量子力學知識點

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量子力學知識點范文第1篇

關鍵詞 量子力學 量子教育學 主觀性

中圖分類號：O413.1 文獻標識碼：A

量子力學所涵蓋的一些思想，在哲學的研究中體現比較廣泛，也對教學理論方面起了重要的作用，可以說量子力學對哲學思想的發展有著重要的促進作用。量子力學著重利用圖景等表象來認識周圍的世界，強調因果關系的認識，對后期形成的教育學理論具有參考性。但是，借助量子力學所形成的“量子教育學”則有很大的不同，這一教育學對原來的量子理論認識存在較大的偏差，充分強調自然科學。

1量子力學的緣起

1900年，量子假說出現在眾人的認知里，現在的量子力學仍在不斷完善，為后期的科學發展提供了重要的理論基礎，可以說量子力學是量子理論的中心，它促進了原子能等一些先進技術的發展，為社會的重大發明打下基礎，使人們更加清晰地認識到微觀世界，并利用微觀運動來更好地服務社會，是人類的重要發現，也是社會的偉大進步。

2量子力學的宇宙觀

在宇宙世界中，對量子理論有較多的探討，從已經存在的氫原子中，找到了量子級別的狀態。對于電子而言，比原子更為復雜，這就要求必須要滿足求解該原子的特定的方程來解出，并且要求其 場剛好環繞原子核產生駐波而求得。此外，量子態與別的駐波不一樣，都有自己特定的頻率，并與所蘊含的能量有關，每種量子狀態都有所表征的能量。這就是說，預期任何一個態的能量都是一個具體量子所確定的，并不是模棱兩可的，只要是有理論依據，就可以科學地估測態的能量多少。由于質子與電子之間存在著相互吸引的力，要想移動一個電子就必須要克服引力做功。

3量子的思維方式

人類思想總是處于不斷發展中，當兩種思想發生交集時，就會形成一個比較完整的、令人驚嘆的思想成果，正如牛頓的世界觀與量子理論產生彼此彌合的交集，才會讓思想發展得如此迅速，才會讓社會發展如此的快。量子思維方式給人類一個重要的啟示，要求以人為中心，以人為主體。隨著時代的進步和經濟發展，信息技術逐漸融入了人的智慧和思想，他們彼此都是看不見的，沒有確定的形狀，但彼此交匯起來以后，就成了一種可以量化的物質，這是由于物質性比較弱。其實，量子物理學所產生相關的科學智慧，是人類社會發展的重要因素，也是文明進步的重要保障，可以說，量子物理學是計算機重要的組成部分，所形成的計算機芯片是重要的思維體現，量子物理學不僅是科學進步的前提，更是信息發展的重要保障，量子思維更是現代社會發展的必要方式。

4“量子教育學”的唯心主義

從產生量子力學后，“量子教育學”也隨之不斷發展，雖然也涉及到一些教育學方面的觀點，但這些觀點都是被眾人早就接受了。如：學習是一個整體的過程，在這個過程中各知識點是相互聯系、彼此交錯的，以及還談到了關鍵詞：服務、個性化、互補等，但是，這些所謂的觀點及結論不是原汁原味的，也不是從量子力學中演變而來，而是與它的原理相悖，從本質上講，“量子教育學”就是一種唯心主義的表現。

貝克萊比較重視經驗，認為所學的知識來源于經驗，但是他卻犯了一個致命的錯誤，認為感覺是世界真正存在的東西，其他的都是看不見的。他認為，知識是一切力量之源，但感覺是我們去探索未知世界，追求至高真理的唯一手段，只有能感覺到，才能被發現。也就是說：我們的主觀性決定了我們所看見的世界，這也是量子教育學詮釋的觀點。他認為，只要消除了事物與觀念的差異，認同事物等同于所謂的觀念，并且觀念可以感知任何世界上存在的事物，這樣才會讓我們的知識更加具有生命力。

5“量子教育學”的曲解

正所周知，量子力學不可能槲ㄐ鬧饕搴筒豢芍論創造理論基礎，而“量子教育學”卻是唯心主義的重要思想來源，這是“量子教育學”對量子力學核心思維的歪曲，或者說對量子力學沒有正確的認識，造成思想上出現截然不同的主張，另外，“量子教育學”過分強調感覺和經驗，導致偏向于不可知論，與量子力學的思想相悖而馳。

