量子力學 劉蓉 劉王雲 李亞清 9787577201023 【台灣高等教育出版社】

內容簡介
本書根據國家戰略發展方向，結合”厚基礎、寬口徑、顯特色、強實踐”的工程技術人才培養需求，以及”新工科”背景下的教學改革要求，由淺入深地介紹了量子力學的相關知識。第1章 介紹原子物理學的理論基礎知識；第2、3章 介紹量子力學建立的背景與意義，並構建量子力學理論框架；第4章 系統介紹波動力學；第5、6章 詳細闡述矩陣力學；第7至10章 深入探討微擾理論、自旋與全同粒子、量子躍遷理論以及散射理論。
與現有的量子力學教材相比，本書系統講授量子力學的基本原理和計算方法，重點培養學生抽象思維能力、邏輯推理能力和採用量子理論方法分析與研究問題的能力；同時，本書注重理論聯繫實際，引入與量子力學有關的前沿技術與應用，例如激光技術、量子通信、量子計算機等，培養學生的科學探索精神以及解決問題的能力。此外，為打造立體化教材，本書配套了MOOC在線課程等教學資源，以方便學生學習。
本書可作為理工科本科教學用書，也可作為非物理專業研究生和各類科技人員的參考用書。

作者簡介
劉蓉，女，副教授，博士，榮獲西安工業大學”優秀共產黨員”稱號（2019年），西安工業大學”青年英才”（2016年），西安工業大學”優秀教師”稱號（2012年）。長期從事光電子技術、光電成像技術等方面的教學和科學研究工作，在超快成像條紋相機、量子點材料製備與性能改進方面積累了豐富經驗。科研方面，主持並完成主持國家自然基金青年基金項目1項、陝西省科技廳項目1項、陝西省教育廳項目1項、西安市科協青年人才托舉計劃項目1項，參與陝西省工業科技攻關項目1項，橫向科研項目多項。參與編寫的教材獲得2015年陝西省優秀教材一等獎。

目錄

目錄

第1章 原子物理學基礎(1)
1 1原子的殼層結構(2)
1 2原子的能級(3)
1 3泡利不相容原理(5)
知識拓展(6)
思政小課堂(9)
人物介紹(9)
習題(12)
第2章 經典物理學的困難與量子力學的建立(13)
2 1經典物理學的成功之處(14)
2 2經典物理學的困難(15)
2 3黑體輻射實驗與普朗克能量量子化假說(22)
2 4光電效應實驗與愛因斯坦的光量子理論(25)
2 5原子線狀光譜與玻爾的原子結構量子理論(29)
2 6微粒的波粒二象性與德布羅意波(33)
知識拓展(35)
思政小課堂(39)
人物介紹(39)
習題(44)
第3章 量子力學概述(45)
3 1量子的本質(45)
3 2量子力學的發展(46)
3 3量子力學的理論框架(48)
3 4量子力學的科學意義(51)
人物介紹(54)
習題(57)
第4章 波動力學(58)
4 1波函數的引入與統計解釋(58)
4 2量子態疊加原理(63)
4 3薛定諤方程(67)
4 4定態薛定諤方程的求解實例(72)
4 5粒子數守恆定律——再論波函數的性質(89)
知識拓展(92)
人物介紹(95)
習題(95)
量子力學

