量子化學 量子化學 2009-05-25 17:50 基本檢測過程 量子量熱法與經(jīng)典量熱法的主要區(qū)別在于檢測過程在理論上的地位。 在經(jīng)典熱力學中，可以無限精確地確定和預測數(shù)學系統(tǒng)的位置和動量。 至少在理論上，檢測對系統(tǒng)本身沒有影響，可以無限精確地進行。 在量子熱學中，檢測過程本身會對系統(tǒng)產(chǎn)生影響。 為了描述對可觀測值的檢測，需要將系統(tǒng)的狀態(tài)線性分解為可觀測值的一組本征態(tài)的線性組合。 檢測過程可以看作是對這些本征態(tài)的投影，檢測結(jié)果就是投影后的本征態(tài)對應的本征值。 如果，對于這個系統(tǒng)的無限個副本，每個副本都測試一次，我們可以得到所有可能的檢測值的概率分布，每個值的概率等于該系統(tǒng)系數(shù)絕對值的平方相應的本征態(tài)。 可見，兩種不同化學量A的檢測順序可能直接影響檢測結(jié)果。 事實上，不兼容的可觀察對象就是這樣做的。 不確定性原理最著名的不相容可觀察量是粒子的位置 x 和動量 p。 它們的不確定性乘積Δ小于或等于普朗克常數(shù)的一半，這個公式被稱為不確定性原理。 它最早是由海森堡提出的。 不確定的原因是位置和動量的檢測順序直接影響它的檢測值量子物理學什么意思，也就是說檢測順序的調(diào)換會直接影響它的檢測值。
海森堡由此推斷，不確定性是檢測過程的局限性造成的，而粒子的特性是否真的不確定，目前還不得而知。 玻爾將不確定性視為化學系統(tǒng)的一個原則。 今天的化學觀點基本上接受玻爾的解釋。 然而，在明天的理論中，不確定性不是單個粒子的特性，而是相同粒子的集合體的特性。 這可以看作是一個統(tǒng)計問題。 不確定性是整個系綜的不確定性。 即對于整個系綜，總的位置不確定性Δ和總的動量不確定性Δp不能大于某個值...概率是將一個狀態(tài)分解成可觀測的本征態(tài)的線性組合，其概率幅ci可以獲得每個本征態(tài)中的狀態(tài)。 這個概率幅的絕對值的平方|ci|^2就是檢測到特征值ni的概率，也就是系統(tǒng)處于本征態(tài)的概率。 ci 可以通過將本征態(tài)投影到本征態(tài)來估計...因此，對系綜的相同系統(tǒng)的可觀察量的相同測試通常會產(chǎn)生不同的結(jié)果； the is in the of the are on. 除非系統(tǒng)已經(jīng)處于通過對系綜中相同狀態(tài)的每個系統(tǒng)進行相同的檢測，可以得到檢測值ni的統(tǒng)計分布。 所有的實驗都面臨著探測值和量子熱的統(tǒng)計估計問題。 同一粒子的不可區(qū)分性與泡利原理是因為在原理上，很難完全確定一個量子化學系統(tǒng)的狀態(tài)，所以在量子熱中，具有完全相同本征特性（如質(zhì)量、電荷）的粒子之間的分辨率等）丟失。 它的意義。
在經(jīng)典熱力學中，每個粒子的位置和動量都是完全已知的，并且可以預測它們的軌跡。 通過一次測試，可以識別每個粒子。 在量子熱中，每個粒子的位置和動量由波函數(shù)表示。 因此，當幾個粒子的波函數(shù)相互重疊時，給每個粒子“掛標簽”的方法就失去了意義。 相同粒子 ( ) 的這種不可區(qū)分性對狀態(tài)的對稱性和多粒子系統(tǒng)的統(tǒng)計熱力學具有深遠的意義。 例如，由相同粒子組成的多粒子系統(tǒng)的狀態(tài)，當交換兩個粒子“1”和“2”時，我們可以證明它要么是對稱的，要么是反對稱的。 處于對稱態(tài)的粒子稱為玻璃骰子，處于反對稱態(tài)的粒子稱為費米子。 