“量子教育學”對量子力學概念和方法認識的偏差表現有。為了進一步認識光的本質特性，提出了波粒二象性的觀念。此后，玻爾提出了“氣補原理”，再一次詮釋了波粒二象性的本質。“測不準”原理而是在某一個方面有較大的缺陷，不是粒子在宏觀世界的不適用，只是說明不能單一地應用某一個方面，只有同時應用時才能為物理現象提高全面的解釋。玻爾認為，波粒二象性在整個量子力學中的地位較高，它是一種可以很好地描述一種物理現象的原理，也可以說是解釋因果關系的一種原理，它可以相互促進、相互排斥，這種互斥的關系不可或缺，這種互補關系后來被廣大學者所接受。

6結語

近年來，量子力學逐漸被廣大研究者重視起來，探討量子力學的基本原理以及與量子教育學的重要關系，在量子理論的發展過程中，這已經留下了較多的論爭。可以肯定的是量子力學對于科學的進步貢獻了一份力量，把微觀世界與宏觀世界聯系起來，而量子教育學并不是量子力學的正確認識，就本身的發展情況來看，量子教育學認同了后現代主義，成為了唯心主義的重要依據。

參考文獻

[1] 賀天平.量子力學多世界解釋的哲學審視[J].中國社會科學，2012（01）：48-61，207.

[2] 烏云高娃.量子力學發展綜述[J].信息技術，2006（06）：154-157.

[3] 母小勇.量子力學與“量子教育學”[J].教育理論與實踐，2006（07）：1-5.

量子力學知識點范文第2篇

1目前面臨的形式

大學物理課程是高等職業學院各工科學生的公共基礎課程。物理學是科研和各現代技術工程的基礎。大學物理課程包含了大量的物理學知識和物理學原理，既是非常重要的基礎理論課程也是科學素質教育不可或缺的組成部分。大學物理課程的學習不但有利于培養學生的職業能力和職業素養，更加為學生學習專業的技術能力打下了堅實的基礎。因此對于高職學生來說大學物理課程的學習是非常重要的。然而在目前階段，高等職業的大學物理課程的教學基本類似于普通的高等學校的教學模式，即更加重視基礎的物理學知識和物理學原理的講授，缺乏學生的動手實踐能力的培養。另一方面，高等職業學院的學生普遍存在入學分數較低，物理學基礎知識薄弱，理解接收新知識的能力有限，主動學習能力較差等特點［4］。在進行大學物理教學過程中，傳統教學主要采用基礎知識講授、教師實驗反復演示，一講一練、課后再練的方式鞏固知識。主要注重于傳授知識、偏重于解題技巧和解題方法的訓練。這對于課時充足時是可行的也是有效的，但是隨著社會經濟的發展，知識和信息的不斷豐富，學校開設的課程不斷增多，學生需要學習的知識更加廣泛，同時大學物理和其它的課程一樣，課時大大削減，再加上物理演示實驗儀器的有限性與物理科學技術的瞬息萬變形成了鮮明的對比，繼續沿用原來的教學方法就造成了學生聽不懂，教師教不會，學生聽懂了不會靈活運用的結果。這些在一定程度上影響了大學物理教學質量的進一步提高。近幾年各高職院校在大學物理教學的內容、方法上都有了很大的改進，出了一些比較優秀的教材，也制作了不少教學課件，本文綜合這些成果，從教學的內容和方式方法上，提出了全面提高大學物理課程教學質量的一些措施。

2整合內容體現技術性

大學物理課程的教學內容主要包括力學、電磁學、光學、熱學、量子力學和相對論等內容。在傳統的物理教學中關于經典物理學內容即力學、熱學、光學和電磁學中的理論知識是重要講授的內容，同時對于近代物理學內容即量子力學和相對論也會做非常詳細的講授。但是對于高職教育中“必須夠用”的原則，對于量子力學和相對論這樣的理論知識內容來說，在講授的過程中只需要簡單介紹，使學生知道量子力學解決什么問題，相對論的主要內容是什么即可。應當將大量的課時用來介紹經典物理學的內容。在講授力學、熱學、光學和電磁學的過程中，應當聯系實際的力學問題，向學生傳授力學知識，對于一些理論性非常強而實際技術應用中較少的物理學原理的介紹要適當減少。例如，在力學中關于摩擦力的講授可以分析摩擦力作為阻力時的實例和作為動力時的實例，讓學生切實體會摩擦力的本質。在講授光學中關于光線的波長和光的顏色時給學生分析，人眼對于光的不同顏色的敏感度是不同的，如交警和學生校服上熒光物質的顏色時草綠色，因為人眼對這種波長的光最為敏感，從而激發學生學習的興趣，在學生感興趣的基礎上適當介紹光譜分析等技術。在講授電磁學的過程中，結合電磁技術讓學生明白理論與實踐是如何聯系的。通過這樣的理論與實踐結合的方式講授，就可以避免理論知識的枯燥性，可以提高學生學習物理學的興趣。在學生具有較高學習興趣的基礎上展開教學，教學效果可以顯著提高。