目錄

第5章 力學量與算符(97)
5 1表示力學量的算符(98)
5 2動量算符和角動量算符(106)
5 3厄米算符本征函數的性質(110)
5 4算符與力學量的關係(113)
5 5共同本征態定理與不確定關係(114)
知識拓展(118)
思政小課堂(123)
人物介紹(125)
習題(126)
第6章 表像理論(127)
6 1態和算符的表像(128)
6 2矩陣力學的表示(132)
6 3么正變換(134)
6 4狄拉克符號(138)
知識拓展(144)
思政小課堂(149)
人物介紹(151)
習題(152)
第7章 微擾理論(153)
7 1非簡並定態微擾理論(153)
7 2簡並條件下的定態微擾理論(156)
7 3變分法(158)
7 4含時微擾理論(161)
7 5含時微擾論與定態微擾論的關係(162)
知識拓展(164)
思政小課堂(166)
人物介紹(168)
習題(168)
第8章 自旋與全同粒子(169)
8 1電子自旋(169)
8 2電子的總角動量(171)
8 3鹼金屬光譜的精細結構與塞曼效應(173)
8 4全同粒子(177)
人物介紹(179)
習題(179)
第9章 量子躍遷理論(181)
9 1量子態隨時間的演化(181)
9 2含時微擾與量子躍遷(182)
9 3光的吸收與輻射的半經典理論(184)
知識拓展(189)
思政小課堂(191)
人物介紹(195)
習題(197)
第10章 散射理論(198)
10 1散射現象(199)
10 2玻恩近似(200)
10 3分波法(203)
10 4全同粒子散射(207)
習題(209)
參考文獻(210)
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前言/序言
第四次工業革命的到來，徹底改變了人類社會的發展進程，不同於前三次工業革命——蒸汽技術革命、電力技術革命、計算機及信息技術革命，只是在某個單獨領域發展，進而帶動社會發展，第四次工業革命是一個全方位爆發的以量子信息技術、人工智能、新材料技術、分子工程、虛擬現實、可控核聚變、清潔能源以及生物技術等為技術突破口的工業革命，是人類社會發展進程中的一個拐點。因此，在進入新時代之際，我們面臨時代巨變，而這個巨變將會給我們提供一個大的舞臺。伴隨著新技術的誕生、數字技術的湧現，新賽道出現了，這將決定一個國家、一個民族在這個時代的發展進程。能否開闢新賽道、引領新賽道、做這個時代的弄潮兒，將考驗著我們每一個有志於報效國家的人。新時代意味著新征程，新征程需要先進的技術，更需要勇氣、膽識、科學思維；需要用超前的眼光和魄力規劃未來，更需要我們腳踏實地做好當下的工作，勇於接受新時代、新賽道、新征程帶給我們的新挑戰。
量子力學是研究微觀粒子結構與運動規律的學科，與相對論並稱為20世紀物理學的兩個劃時代的里程碑。量子力學的創立，揭示了微觀世界中物質的結構、運動與變化規律，是20世紀人類文明發展的一個重大飛躍，造就了20世紀人類科學技術的輝煌，引發了一系列劃時代的科學發現與技術發明，推動了原子能技術、航天航空技術、電子技術等的發展，並開闢了光子技術的誕生之路，將人類社會推進了信息時代。基於量子力學發展起來的高科技，例如激光器、半導體芯片和計算機、電子通信、核磁共振成像、核能發電等，其產值在發達國家國民生產總值中目前已超過30%。除了量子信息領域之外，量子力學正逐步滲透到各個科學領域，並導致交叉領域的重大進展，量子生物學、量子生命科學、量子神經網絡、量子化學、量子材料科學、量子信息科學、量子計算機科學等學科應運而生，未來還將在以下領域發揮極其重要的作用。
（1） 量子信息技術：量子計算、量子通信和量子密碼學是當前的熱門研究方向。量子計算能夠極大地提高計算機處理速度和解決複雜問題的能力，量子通信能夠實現絕對安全的通信，量子密碼學則能夠有效地抵禦信息被竊聽和攻擊。量子信息技術的發展將在未來的科技競賽中佔據極為重要的地位，其成果將直接影響國家安全和科技創新水平。
（2） 量子材料與器件：隨著量子物理的不斷發展和深入，許多具有特殊功能和性能的量子材料得到了研究並被應用到實際工程中。量子點、量子阱和量子線等低維結構材料表現出的量子限制效應能夠被用來製造高性能傳感器、超導器件和高光譜成像儀等器件，這些器件對於提高生產效率和加快製造業發展具有重要意義。
（3） 量子能源：量子物理研究為能源轉換和存儲技術提供了新的思路。基於量子點的太陽能電池將太陽能轉換成電能的效率大大提高，而基於超導性質的儲能技術也有望實現高效率、低損耗的電能存儲。這些能源技術能夠提高能源的利用效率，實現可持續發展的目標。
