基礎量子力學(2版)

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林雲海
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圖書描述

  二十一世紀以來高科技產業的產品已進入奈米級,元件愈做愈小,性質的效應就自動呈現齣量子效應。以往經典物理的智慧已無法解決許多難題,因此必須要有另一物理的新觀念──量子物理的境界。量子物理的概念已深深的潛現於現代高科技工程師的腦海裡,很自然的能解決當代奈米級元件的創作技術,使得許多難題迅速獲得通暢。

  本書以基礎的量子力學將物理量子化的發展足跡展示人類對於物理真理的認識過程,從抽象的理論到細緻的科學實驗驗證宇宙物質的二象元(波動與粒子)的存在。
 
理論物理學前沿探索:經典與現代物理學的交匯 本書聚焦於理論物理學的核心領域,深度剖析瞭自宏觀經典力學到微觀量子場論之間的關鍵理論框架與最新進展。 本書旨在為物理學專業學生、研究人員以及對現代物理學有深入興趣的讀者,提供一個係統、嚴謹且富有洞察力的知識體係。全書內容組織嚴密,邏輯鏈條清晰,從基礎公理齣發,逐步構建起描述自然界在不同尺度下行為的理論模型。 第一部分:經典力學的完備重構與推廣 本部分著重於對牛頓力學進行更抽象、更具普適性的數學錶述。我們將從拉格朗日力學(Lagrangian Mechanics)的視角齣發,詳細闡述最小作用量原理(Principle of Least Action)在保守係統中的應用。重點內容包括:歐拉-拉格朗日方程的推導、守恒量(如能量、動量、角動量)與對稱性的內在聯係,即諾特定理(Noether's Theorem)的深刻闡釋及其在解析力學中的核心地位。 隨後,本書將深入探討哈密頓力學(Hamiltonian Mechanics)。通過勒讓德變換,從速度描述轉嚮相空間(Phase Space)描述,引入哈密頓量與泊鬆括號(Poisson Brackets)。相空間中的動力學演化,特彆是李烏維爾定理(Liouville's Theorem)在統計力學中的基礎作用,將得到詳盡的論述。這部分為後續引入量子化概念,提供瞭必要的數學和概念基礎。 第二部分:熱力學與統計物理學的微觀基礎 本部分緻力於橋接宏觀熱力學現象與微觀粒子行為之間的鴻溝。統計物理學被視為連接兩者的橋梁。我們將係統介紹係綜理論(Ensemble Theory),詳述微正則係綜、正則係綜和宏正則係綜的構建與應用,特彆是玻爾茲曼因子和配分函數(Partition Function)在計算宏觀物理量中的核心作用。 重點難點部分在於對量子統計的引入。我們將區分玻色-愛因斯坦統計(Bose-Einstein Statistics)和費米-狄拉剋統計(Fermi-Dirac Statistics),並詳細分析它們在描述理想氣體——特彆是費米子係統(如電子在金屬中的行為)和玻色子係統(如黑體輻射和玻色-愛因斯坦凝聚)——中的應用。對量子漲落和相變的統計力學描述也將被納入討論範圍。 第三部分:狹義相對論與時空幾何的初步考察 本部分將視角從慣性係擴展到高速運動的參考係,係統闡述愛因斯坦的狹義相對論(Special Relativity)。內容涵蓋洛倫茲變換的數學結構、時空間隔的協變性、速度疊加原理以及著名的質能關係 $E=mc^2$ 的推導。 本書將超越簡單的運動學討論,深入探究相對論動力學,包括相對論動量和能量的概念,以及相對論性散射過程。對於張量分析的初步引入,特彆是能量-動量張量(Stress-Energy Tensor)的介紹,將為後續廣義相對論的理解做好鋪墊,並展示如何用更優雅的四維幾何語言來重構經典物理定律。 第四部分:場論的構建與經典場方程的分析 理論物理學的統一趨勢要求我們將粒子視為場的激發。本部分開始構建場的概念及其描述方法。我們將從麥剋斯韋方程組齣發,分析電磁場在經典場論框架下的結構。重點在於拉格朗日密度(Lagrangian Density)在描述連續介質和場論中的推廣,以及通過歐拉-拉格朗日方程導齣場的運動方程。 對於場的量子化,本書在基礎層麵上引入瞭自由標量場(如Klein-Gordon場)的經典場論描述,為後續量子化打下基礎。這一部分的深入分析,旨在清晰展示從粒子動力學到場動力學範式的轉變,強調瞭作用量原理在建立基本物理定律中的普適性。 第五部分:從波動方程到散射理論的初步展望 雖然本書不深入量子力學細節,但它將提供一個宏觀視角下的波動力學及其在現代物理中的重要地位。從亥姆霍茲方程到薛定諤方程的結構類比,探討瞭物理係統的“波動性”在不同理論中的體現。 特彆地,我們將用經典波傳播的觀點來審視散射問題——如何利用格林函數(Green's Function)的方法來求解綫性微分方程的非齊次解。這種方法論在描述介質中的光傳播、聲波以及(在更高級的理論中)粒子散射截麵的計算中,具有極強的指導意義。本書將通過這些經典類比,引導讀者理解現代物理學中對“相互作用”和“傳播”的深刻理解。 總結與展望 本書的價值在於提供瞭一個廣闊的理論視野,它不拘泥於某一特定理論的細節,而是著重於理論物理學傢思考問題的方式:從基本原理齣發,構建數學模型,並檢驗這些模型對自然現象的解釋力。讀者將通過本書掌握處理復雜物理係統的通用數學工具,並對當前理論物理學麵臨的核心挑戰(如引力與量子力學的統一、量子場論的嚴格化)有一個清晰的、基於堅實基礎的認識。本書的深度和廣度,確保瞭讀者在進入更專業化的前沿課題時,能夠遊刃有餘。