3提高大學物理教學質量的手段

在上述學生具有對物理學較高興趣的基礎上可以從教學方法和教學手段兩方面提高教學質量。在教學方法方面嘗試進行下面的教學探討:①通過教師對一些物理學原理的演示實驗、對一些物理學現象進行多媒體視頻資料播放等直觀的教學，可以充分調動學生的學習積極性，同時加深學生對物理概念的理解。②通過進行讀書指導，教會學生自學。通過給定學生某個知識點的問題，讓學生帶著問題去讀書，去圖書館查閱相關資料，要求學生在自己讀書的調研之后能夠給出自學提綱，同時能整理出知識點;讓學生通過對這些問題的討論及改變問題中初始條件的變化來的結果學會舉一反三，通過知識點間的聯系學會觸類旁通。這個方法的學習過程也是教會學生開展研究性學習的基礎。③通過學生動手進行實驗操作、完成實習作業等教學方法，增加學生主動參與教學活動的意識，促進學生積極思考。這些方法的使用在實際的教學過程中大大提高了學生學習物理學的興趣，同時調動了學生的主動性、積極性和創造性，起到了較好的教學效果。例如機電1班的同學在物理討論課后談到:“為了解決老師在課堂上提出的問題，我不僅看了課本，在網上查閱了相關的文獻資料，還去圖書館看了許多資料，…”在教學手段方面，采取傳統的教學手段，教師課堂演示、網絡教學輔導系統、學生實驗等豐富多彩的立體化教學手段。在課堂講授時大量使用演示實驗、多媒體課件和計算機動畫插播等手段，使學生直觀的了解到相關的實驗現象，以及發生這些現象所要求的條件。隨后通過啟發、課堂討論和學生互動實驗等方式，提高課堂教學效果。課后通過布置學生作業、督促學生使用網絡資源、要求學生完成某一小論文和以寢室為單位的學生自學討論交流，幫助學生進行自主式、互動式、研究式學習。同時積極搭建教師備課平臺，有效支持教師充分恰當利用電子教案、電子講稿、素材庫等現代化教育技術手段進行個性化教學，使得一些不容易用語言描述的物理過程和概念一目了然，有效地提高教學效率，激發學生學習的興趣，擴大信息量。

4結束語

量子力學知識點范文第3篇

關鍵詞：玻爾理論；能級；躍遷；光譜

中圖分類號：G633.7

文獻標識碼：A

文章編號：1003-6148(2008)1(S)-0014-3

1 “能級”的來歷――玻爾理論

19世紀，人們已經知道物質是由原子組成。1911年E.盧瑟福提出原子核式模型，這一模型與經典物理理論之間存在著尖銳矛盾。按照經典物理理論會得出原子將不斷輻射能量而不可能穩定存在的結論；原子發射連續譜，而不是實際上的離散譜線。玻爾著眼于原子的穩定性，吸取了M.普朗克、A.愛因斯坦的量子概念，于1913年考慮氫原子中電子圓形軌道運動，提出原子結構的玻爾理論。

1.1 玻爾的假設

理論的兩條基本假設是：①定態假設：原子系統中存在具有確定能量的定態，原子處于定態時，電子繞核運動不輻射也不吸收能量。原子的定態可通過經典力學和角動量量子化條件得出。②躍遷假設：原子系統從一個定態過渡到另一個定態，伴隨著光輻射量子的發射和吸收。

1.2 玻爾理論對氫原子光譜的解釋

玻爾由基本假設出發，計算出氫原子的軌道半徑和能量公式如下：

氫原子的軌道半徑為

可見，氫原子的軌道半徑和能量都不是連續的，即是量子化的。

把這種量子化的能量值稱為原子能級（簡稱能級）。當氫原子由一個能級躍遷到另一能級時，就產生一條譜線。玻爾的計算結果與實驗數據符合的很好。

1.3 玻爾理論的成功及局限性

玻爾理論對氫原子光譜的解釋獲得了很大的成功，在原子理論和量子力學的發展過程中起到了很大的作用。然而，玻爾只考慮了電子繞原子核的運動，實際上分子、原子、電子、原子核的運動是相當復雜的。所以玻爾理論對復雜的堿金屬光譜就難以解釋，對譜線的強度、色散現象、偏振等問題更無法處理。直到1926年，薛定諤等人建立了量子力學，人們才對微觀粒子的運動規律有了更全面、深刻的認識。

