量子化学 量子化学 2009-05-25 17:50 基本检测过程 量子量热法与经典量热法的主要区别在于检测过程在理论上的地位。 在经典热力学中，可以无限精确地确定和预测数学系统的位置和动量。 至少在理论上，检测对系统本身没有影响，可以无限精确地进行。 在量子热学中，检测过程本身会对系统产生影响。 为了描述对可观测值的检测，需要将系统的状态线性分解为可观测值的一组本征态的线性组合。 检测过程可以看作是对这些本征态的投影，检测结果就是投影后的本征态对应的本征值。 如果，对于这个系统的无限个副本，每个副本都测试一次，我们可以得到所有可能的检测值的概率分布，每个值的概率等于该系统系数绝对值的平方相应的本征态。 可见，两种不同化学量A的检测顺序可能直接影响检测结果。 事实上，不兼容的可观察对象就是这样做的。 不确定性原理最著名的不相容可观察量是粒子的位置 x 和动量 p。 它们的不确定性乘积Δ小于或等于普朗克常数的一半，这个公式被称为不确定性原理。 它最早是由海森堡提出的。 不确定的原因是位置和动量的检测顺序直接影响它的检测值量子物理学什么意思，也就是说检测顺序的调换会直接影响它的检测值。
海森堡由此推断，不确定性是检测过程的局限性造成的，而粒子的特性是否真的不确定，目前还不得而知。 玻尔将不确定性视为化学系统的一个原则。 今天的化学观点基本上接受玻尔的解释。 然而，在明天的理论中，不确定性不是单个粒子的特性，而是相同粒子的集合体的特性。 这可以看作是一个统计问题。 不确定性是整个系综的不确定性。 即对于整个系综，总的位置不确定性Δ和总的动量不确定性Δp不能大于某个值...概率是将一个状态分解成可观测的本征态的线性组合，其概率幅ci可以获得每个本征态中的状态。 这个概率幅的绝对值的平方|ci|^2就是检测到特征值ni的概率，也就是系统处于本征态的概率。 ci 可以通过将本征态投影到本征态来估计...因此，对系综的相同系统的可观察量的相同测试通常会产生不同的结果； the is in the of the are on. 除非系统已经处于通过对系综中相同状态的每个系统进行相同的检测，可以得到检测值ni的统计分布。 所有的实验都面临着探测值和量子热的统计估计问题。 同一粒子的不可区分性与泡利原理是因为在原理上，很难完全确定一个量子化学系统的状态，所以在量子热中，具有完全相同本征特性（如质量、电荷）的粒子之间的分辨率等）丢失。 它的意义。
在经典热力学中，每个粒子的位置和动量都是完全已知的，并且可以预测它们的轨迹。 通过一次测试，可以识别每个粒子。 在量子热中，每个粒子的位置和动量由波函数表示。 因此，当几个粒子的波函数相互重叠时，给每个粒子“挂标签”的方法就失去了意义。 相同粒子 ( ) 的这种不可区分性对状态的对称性和多粒子系统的统计热力学具有深远的意义。 例如，由相同粒子组成的多粒子系统的状态，当交换两个粒子“1”和“2”时，我们可以证明它要么是对称的，要么是反对称的。 处于对称态的粒子称为玻璃骰子，处于反对称态的粒子称为费米子。 据悉，载流子的交换也产生了对称性：载流子数量减半的粒子（如电子、质子、中子）是反对称的，所以是费米子； 具有整数个载流子（例如光子）的粒子是对称的，因此它是一个玻璃骰子。 粒子载流子、对称性和统计之间的这种深刻关系只能通过相对论量子场论来引入，但它也会影响非相对论量子热中的现象。 费米子的反对称性的一个结果是泡利不相容原理，该原理指出两个费米子很难抢占同一个状态。 这一原则具有重大的现实意义。 这意味着在我们由原子组成的物质世界中，电子很难同时占据同一个状态。 因此，最低态被抢占后，下一个电子必须占据下一个最低态，直到所有态都满足为止。
这种现象决定了物质的化学和物理特性。 费米子和玻璃骰子的状态热分布也有很大不同：玻璃骰子服从 Bose- 统计，而费米子服从 Fermi-Dirac 统计。 量子纠缠通常是多个粒子系统的状态，很难分离成其组成的单个粒子的状态。 在这些情况下，单个粒子的状态被称为纠缠态。 纠缠粒子具有与常识相违背的惊人特性。 例如，检测到一个粒子会导致整个系统的波包立即崩溃，从而也会影响与检测到的粒子纠缠在一起的另一个遥远的粒子。 这种现象并不违反狭义相对论，因为在量子热的层面上，你无法在检测到粒子之前定义粒子，实际上它们仍然是一个整体。 然而，在探测到它们之后，它们都脱离了量子纠缠状态。 作为量子解耦的基础理论，量子量热学原则上应该适用于任何大小的化学系统，也就是说，除了限于微观系统之外，它应该提供一种过渡到宏观“经典”数学的技术。 量子现象的存在提出了如何从量子热力学的角度解释宏观系统的经典现象的问题。 直接看到量子热中的叠加态如何应用于宏观世界尤其困难。 1954年，爱因斯坦在给克拉科夫的一封信中提出了如何从量子热学的角度解释宏观物体的定位。 他强调，只有量子热现象太“小”，无法解释这个问题。