著者信息

作者簡介

林雲海 老師


  淡江大學物理係教授。

圖書目錄

第一章熱輻射
1-1 緒論
1-2 熱輻射
1-3 空腔輻射的經典論
1-4 空腔輻射的普朗剋理論計算
1-5 史特凡-波玆曼定律的推導
1-6 維恩定律中的推導
1-7 普朗剋的假設與意涵
習題

第二章光的粒子行為
2-1 緒論
2-2 相對論觀念
2-3 光電效應
2-4 康普頓效應
2-5 射線的產生
2-6 對生與共滅
習題

第三章物質波──德布羅意假說
3-1 物質波
3-2 波與粒子的二象性
3-3 不準確原理
3-4 物質波的性質
3-5 量子理論的哲理
習題

第四章原子模型
4-1 原子結構的演進
4-2 湯姆生原子模型
4-3 拉塞福原子模型
4-4 原子能譜
4-5 波爾原子模型
4-6 有限質量原子核的修正
4-7 威爾生-索末菲量子規則
4-8 索末菲原子模型
4-9 對應原理
4-10 早期量子論的評論
習題

第五章算符特徵函數與特徵值
5-1 算符
5-2 厄米特算符
5-3 一些物理動力量的算符
5-4 算符的對易性演算
5-5 厄米特算符的特徵函數與特徵值
習題

第六章薛丁格方程式
6-1 緒論
6-2 薛丁格方程式的推導
6-3 波恩對波函數的解釋
6-4 平均值
6-5 非時變性薛丁格方程式
6-6 特徵函數的必要性質
6-7 薛丁格方程式的能量量子化
習題

第七章非時變性薛丁格方程式
7-1 緒論
7-2 零位勢能量
7-3 步階位勢能量(一)──能量小於步階高度
7-4 步階位勢能量(二)──能量大於步階高度
7-5 方形位勢障
7-6 方形有限位阱
7-7 無限方形位阱
7-8 簡諧振盪子的拋物位勢
7-9 非時變性薛丁格方程式所對應各種位勢的摘要
習題

第八章單一電子的原子──氫原子
8-1 緒論
8-2 三維空間的薛丁格方程式──卡氐座標
8-3 連心位能──氫原子
8-4 方程式的解
8-5 單一電子原子的特徵能量與特徵函數
8-6 機率密度
8-7 軌道角動量
8-8 角動量特徵函數的錶示式──球性諧和函數
習題

第九章磁偶矩,自鏇與躍遷率
9-1 緒論
9-2 軌道磁偶矩
9-3 思特恩-格拉赫實驗與電子自鏇
9-4 電子自鏇與軌道作用──L-S耦閤
9-5 總角動量
9-6 L-S耦閤能量與氫原子能階──精細結構
9-7 躍遷率與選擇規則
習題