據(jù)悉，載流子的交換也產(chǎn)生了對稱性：載流子數(shù)量減半的粒子（如電子、質(zhì)子、中子）是反對稱的，所以是費米子； 具有整數(shù)個載流子（例如光子）的粒子是對稱的，因此它是一個玻璃骰子。 粒子載流子、對稱性和統(tǒng)計之間的這種深刻關系只能通過相對論量子場論來引入，但它也會影響非相對論量子熱中的現(xiàn)象。 費米子的反對稱性的一個結(jié)果是泡利不相容原理，該原理指出兩個費米子很難搶占同一個狀態(tài)。 這一原則具有重大的現(xiàn)實意義。 這意味著在我們由原子組成的物質(zhì)世界中，電子很難同時占據(jù)同一個狀態(tài)。 因此，最低態(tài)被搶占后，下一個電子必須占據(jù)下一個最低態(tài)，直到所有態(tài)都滿足為止。
這種現(xiàn)象決定了物質(zhì)的化學和物理特性。 費米子和玻璃骰子的狀態(tài)熱分布也有很大不同：玻璃骰子服從 Bose- 統(tǒng)計，而費米子服從 Fermi-Dirac 統(tǒng)計。 量子糾纏通常是多個粒子系統(tǒng)的狀態(tài)，很難分離成其組成的單個粒子的狀態(tài)。 在這些情況下，單個粒子的狀態(tài)被稱為糾纏態(tài)。 糾纏粒子具有與常識相違背的驚人特性。 例如，檢測到一個粒子會導致整個系統(tǒng)的波包立即崩潰，從而也會影響與檢測到的粒子糾纏在一起的另一個遙遠的粒子。 這種現(xiàn)象并不違反狹義相對論，因為在量子熱的層面上，你無法在檢測到粒子之前定義粒子，實際上它們?nèi)匀皇且粋€整體。 然而，在探測到它們之后，它們都脫離了量子糾纏狀態(tài)。 作為量子解耦的基礎理論，量子量熱學原則上應該適用于任何大小的化學系統(tǒng)，也就是說，除了限于微觀系統(tǒng)之外，它應該提供一種過渡到宏觀“經(jīng)典”數(shù)學的技術。 量子現(xiàn)象的存在提出了如何從量子熱力學的角度解釋宏觀系統(tǒng)的經(jīng)典現(xiàn)象的問題。 直接看到量子熱中的疊加態(tài)如何應用于宏觀世界尤其困難。 1954年，愛因斯坦在給克拉科夫的一封信中提出了如何從量子熱學的角度解釋宏觀物體的定位。 他強調(diào)，只有量子熱現(xiàn)象太“小”，無法解釋這個問題。
這個問題的另一個反例是薛定諤提出的薛定諤貓思想實驗。 直到 1970 年左右，人們才開始真正認識到，上述思想實驗實際上是不切實際的，因為它們忽略了與周圍環(huán)境不可避免的相互作用。 事實證明，疊加態(tài)對周圍環(huán)境非常敏感。 例如，在雙縫實驗中，電子或光子與空氣分子的碰撞或輻射的發(fā)射會影響對衍射至關重要的狀態(tài)之間的相位關系。 在量子熱力學中，這種現(xiàn)象稱為量子解耦。 它是由系統(tǒng)狀態(tài)與周圍環(huán)境的影響相互作用引起的。 這種相互作用可以表示為每個系統(tǒng)狀態(tài)與環(huán)境狀態(tài)的糾纏。 因此，疊加只有在考慮整個系統(tǒng)（即實驗系統(tǒng)+環(huán)境系統(tǒng)）時才有效，如果孤立地只考慮實驗系統(tǒng)的系統(tǒng)狀態(tài)，則只有“經(jīng)典”分布該系統(tǒng)仍然存在。 量子解耦是未來量子熱學解釋宏觀量子系統(tǒng)經(jīng)典性質(zhì)的主要方法。 量子解耦對量子計算機也有實際意義。 在量子計算機中，多個量子態(tài)需要盡可能長時間地保持疊加狀態(tài)。 分離時間短是一個很大的技術問題。 量子化學的作用在許多現(xiàn)代技術武器中發(fā)揮著重要作用。 從激光、電子顯微鏡、原子鐘到核磁共振的醫(yī)學圖像顯示設備都關鍵地依賴于量子熱學的原理和效應。 對半導體的研究導致晶閘管和二極管的發(fā)明，最終為現(xiàn)代電子工業(yè)鋪平了道路。