2 教材對玻爾理論內容的處理

本章“量子論初步”分五節。第一、二節介紹光的波粒二象性，初步接觸量子化、二象性、概率波等概念，第三節介紹能級概念，第四節介紹物質波的概念，第五節介紹不確定關系。

第三節“能級”分以下幾部分講述：

①引入：簡述有核模型與經典物理理論之間的矛盾，玻爾理論提出的科學歷史背景；

②玻爾理論的內容介紹和評判：介紹軌道量子化的概念和定態假設的內容，分析玻爾理論的成功和局限性；

③能級：提出能級、基態、激發態、電離的概念；

④光子的發射和吸收：講述玻爾理論躍遷假設的內容，介紹能級圖以及躍遷公式；

⑤“原子光譜”部分：介紹氫原子光譜，分析玻爾理論對氫原子光譜的解釋。

3 教學中對教材的利用和改進

我認為在教學中應把教材中那些過時的，遠離學生實際的材料、知識舍棄。對教材中主干知識和體現物理方法的內容，針對重點、難點，結合學生實際，結合物理學、科技的新發展花大力氣進行拓展延伸。使學生能熟練地理解、掌握這些基本概念，基本規律和方法。對于非主干知識的拓展，只限于科普式的介紹一些最新的、正確的觀點、材料，只要求學生知道是什么，不要求知道為什么，更不用介紹技術和操作的細節，起到擴大學生知識面和視野的作用即可。特別是在這個信息時代，應讓學生用有限的時間和精力去高效的學習正確、有用的知識，而不是探索、重復前人的錯誤。應該吸收其優秀成果，走捷徑去繼承并加以發展。

3.1 關于“量子”

本節課整篇圍繞“量子化”展開，可在全文卻沒有給出“量子”的概念或解釋。“量子”一詞來源于拉丁文，原意是“分立的部分”或“數量”。所謂量子或量子化，本質是不連續性。在宏觀領域中，這種量子化（或不連續性）相對宏觀尺度極微小，完全可以忽略不計。我認為，在接觸玻爾理論之前搞清楚“量子”含義，對本節內容的理解有很大幫助。

3.2 引入部分

教材指出，根據盧瑟福原子模型和經典電磁理論推出原子應當不穩定和輻射電磁波的頻率是連續的這一結論與實驗事實相矛盾。可以讓學生體會到，正是這個矛盾，推動了能量量子化理論的提出，促進了量子力學的建立和發展，從而達到對學生進行辯證唯物論、認識論和方法論的教育目的。教學中可讓學生閱讀自主學習。

3.3 玻爾理論的內容介紹和評判部分

教材中將玻爾的“定態假說”稱為“原子結構假說”。按照經典電磁理論，原子應是不穩定的，但實際情況不是這樣，這一點，教材并未強調，原因是學生過去并沒有“做加速運動的帶電粒子要輻射能量”這樣的認識。相應地，教材也沒有提到玻爾理論中“定態”這個概念。講到軌道量子化的時候，教材重點描述了“量子化”，有意淡化了“軌道”，沒有采用過去教材中常用的以同心圓代表氫原子軌道的插圖。這樣做，避免了強化軌道的圖景。為了使學生更深刻理解玻爾理論的這部分內容，我讓學生總結，這些假設解決了經典電磁理論和盧瑟福原子模型的哪些矛盾？學生在逐條對比中加深認識。

然而在下面的類比分析中，教材還是用了地球和人造衛星這個例子。它確實可以幫助學生理解原子狀態的不連續性，但也更容易使學生產生電子做勻速圓周運動的錯誤認識，也在無形中強化了“軌道”的概念。所以在教學中有必要對學生解釋，經典的理論在這里已經不再適用，其實氫原子中的電子是沒有軌道的，電子在原子中運動的“軌道”這樣的說法，表達的只是一種可能性。

3.4 “能級”和“光子的發射和吸收”部分

主要講解玻爾理論中“躍遷假設”的內容。教材突出了最有積極意義的能量量子化的觀點，舍去了能級公式的推導和計算，直接給出了氫原子的能級圖和一些可能的能量值，可能的躍遷方式。這樣做就是為了提高學生的學習效率，體現課改和素質教育的精神。在一些習題中還會看到關于能級公式的計算，我認為應該大膽舍棄。高考考察的重點是能級躍遷的規律，這部分內容應當做適當的拓展。