第十章微擾理論與變分法
10-1 緒論
10-2 非簡併微擾理論
10-3 簡併微擾理論
10-4 量子力學的變分法
習題

參考書目
附錄

 

圖書序言

  • ISBN:9786263171565
  • 規格:平裝 / 448頁 / 17 x 23 x 2.24 cm / 普通級 / 單色印刷 / 2版
  • 齣版地:颱灣

圖書試讀



  筆者幾十年來的教學經驗,發現大學部的學生對量子物理的學習受擾於一些教科書都來自國外英文版,無法容入這些課本內的外國學者撰寫內涵,再加上英文程度薄弱很難體會到真正的物理觀念,同時各大學物理係所採用又是經典的原文版本──原子、分子、固態、原子核以及粒子的量子物理(作者Eisberg and Resnich),這本書已齣版瞭第一版及第二版,歷經40多年瞭,真的是一本很不錯的書,很詳細闡述量子物理的發展過程以及應用於廣泛的物理科學以及高科技工程師所必備的物理知識。

  筆者勇於挑戰就上述經典的量子物理書本作為範本,針對本國大學生初學者提供一本基礎量子力學作為入門。這本書的主要用意提供瞭較為清楚,有效處理較為重要的量子係統的基本知識。伴隨這個目的,我選擇強調理論的應用更勝於理論的本身。我認為量子物理現象的瞭解,對學生將來要從事於高科技工程歷練生涯中會有很大的助益。當學生們獲得洞悉量子力學有這些好的解說功率時,他們將會有動機學習更多的理論,因為這本書可有助於更上一層樓學生們到研究所時容易學習較深的量子力學的課程。

  這本書提供一年的課程,學生們學習的課程要必備有微積分及高等物理數學、經典力學、電磁學。第一章到第四章介紹早期量子物理的各種不同的現象,而發展齣古老量子論的基本觀念。能量的量子化,光的二元象性──波動與粒子行為,粒子的物理現象也比照光的二元象性,獲得實驗的證實電子具有波動行為,因此德布羅意的物質波(或粒子波)的成立,接著進入到原子模型的發展,一直到現在大傢所認定的原子模型的定案的過程,主要是以氫原子的能量譜線為主幹推展各種模型的適閤解說。在第五章中解釋物理動力量的不準確性原理的存在。在量測中需要引進粒子波,因此動力量在量子物理方程呈現為算符的運算。量子力學的基礎核心內容是從第五章直到第九章等四個章節。談到粒子波的薛丁格方程式,各種常數位勢函數的粒子波,以及氫原子中電子的庫侖位勢函數的粒子態延伸氫原子電子的能量量子化,這中間涉及到電子軌道角動量以及固有自鏇角動量等等。在磁場的作用下有能階的分裂離散狀態,能量譜線的精細結構而導齣能階間的躍遷現象必有一定的規範。最後一章敘述位勢能量的微擾的真正的物理能量,就以微擾理論以及變分方法來計算能量的近似值。

  本書可分上、下兩個學期授課,完成此課程後,學生將來到高科技業界工作就有足夠物理背景供研究發展解決問題。同時要再更上一層物理科學方麵的研究所,有此基礎知識可以很順利研修較高等的量子力學課程。

  非常感謝五南圖書齣版公司提供機會並鼓勵我編寫這本課程書供物理學科或理工科的學生學習認識量子物理的真諦,同時也感謝淡江大學物理係陳憬燕教授提供一些珍貴的資料與圖片纔能使本書完成較美好的內容。
 
2014年春
林雲海

用户评价

评分

這本書的編排結構,可以說是非常「颱式」的嚴謹。它沒有過度迎閤那些追求「酷炫」或「時髦」的寫法,完全是老老實實地把物理學的基礎給墊穩。從最基本的狀態嚮量、狄拉剋符號的引入,到對角化、厄米算符這些數學工具的鋪陳,每一步都走得四平八穩,沒有絲毫馬虎。特別值得一提的是,它對量子力學基本假設的論述,處理得極為精準到位。很多教材會把這些假設當成不證自明的公理直接拋給你,但這本書會花篇幅解釋為什麼需要這些假設,以及這些假設如何從古典物理的局限性中蛻變齣來。這種對「為何如此」的追問,對於想真正成為物理學傢的學生來說,是至關重要的。讀完這本書,你不會隻是學會瞭「如何計算」,更重要的是,你會建立起一套嚴密的、從基本原理齣發的量子思維框架。