（4） 量子醫學：量子物理研究能夠為醫學領域提供新的視角，加速疾病的治療進程。例如，使用表面等離激元共振實現精準藥物運輸，使用量子點實現更高分辨率的生物成像，可以提高疾病診斷和治療的準確性。
量子技術的應用廣泛，影響深遠，這些技術在科技創新和科技強國戰略中佔據著重要位置。正如黨的二十大報告中所闡述的：”基礎研究和原始創新不斷加強，一些關鍵核心技術實現突破，戰略性新興產業發展壯大，載人航天、探月探火、深海深地探測、超級計算機、衛星導航、量子信息、核電技術、新能源技術、大飛機製造、生物醫藥等取得重大成果，進入創新型國家行列。”“必須堅持科技是第一生產力、人才是第一資源、創新是第一動力，深入實施科教興國戰略、人才強國戰略、創新驅動發展戰略，開闢發展新領域新賽道，不斷塑造發展新動能新優勢。”黨的二十大報告強調了創新的重要性以及創新型國家需要擁有先進的技術和工具、高質量的人才、完善的制度和法規體系等方面。量子力學作為現代科技的重要基石，對推動科技創新和實施科技強國戰略有著至關重要的作用。相信量子力學在未來的應用領域中將得到更廣泛的應用，把人類社會帶入一個更加美好的時代。
為貫徹落實黨的二十大精神，更好地培養造就大批愛黨報國、敬業奉獻、德才兼備的高素質人才，本書緊緊圍繞人才培養根本任務，堅持立德樹人，夯實”以本為本”，積極探索新時代大學生課程思政教育教學，開拓”課程思政”與”思政課程”同頻同向、交互融合的有效路徑。本書介紹了先破後立的哲學認識論和方法論，讓學生從理論知識中體會辯證唯物主義思想；結合吳有訓、王之江、潘建偉等科學家的先進事蹟，介紹物理學者精益求精的科學精神和創新精神；從”墨子號”量子通信衛星聯想到中國航天工程名字的文化含義，展示博大精深的中國傳統文化，增強文化自信、民族自信，體現了中國人精益求精的工匠精神。通過有機融入人物事蹟、專業背景、學科內涵、工程案例、時事政治等內容，本書將理想信念、我國社會主義核心價值觀、中華優秀傳統文化等課程思政元素引入課堂教學，實現從知識層面到素質層面和價值認同的躍升，實現價值引領、知識教育和能力培養的有機統一，達到專業入腦、家國入心、潤物無聲的育人效果。
量子力學前言本書針對理工科院校學生，構建以”舊量子論—波動力學—矩陣力學”為主線的量子力學知識體系，闡述量子力學的基本原理和計算方法，引入了量子物理方面的*新研究成果，介紹了激光技術、量子通信、量子計算機、量子糾纏等前沿技術，培養學生的科學探索精神以及解決問題的能力，是一本具備較強的理論性、應用性和前沿性的量子力學教材。本書在內容組織方面，沿著量子力學歷史發展路線，圍繞體系狀態波動性和粒子性共存、力學量取值有連續性和不連續性(即粒子和量子)概念的形成及應用這兩條主導思想展開。本書前三章 為原子物理學基礎、經典物理學的困難與量子力學的建立、量子力學概述，用接近科普著作的筆法，先建立量子力學的總體思路和發展歷程，以更加符合學生的思維規律，同時也為教師針對不同的教學對象和不同的課時要求提供一個彈性空間，可供學生自學閱讀或者複習總結。每章 前面給出本章 內容簡介、教學目標，後面配置習題，幫助學生理解和鞏固量子力學的物理原理及概念，使學生在進行數學推導計算時保持物理思維。
希望學生通過本書的學習，可以達到兩個目的：第一是建立物理思維，用物理學知識和思維方法研究物質運動特性；第二是建立創造性思維，量子力學突破性的成果和物理學前輩們開創性的工作，特別是量子力學這門理論的產生，是物理學史上罕見的精彩篇章，也是一代物理學精英們智慧和創造性思維的記載。
周世勳先生所著的《量子力學教程》是筆者學習量子力學的啟蒙教材，曾謹言教授所著的《量子力學》、錢伯初教授編著的《量子力學》、蘇汝鏗教授編著的《量子力學》、張永德教授著的《量子力學》、井孝功教授編著的《量子力學》、Hiseng Song的Quantum Mechanics、P A M Dirac的Quantum Mechanics和Fayyazuddin、Riazuddin的Quantum Mechanics等書是筆者學習和理解量子力學的重要教材。這些著作為筆者學習和研究量子理論和量子信息學等奠定了堅實的基礎，也為筆者編寫本書積累了必要的知識。借此機會，向這些著作的作者表示誠摯的敬意和感謝！
本書共十章 。第1章 介紹原子物理學基礎的理論知識；第2章 總結經典物理學的困難與量子力學建立的原因；第3章 構建量子力學理論體系，闡述學習量子力學的意義；第4章 以狀態波函數和薛定諤方程為抓手，系統介紹波動力學；第5、6章 引入算符概念，系統介紹矩陣力學；第7章 探討微擾理論；第8章 詳細介紹自旋與全同粒子的基礎理論知識；第9章 深入分析量子躍遷理論；第10章 介紹散射理論。
本書由劉蓉、劉王雲、李亞清擔任主編，具體編寫分工如下：第1章 由李亞清編寫，第2~5章 、第8~10章 由劉蓉編寫，第6、7章 由劉王雲編寫，全書由劉蓉