原子躍遷是一個比較難理解的知識點。在教學中，我先講授了躍遷的概念及躍遷公式hν=Em-En，讓學生閱讀教材，然后請他們例舉生活中與原子躍遷相似的事件，交流他們對此知識點的理解。學生舉出了非常好的例子：能級就好比臺階，原子躍遷就好比一個人在跳臺階。人可以從上跳到下，也可以從下跳到上，可以跳一級，也可以跳多級，但是不可能跳到某兩級之間。向上跳相當于原子由低能級向高能級躍遷，跳的臺階越多，需要的能量就越大，如果上跳時具有的能量在到達二級與三級之間，他就無法到達第三級臺階而是落在第二階上。這樣一個類比，形象生動地描述了原子躍遷的過程，很容易突破了難點。但它也有一個缺點，生活中的臺階大多是高度一致的，而能級圖中每兩個能級的差是逐級遞減的。目前還沒找到更合適的例子，我就讓學生記住這個區別。

3.5 “原子光譜”部分

玻爾理論的一個重要貢獻就是正確解釋了氫原子光譜。教材中“原子光譜”這部分內容也可以看成是玻爾理論的應用。可以圍繞幾個問題展開：

①能量量子化的觀點怎樣解釋原子光譜是線狀光譜？

②為什么各元素的原子光譜不同？

③為什么可以用光譜分析確定樣品中有哪些元素？

④光譜分析有什么優越性？光譜分析在現代科學，如地質、冶金、石油、生物醫學、地球化學、材料和環境科學等各個領域內獲得了廣泛應用。可向學生做簡單介紹，使其了解物理在科技進步以及社會發展中發揮的重要作用。

4 有待解決的問題

一些學生在學完整章會有這樣的煩惱：“學完能級，對原子結構有了清晰的認識，但是學了物質波，看了氫原子的電子云好像又變得糊涂了。”其實，對電子等微觀粒子，由于不能用確定的坐標描述他們在原子中的位置，因此，電子在原子中運動的“軌道”這樣的說法其實是沒有意義的。電子云表示的是電子在原子核各個位置出現的概率。

我想學生之所以會有這樣的疑惑，是因為學習能級這節中“軌道量子化”時留下了錯誤的前概念。這部分內容建立在盧瑟福的核式結構模型之上，本身就是不完善的，教材出現它的目的應該是為“能量量子化”做準備。

這塊“雞肋”，舍掉，學生該如何理解能級？不舍，錯誤概念又怎樣消除呢？

參考文獻：

［1］楊福家.原子物理學.北京：高等教育出版社，1991

［2］戴劍鋒.物理發展與科技進步.北京：化學工業出版社，2005

量子力學知識點范文第4篇

(一)簡介材料計算模擬軟件Materialsstudio是美國Accelrys公司為材料科學領域開發的一款科學研究軟件，用于幫助用戶解決當今材料科學中的一些重要問題。MaterialsStudio軟件包集成了Visual-izer、CASTEP、Dmol3、Reflex等二十幾個計算模擬模塊，是一款強有力的計算模擬工具。用戶可以通過Visualizer可視化模塊進行一些簡單的界面操作來建立材料分子的三維結構模型，之后通過軟件包中相應的計算模塊，對材料分子的構型優化、性質預測、X射線衍射分析及量子力學方面進行計算。通過計算得到的結果可以對各種晶體、無定型與高分子材料的性質及相關過程進行深入的分析和研究，其計算的結果精確可靠。CASTEP是CambridgeSequentialTotalEnergyPackage的縮寫，最早由英國劍橋大學的一個凝聚態理論小組開發，是廣泛用于計算周期性體系性質的一個先進量子力學程序。它可用于金屬、半導體、陶瓷等多種材料的相關計算，可研究晶體材料的光學性質（折射率，反射率，吸收及發射光譜等）、缺陷性質（如空位、間隙或取代摻雜）、電子結構（能帶及態密度）、體系的三維電荷密度及波函數等。