评分

坦白講,如果你是來找一本可以讓你輕鬆「掃過」量子力學皮毛的書,那這本可能不太適閤你,它確實需要你投入大量的時間和腦力去消化。但如果你是像我一樣,立誌要往理論物理或應用物理深入鑽研的學生,那麼這本書的價值簡直是無法估量。它的深度足夠支撐你讀完後續的散射理論、量子場論等更進階的課程。我個人覺得,它在處理角動量量子化這個主題時的章節,寫得尤其精彩,把群論與物理直覺的結閤展現得淋灕盡緻。書中對SU(2)群的討論,雖然對初學者來說可能有點吃力,但如果能跟著書中的脈絡走完,你會發現自己對對稱性在量子力學中扮演角色的理解,提升到瞭一個新的層次。這不是一本「快速入門」的讀物,而是一部需要細細品味的「內功心法」。

评分

這本《基礎量子力學(2版)》光是書名就讓人感受到一股紮實的學術氣息,對我這種從大學物理係一路摸爬滾打上來的學生來說,簡直是教科書界的「聖經」等級。我記得當年剛接觸量子力學這門課時,簡直是霧裡看花,薛丁格的貓啊,海森堡的不確定性原理啊,每個概念都像隔著一層毛玻璃,看不太清楚。後來用瞭好幾本參考書,有的太過注重數學推導,讀起來枯燥乏味,有的又太過淺嚐輒止,讓我對物理圖像的建立總是抓不到重點。然而,這本書的厲害之處就在於,它彷彿有一種魔力,能將那些抽象難懂的量子現象,用一種極為清晰、循序漸進的方式呈現齣來。它不像某些書那樣,一開始就丟一堆複雜的數學公式嚇唬人,而是會先從實驗現象入手,慢慢引導你理解為何需要量子力學,再逐步建立起波函數、算符這些核心概念。尤其是對於那些經典物理背景紮實的讀者,它在處理「量子化」這個概念時的論述,真的讓人有種「豁然開朗」的感覺,彷彿一下子打通瞭任督二脈,原本晦澀難懂的理論都變得有跡可循瞭。

评分

說實話,讀這本書的時候,我最讚賞的是它在例題設計上的巧思。很多教科書的例題,就是把課本裡的公式直接套用一下,沒什麼變化,讀完跟沒讀一樣。但這本《基礎量子力學(2版)》的題目,不僅涵蓋瞭基礎的算符代數、薛丁格方程式的求解,更深入到瞭許多實際物理情境的探討,像是氫原子的結構、微擾理論的應用等等。而且,書中提供的解題步驟非常詳盡,不是那種隻寫齣最終答案,讓你猜測中間過程的敷衍瞭事。它會仔細拆解每一步的物理意義和數學邏輯,讓你清楚知道每一步操作背後的學理依據。對於我們這些想把理論真正內化的人來說,這種「手把手」的教學方式簡直是福音。我常常在解完一個比較棘手的題目後,閤上書本,會感覺自己的物理直覺又被磨礪瞭一番,那種紮實的滿足感,是光看理論推導無法比擬的。

评分

從排版和裝幀的角度來看,雖然這是「2版」,但整體設計依然保有颱灣學術書籍一貫的實用主義風格,沒有過多的花俏裝飾,一切以內容清晰為最高指導原則。字體大小適中,圖錶清晰,這對於長時間閱讀物理文本至關重要,能有效減少閱讀疲勞。更重要的是,這本書的術語翻譯非常到位,完全符閤颱灣學術界長期以來的慣例,這避免瞭在不同譯本間來迴切換時產生的認知混亂。對於我們在準備研究所考試或進行學術研究時,使用統一、標準的術語是效率的保證。總結來說,這本書不是那種讓你覺得「學會瞭」的輕鬆感,而是讓你感覺自己「真正掌握瞭」量子力學底層邏輯的厚重感。它就像一位嚴格又公正的導師,逼著你把基礎打牢,但迴報你的是紮實的學術功底。

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