量子熱的概念在核設備的發(fā)明中也發(fā)揮了關鍵作用。 在上述發(fā)明創(chuàng)造中，量子熱的概念和物理描述很少直接發(fā)揮作用，但固態(tài)化學、化學、材料科學或核化學的概念和規(guī)律發(fā)揮了主要作用。 但是，在所有這些學科中，量子熱都是它的基礎，這個學科的基礎理論都是建立在量子熱之上的。 下面只能列舉一些量子熱最明顯的應用，但列舉的例子肯定是不完整的。 事實上，量子熱在現(xiàn)代科技中無處不在。 原子化學和物理學 任何物質(zhì)的物理特性都由其原子和分子的電子結(jié)構(gòu)決定。 原子或分子的電子結(jié)構(gòu)可以通過求解包括所有相關原子核和電子的多粒子薛定諤方程來估計。 在實踐中量子物理學什么意思，人們認識到這樣的多項式太復雜而無法估計，而且在許多情況下，使用簡化的模型和規(guī)則就足以確定物質(zhì)的物理特性。 在構(gòu)建這樣一個簡化模型時，量子熱起著非常重要的作用。 物理學中一個非常常見的模型是原子軌道。 在這個模型中，分子電子的多粒子態(tài)是通過將每個原子的電子單粒子態(tài)相加而產(chǎn)生的。 該模型包含許多不同的近似（如忽略電子間的敵對關系、電子運動與核運動的分離等），可以近似準確地描述原子的基態(tài)。
該模型除了估計過程相對簡單外，還可以直觀地給出電子排列和軌道的圖像描述。 從原子軌道，可以使用一個極其簡單的原理（洪德規(guī)則）來解決電子排列。 從這個量子熱模型也很容易推導出物理穩(wěn)定性規(guī)則（八位位組法則、幻數(shù)）。 通過將幾個原子軌道加在一起，可以將該模型擴展到分子軌道。 因為分子通常不是球?qū)ΨQ的，所以這個估計比原子軌道復雜得多。 理論物理學、量子物理學和計算機物理學的分支，專門研究使用近似薛定諤多項式來估計復雜分子的結(jié)構(gòu)和物理特性。 核化學 核化學是研究原子核性質(zhì)的數(shù)學分支。 它主要有三大領域：各種亞原子粒子及其相互關系的研究，原子核結(jié)構(gòu)的分類與分析，以及相應核技術的發(fā)展。 固體化學 為什么金剛石堅硬、易碎且透明，而同樣由碳組成的石墨卻柔軟且不透明？ 金屬為什么導熱、導電，并具有金屬光澤？ 發(fā)光晶閘管、二極管、二極管的工作原理是什么？ 為什么鐵有鐵磁性？ 超導的原理是什么？ 上面的例子可以讓人想象到固態(tài)化學是多么的多樣化。 事實上，收斂態(tài)化學是數(shù)學中最大的一個分支，收斂態(tài)化學中的所有現(xiàn)象，從微觀的角度來看，只能通過量子力學才能得到正確的解釋。 運用經(jīng)典數(shù)學，充其量也只能從表面和現(xiàn)象上提出局部的解釋。
下面列舉一些量子效應很強的現(xiàn)象： 晶格現(xiàn)象：聲子、熱傳導 靜電現(xiàn)象：壓電效應 濁度：絕緣體、導體、半導體、電導、能帶結(jié)構(gòu)、近藤效應、量子霍爾效應、超導現(xiàn)象 磁性：鐵磁性 高-溫度態(tài)：玻色-愛因斯坦收斂、超流體、費米子收斂量綱效應：量子線、量子點量子信息當前研究的重點是如何可靠地處理量子態(tài)。 因為量子態(tài)的疊加。 理論上，量子計算機可以執(zhí)行高度并行的操作。 它可以應用于密碼學。 理論上，量子密碼可以形成完全可靠的密碼。 而且，事實上，該技術目前非常不可靠。 當前的另一個研究項目是量子隱形傳態(tài)，用于將量子態(tài)傳送到很遠的距離。