（二）教學環節設計1.知識點的設置。在材料科學的專業課中，如晶體物理、固體物理、半導體物理學、硅材料科學與技術等課程中,都會涉及材料的晶體結構，能帶結構，帶隙的分類，X射線衍射、缺陷，摻雜等知識點，也會涉及到材料的反射率、折射率、介電常數等材料的光學或化學性質。在完成這些基礎知識點的講解后，可以利用Mate-rialsStudio軟件進行計算和演示，為這些基礎理論給出直觀形象的解釋，把材料的宏觀性質與微觀機理銜接上，這樣學生對材料科學的知識體系就會有一個整體的認識和了解。2.密度泛函理論及波函數的介紹。密度泛函理論是一種研究多電子體系電子結構的量子力學方法，其本質是以電子密度分布函數為變量代替波函數中的自變量來求解薛定諤方程，使求解復雜體系波函數的本征值成為可能。目前，密度泛函理論已廣泛應用于物理、化學及材料相關領域，特別是用來研究分子和凝聚態的性質。目前密度泛函理論DFT（DensityFunctionalTheory縮寫）被廣泛應用到計算模擬軟件中來求解薛定諤方程，可對材料的結構、性質、光譜、能量、過渡態結構和活化勢壘等方面的進行計算研究。在與分子動力學結合后，在材料設計、合成、模擬計算等方面有明顯進展，成為計算材料科學的重要基礎和核心技術。3.軟件的操作及相關內容的演示。MaterialsStudio程序包中的二十多個計算模塊是通過Visualizer這個可視化核心模塊整合在一起的，用戶可以很方便地應用Visualizer模塊構建有機、無極、聚合物、金屬等材料分子、及周期性的晶體材料、表面、層結構等模型，通過鼠標控制這些分子構型，可從不同角度查看并分析體系結構，容易形成直觀的概念。MaterialsStudio自帶的數據庫中的晶體結構可以用于教學演示，如在硅材料科學與技術和半導體物理等課程的教學過程中，需要用到單晶硅的晶體結構，可以很方便地從MaterialsStudio軟件的Structures/semiconductors數據庫文件夾中導入Si這個晶體數據文件，在課堂上為學生們演示，從（100）、（110）、（111）不同的晶面來進行展示（如圖1），以說明硅單晶的晶體結構。也可以通過Visualizer模塊中的菜單選項Build->Sym-metry->Supercell建立n×n超胞結構，通過調整角度，可以從不同晶向觀察晶體的晶面，通過超胞結構也可以演示各種晶體的密堆積結構。這樣就給學生一個生動、形象、直觀動態的概念，使其易于在頭腦中建立空間模型，理解所學知識點。通過Visualizer模塊對硅單晶的元胞進行演示，我們可以知道每個硅原子至多與另外四個硅原子相連，借此可以說明硅原子的共價鍵取向及硅晶體屬于金剛石型結構，源于硅原子的sp3雜化，形成了四個共價鍵。通過CASTEP模塊對硅單晶的元胞進行計算，可以得出其能帶結構和態密度，通過對計算結果的分析，可以得出硅單晶材料的帶隙特點。在稀土化學的教學過程中，可以通過CCDC英國劍橋晶體數據庫及WebofScience網站來獲取稀土配合物的晶體結構，然后通過MaterialsStudioVisualizer讀出晶體結構，用于課堂演示，有助于學生理解復雜的稀土配合物結構。在固體物理教學過程中，可以利用MaterialsStudio中的Re-flex模塊模擬粉晶體材料的X光、中子以及電子等多種衍射圖譜,可用于驗證實驗結果及演示教學。4.知識點的拓展。對于缺陷、雜質摻雜、空位等對晶體材料的影響，可以通過MaterialsStudio中Visualizer模塊建立相應的模型，然后通過CASTEP計算模塊進行計算。通過對計算結果的分析，說明這些因素對半導體材料性質的影響。MaterialsStudio軟件同樣可以計算材料的折射率、反射率、介電常數等性質。其計算的結果數據和圖表可以與教科書或文獻上的數據圖表進行對比，來說明計算方法的正確性，以此為支點，采用同樣的計算方法，我們可以嘗試設計更多的新型材料并進行計算。通過這些詳實的計算實例我們可以更生動地說明教學中的知識點，學生可以根據自己的興趣愛好，嘗試進行材料分子模型的設計并進行模擬計算。通過計算結果的對比，可以初步探討晶體中缺陷、雜質、空位等因素對材料性質的影響，在此過程中增加了學生的學習自主性和興趣。

二、GaussianView和Gaussian軟件在教學中的應用

（一）簡介Gaussian是一個功能強大的量子化學綜合軟件包。應用它可以計算分子能量和結構、過渡態的能量和結構、化學鍵以及反應能量、分子軌道、熱力學性質、反應路徑等等，功能非常強大。計算可以模擬氣相和溶液中的體系,模擬基態和激發態，進而通過含時密度泛函研究材料分子體系的激發態，算出吸收和發射光譜。Gaussian擴展了化學體系的研究范圍，可以對周期邊界體系進行計算，例如聚合物和晶體。周期性邊界條件的方法(PBC)技術把體系作為重復的單元進行模擬，以確定化合物的結構和整體性質。而GaussianView是一款為Gaussian設計的配套軟件，其主要作用有兩個：1.構建Gaussian的輸入分子模型，2.以圖形顯示Gaussian程序的運算結果。