这个问题的另一个反例是薛定谔提出的薛定谔猫思想实验。 直到 1970 年左右，人们才开始真正认识到，上述思想实验实际上是不切实际的，因为它们忽略了与周围环境不可避免的相互作用。 事实证明，叠加态对周围环境非常敏感。 例如，在双缝实验中，电子或光子与空气分子的碰撞或辐射的发射会影响对衍射至关重要的状态之间的相位关系。 在量子热力学中，这种现象称为量子解耦。 它是由系统状态与周围环境的影响相互作用引起的。 这种相互作用可以表示为每个系统状态与环境状态的纠缠。 因此，叠加只有在考虑整个系统（即实验系统+环境系统）时才有效，如果孤立地只考虑实验系统的系统状态，则只有“经典”分布该系统仍然存在。 量子解耦是未来量子热学解释宏观量子系统经典性质的主要方法。 量子解耦对量子计算机也有实际意义。 在量子计算机中，多个量子态需要尽可能长时间地保持叠加状态。 分离时间短是一个很大的技术问题。 量子化学的作用在许多现代技术武器中发挥着重要作用。 从激光、电子显微镜、原子钟到核磁共振的医学图像显示设备都关键地依赖于量子热学的原理和效应。 对半导体的研究导致晶闸管和二极管的发明，最终为现代电子工业铺平了道路。
量子热的概念在核设备的发明中也发挥了关键作用。 在上述发明创造中，量子热的概念和物理描述很少直接发挥作用，但固态化学、化学、材料科学或核化学的概念和规律发挥了主要作用。 但是，在所有这些学科中，量子热都是它的基础，这个学科的基础理论都是建立在量子热之上的。 下面只能列举一些量子热最明显的应用，但列举的例子肯定是不完整的。 事实上，量子热在现代科技中无处不在。 原子化学和物理学 任何物质的物理特性都由其原子和分子的电子结构决定。 原子或分子的电子结构可以通过求解包括所有相关原子核和电子的多粒子薛定谔方程来估计。 在实践中量子物理学什么意思，人们认识到这样的多项式太复杂而无法估计，而且在许多情况下，使用简化的模型和规则就足以确定物质的物理特性。 在构建这样一个简化模型时，量子热起着非常重要的作用。 物理学中一个非常常见的模型是原子轨道。 在这个模型中，分子电子的多粒子态是通过将每个原子的电子单粒子态相加而产生的。 该模型包含许多不同的近似（如忽略电子间的敌对关系、电子运动与核运动的分离等），可以近似准确地描述原子的基态。
该模型除了估计过程相对简单外，还可以直观地给出电子排列和轨道的图像描述。 从原子轨道，可以使用一个极其简单的原理（洪德规则）来解决电子排列。 从这个量子热模型也很容易推导出物理稳定性规则（八位位组法则、幻数）。 通过将几个原子轨道加在一起，可以将该模型扩展到分子轨道。 因为分子通常不是球对称的，所以这个估计比原子轨道复杂得多。 理论物理学、量子物理学和计算机物理学的分支，专门研究使用近似薛定谔多项式来估计复杂分子的结构和物理特性。 核化学 核化学是研究原子核性质的数学分支。 它主要有三大领域：各种亚原子粒子及其相互关系的研究，原子核结构的分类与分析，以及相应核技术的发展。 固体化学 为什么金刚石坚硬、易碎且透明，而同样由碳组成的石墨却柔软且不透明？ 金属为什么导热、导电，并具有金属光泽？ 发光晶闸管、二极管、二极管的工作原理是什么？ 为什么铁有铁磁性？ 超导的原理是什么？ 上面的例子可以让人想象到固态化学是多么的多样化。 事实上，收敛态化学是数学中最大的一个分支，收敛态化学中的所有现象，从微观的角度来看，只能通过量子力学才能得到正确的解释。 运用经典数学，充其量也只能从表面和现象上提出局部的解释。
下面列举一些量子效应很强的现象： 晶格现象：声子、热传导 静电现象：压电效应 浊度：绝缘体、导体、半导体、电导、能带结构、近藤效应、量子霍尔效应、超导现象 磁性：铁磁性 高-温度态：玻色-爱因斯坦收敛、超流体、费米子收敛量纲效应：量子线、量子点量子信息当前研究的重点是如何可靠地处理量子态。 因为量子态的叠加。 理论上，量子计算机可以执行高度并行的操作。 它可以应用于密码学。 理论上，量子密码可以形成完全可靠的密码。 而且，事实上，该技术目前非常不可靠。 当前的另一个研究项目是量子隐形传态，用于将量子态传送到很远的距离。