核物理中可以知道靠近原子核的势能几乎是相等的（激波在这里运动能量会减弱）。在足够远处势能开始急剧的曲线下降（在这条曲线的某个地方，特殊激波的运动满足上面那条相对论的流动宇宙观，它的速度不再改变。其它的激波速度也不变，只是时空子密度相对运动空间的时空子密度偏小会扩散）。注意到这一点就不会误认为最内层的特殊激波是瞬时穿过第2层的激波的了。这样的话，第2能级与原子核的距离就要从特殊激波穿过第2层激波的地方开始算，而第1能级则不存在距离的概念。另外的一点就是如果在某时，特殊激波的能量密度相对运动空间能量密度较大，则它会散发时空子，直到满足那条相对论的流动宇宙观。这样就保证了第1能级的大小相等。而第1能级满足那条相对论的流动宇宙观时，其它的能级都已经满足了。只要保证在相同的势能处，其它能量的激波满足那条相对论条件，而特殊激波在那个势能之后的非常靠近的某点满足条件就可以了。如果加强电压的话，得到的结果也是完全一样的。但是此时全部的能级与原子核的距离都会向后稍微移动一点。但是电压越大，能级高的地方偏离理论值就越大。因为电流中的时空子对整个原子核周围的时空子密度分布造成了干扰，密度越小的地方干扰越大。这也就是能级越高处，能级的宽度越大（误差越大）的原因。最后一点，在未满足那条相对论的流动宇宙观时，如果特殊激波的速度过大，则它的速度被影响的越大。所以，在那块区域时，它的速度只能保持微小的优势。以致在那块区域时，它不能穿过其它激波。为了更直观一点，请看下图。 这是一张时空子能量密度与半径的关系图。o点代表原子核。1代表激波进入相对论区域的初始点。2代表特殊激波进入相对论区域的初始点（离1点非常近）。3代表特殊激波穿过第2层激波的点。4代表激波消失在背景空间中的点。上述就是关于能级量子化的全部解释。层层逼近答案，每走一步都会有新的问题产生，可谓是一波三折啊！ 多原子核的能级谱线
我们知道氢原子的谱线并不只有唯一的那几条。例如斯塔克效应就是关于电场如何使第二个能级分裂的，且外面的两条谱线较强（产生于平行于电场的方向，由于此方向时空子密度变化大，所以更容易激发出特殊激波）中间的较弱（产生于非平行于电场的方向，且电流中巨量的时空子使原本的时空子分布变化很大，以至于离原子核足够远处的等密度时空子分布线变成椭圆了）。我想答案已经上面讲到了，因为电流中的时空子会对原子核周围足够远处的势能造成明显的影响，而且越是远离原子核的地方势能影响越明显。同样，磁场也会对其造成影响。通常情况下可以用塞曼效应来描述，此时，对应于几乎所有的原子都基本不移动和不旋转。正对着磁场出射的光子分裂能级为-1（频率最小），侧面的为0，磁场方向为+1（磁场使原子核“背面”的时空子密度减小，可视为将原本的密度分布“拉长”了）。且前后的作用效果相等，与磁场强度成正比。而反常塞曼效应的基本原理是一些原子的移动、旋转、移动和旋转造成的。在这里你需要记住的一点就是光子是在原子核自旋的“赤道”外围的那个圆盘上产生的。
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这张图可以反应原子内部的情况，相对论化的原子模型可没“太阳系”原子模型简单。但正式这种复杂可以统一相对论与原子理论。
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量子力学期末考试题解答题
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内容提示：1. 你认为Bohr的量子理论有哪些成功之处？有哪些不成功的地方？试举一例说明。 (简述波尔的原子理论，为什么说玻尔的原子理论是半经典半量子的？)。答：Bohr理论中核心的思想有两条：一是原子具有能量不连续的定态的概念；二是两个定态之间的量子跃迁的概念及频率条件。首先，Bohr的量子理论虽然能成功的说明氢原子光谱的规律性，但对于复杂原子光谱，甚至对于氦原子光谱，Bohr理论就遇到了极大的困难（这里有些困难是人们尚未认识到电子的自旋问题），对于光谱学中的谱线的相对强度这个问题，在Bohr理论中虽然借助于对应原理得到了一些有价值的结果，但不能提供系统解决它的办法；其次，Bohr理论只能处理简单的周期运动，而不能处理非束缚态问题，例如：散射；再其次，从理论体系上来看，Bohr理论提出的原子能量不连续概念和角动量量子化条件等，与经典力学不相容的，多少带有人为的性质，并未从根本上解决不连续性的本质。。2. 什么是光电效应？光电效应有什么规律？爱因斯坦是如何解释光电效应的？。答：当一定频率的光照射到金属上时，有大量电子从金属表面逸出的现象称为光电效应；光电效应的规律：a.对于一定的金属材料做成的电极，有一个确定的临界频率?0，当照射光频率???0时，无论光的强度有多大，不会观测到光电子从电极上逸出；b.每个光电子的能量只与照射光的频率有关，而与
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