（二）知識點的設置1.在材料科學有機電致發光材料及稀土化學課程的教學過程中，會涉及到有機或稀土發光材料的吸收及發射機理。通過把Gaussian軟件教學過程，我們可以很好結合這些算例講解三重態，單重態發射過程，給出與發射過程相關的分子最高占據軌道HOMO和最低非占據軌道LUMO的電子密度圖，這樣就可以很形象地解釋發射過程中的電子轉移過程，對低能吸收和發射過程的電子躍遷性質進行判斷。2.軟件的操作及相關內容的演示。(1)通過CCDC晶體數據庫或者WebofScience網站獲得相應的配合物或者稀土配合物晶體的晶體結構（通常為cif文件）。(2)應用Mercury軟件或者MaterialsStudio軟件讀取相應的晶體結構，轉存為GaussianView程序可以讀取的格式（一般選用*.cif、*.pdb、*.mol2格式）,通過Gaussian-View轉存為Gaussian輸入程序（*.gif-Gaussianinputfile)。(3)采用Gaussian程序進行計算。(4)通過GaussianView程序讀入Gaussian03/09計算結果，通常為log文件，或者fchk文件，GaussianView可以很方便地讀取Gaussian的計算結果并且以圖形的形式顯示出來，并可應用它對計算結果進行分析。(5)通過GaussianView對計算結果的進行處理，通過它顯示出發光材料的分子軌道電子云密度分布情況，吸收光譜，發射光譜等情況，結合這些圖形信息，我們可以對有機電致發光材料或者稀土發光材料的發光機理進行教學。3.知識點的拓展。GaussianView是由Gaussian公司開發的一款非常好的分子建模及顯示工具，學生可以通過對它的使用，很方便地進行分子設計并輸入到高斯程序中進行計算。可以安排學生在基礎發光材料分子的基礎上，在分子配體的添加取代基或者改變配體，進行嘗試，進行配合物分子的設計，增強其動手能力，為今后走進實驗室進行有機合成做準備。

三、預期的效果

量子力學知識點范文第5篇

【關鍵詞】固體物理 學科前沿 教學改革

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2012）07-0181-01

《固體物理》是大學物理專業一門重要的專業必修課。固體物理是研究固體的結構及其組成粒子(原子、離子、電子等)之間相互作用與運動規律，以闡明其性能與用途的學科［1，2］。同時，隨著科技的發展，以固體物理為基礎外向延拓的凝聚態物理成為當前重點研究的學科之一，是材料物理、半導體物理、新材料和新器件等新興交叉學科的理論基礎。固體物理的學習成為基礎理論與應用學科之間的橋梁，在當今世界的高新科技領域起著不可替代的作用。本課程的主要學習任務是在大學物理、量子力學、統計物理等知識基礎上學習晶格理論和固體電子理論、以及所涉及的學科發展的前沿和應用。因此有必要學習且學好這門課，這要求學生必須具備較強的物理思想、扎實的數學基礎、良好的量子力學基礎，而且這門課內容抽象且龐大，因此對授課的要求也相應地提出了挑戰。從教師角度來講，如果上好這門課，使學生深刻理解和掌握物理基本概念、所學內容，并能學以致用，培養學生解決實際問題的能力和創新能力，如何融合學科前沿知識于物理教學中，提高教學質量，值得我們深思。

筆者在教學中考慮到傳統的固體物理教學內容和日新月異的固體物理前沿內容間的關聯，在教學中引入學科前沿研究的具體問題，以期固體物理的教學能夠與時展相結合，強化學生的基礎知識學習，提高學生的學習興趣，拓寬學生的視野，培養學生的科學態度、學習能力和創新能力。本文引用教學過程中選擇的一個具體研究體系：即石墨烯體系來闡明如何在教學中建立基礎知識與前沿間的關聯的。石墨烯體系是2004年英國曼徹斯特大學的Geim和Novoselov等人通過機械剝離法獲得了單層石墨烯片，這種二維材料仍保持了近乎完美的晶體結構和極高的穩定性。石墨烯材料展現出了諸如無質量的狄拉克費米子、彈道輸運、室溫量子霍爾效應等一系列新奇的物理性質成為近幾年迅速發展起來的研究熱點材料之一。2010年，Geim和Novoselov因為在石墨烯研究方面的卓越貢獻獲得了諾貝爾物理學獎金。選擇石墨烯體系是因為：(1)它可以與固體物理眾多基礎知識點聯系起來，使學生在學習中更加具體化；(2)在教學過程中結合一個研究問題，在學習過程中層層推進，既深刻理解了固體物理的基本知識點，又同時逐步了解了前科學科的研究內容、方法；(3)此教學過程可以激發學生的學習熱情和興趣，讓學生感知學科發展的動力，認識科學的研究來源于基礎知識的積累、學習。下面我們簡要的梳理一下在教學過程中如何結合石墨烯體系進行教學的。

1.晶格結構。《固體物理》教學的第一塊內容是晶體結構以及對它的描述：基矢、倒格矢等。晶體結構是微觀粒子的排列方式，抽象、枯燥。我們將Materials Studio軟件應用于教學中，充分應用模擬軟件的可視化功能，導入典型材料的晶格結構，通過旋轉多角度的觀察微觀粒子的排列方式，分析結構特征。其中導入單層石墨烯結構：分析原胞，分析兩個不等價的碳原子，用A、B表示，求解原胞基矢、倒格矢，分析每類原子的最近鄰、次近鄰等，為后續緊束縛近似從能級擴展到能帶做鋪墊。

2.能帶理論。在晶體中，勢函數滿足周期性，狀態波函數滿足Bloch定理。求解石墨烯中載流子運動狀態和能量滿足的方程，考慮到碳原子核外電子在一個原子附近時，將主要受該原子場的作用，而把其它原子場的作用看成是微擾作用，因此采用緊束近似的方法。由于石墨烯中有A、B兩種不等價碳原子，波函數可以寫為ψ=C1?覫A+C2?覫B其中?覫A，?覫B 分別代表A和B的原子軌道對所有格點求和的波函數，在教師引導下讓學生具體求解本征方程，具體計算結合書本，只保留到最近鄰相互作用項，給出能帶公式，分析能帶圖，提醒學生注意能帶圖殊的6個交叉點（即K，K’點），具體物理分析留待后面解釋。

3.能態密度和費米面。能態密度以及費米面附近的載流子濃度是決定材料物性最基本的物理量。通過對石墨烯能帶結構的分析，由6個K和K’點組成的平面即為零偏壓下的費米面，忽略原子軌道間的重疊積分，在K/K’附件展開給出能量為波矢的線性關系，實驗上可用角分辨光電子譜等方法對石墨烯的能帶進行測量，向學生展示實驗結果并對比理論進行分析。相應地描述石墨烯載流子行為的方程是Dirac方程，而不是薛定諤方程，這一點需向學生做進一步分析解釋：區別傳統自由電子氣中描述載流子所采用的近自由電子近似，其中能量與波矢的關系成二次方項；而在單層石墨烯中載流子的速度約為106 m/s，類光子，采用Dirac方程描述。正是因為石墨烯中電子結構的特殊性為人們研究觀察相對論量子電動力學效應提供了更加方便的手段和系統，使得人們可以利用低能的凝聚態物理來模擬一些量子場下所預言的相對論量子現象，用石墨烯來檢驗Klein隧穿效應等，拓寬學生視野，激發學習熱情。

4.電子在電場和磁場中的運動。(1)通過能帶理論解析導體、絕緣體或半導體的導電行為。針對石墨烯材料，同樣由能帶結構分析導電性能。尤其指出當門電壓為零時，理論上載流子濃度為零，如何解釋實驗上觀測到的最小電導率，向學生拋出問題，引導學生思考，最后總結目前文獻中的相關解釋。(2)采用經典理論和量子理論分析自由電子系統在外加磁場條件下載流子的運動特征，介紹傳統的霍爾效應和整數量子霍爾效應現象。引入在石墨烯材料上室溫下觀測到的反常的量子霍爾效應現象。引導學生找出霍爾電導的反常性來源于材料結構的特殊性以及描述載流子運動方程的不同，并進一步給出在外加磁場下的狀態方程和能量關系，分析實驗現象。

5.其它。在課時允許的條件下，以專題的形式向學生介紹前沿知識。同樣以石墨烯為例，介紹晶格振動實驗和理論的結果；各種散射機制以及采用Boltzmann方程的方法如何處理散射問題，異質結的能帶形成過程；光的吸收與層數的關系實驗規律，分析光的吸收機制以及在透明導電薄膜領域的應用前景；以及石墨烯材料如何制備等等。當然我們也同樣可以選擇其它的學科前沿的事例結合固體物理的教學，在這里筆記主要是介紹通過石墨烯的研究內容來充實我們的教學內容。

總之，結合固體物理理論性強，并且學科飛速發展的特點，在課程內容上有必要增加學科前沿內容，傳授研究方法，設計研究性課題，解決實際問題。從而培養有創新能力的學生。

參考文獻：