布洛赫与伽莫夫|量子群英传-创新-知识分子

布洛赫与伽莫夫|量子群英传

2020/05/03
导读
研究晶体,布洛赫应用量子力学;解释衰变,伽莫夫提出隧穿效应

图源:pixabay.com


撰文 | 张天蓉

责编 | 宁茜 

 

尽管创立量子力学的几位理论物理学家分成了两大派,不停地争论。但其余大多数的量子物理学家们也没有闲着,他们也许暂时没考虑如何解释波函数,到底是电荷分布,还是概率分布?但他们(也包括玻爱辩论双方的主力)却把新量子论应用到物理的各个方面,解决一个又一个问题,并且取得了可喜的成绩。因此,今天也来聊聊量子力学的应用方面。

 

量子力学的应用


近几年“量子”这个名词突然在中国民众中热门起来,同时也造成了不少误解。人们只顾宣传量子现象之神奇,玻爱争论之长久,使得有些民众心里想:连爱因斯坦都认为不完备的理论还会有用吗?加上媒体对量子通信、量子计算机等不实的报道、宣传及争论,更使人云里雾里:以为这些尚未研究成型的玄乎技术,就是量子力学的应用。

 

量子力学的实际应用,一直伴随着其理论的发展,量子力学已经出现了100多年,它的应用也早在上世纪20、30年代就开始了,并非这些年才有的新鲜玩意儿,已经不是尖端的技术了。那么,量子力学有没有非它不可的应用,也就是说,是否存在没有量子力学就不可能实现的技术?

 

答案是肯定的,并且这种应用还很多。举两个简单的例子:核磁共振和激光。它们的应用范围很广,不用多列举大家就能想出一大堆。核磁共振在医学诊断上不可或缺,激光更可以说是无处不在。就这两项应用的原理而言,核磁共振技术上的实现是基于“自旋”的概念,而激光的实现是基于“全同粒子”,玻色-爱因斯坦量子统计等性质。这些都是量子力学中的名词,没有量子力学,不可能有这两样基本发明以及之后发展出来的相关技术。

 

另一个更大更复杂的领域是半导体技术。最早发现半导体材料其特殊性质的人是法拉第(Michael Faraday,1791-1867),那时候还没有量子力学。但是如果没有量子力学理论的指导,半导体技术不可能发展成现在这样越做越小的量产工程。

 

半导体材料是一种晶体,也就是说其中的原子呈某种周期排列。早在19世纪,法国物理学家奥古斯特·布拉菲(Auguste Bravais,1811-1863)已经于1845年得出了三维晶体原子排列的7大晶系和所有14种可能存在的点阵结构,为固体物理学做出了奠基性的贡献。

 

半导体技术包括许多方面,最早用实验方法探索这14种晶体结构的,是曾经出席过两次索尔维会议的布拉格和他的父亲。

 

布拉格父子


1915年诺贝尔物理学奖授予英国的亨利·布拉格(Sir William Henry Bragg,1862-1942)和他的儿子劳伦斯•布拉格(Sir William Lawrence Bragg,1890-1971),以表彰他们用X射线对晶体结构的分析所作的贡献。

 

图15-1:小布拉格(左)和老布拉格(右)

 

晶体内部的结构如何?那时候,科学家们刚刚发现了可以穿透人体,显示出骨骼之类轮廓的“X-ray”(或称之为“伦琴射线”)但当时的物理学家对其本质却还摸不透。专家们需要用原子尺度的光栅来探索射线的本质,这也同时探索了晶体结构。

 

最早做这件事情的是德国物理学家马克思·冯·劳厄(Max von Laue,1879-1960),他因此获得了1914年的诺贝尔物理学奖。后来,便是布拉格父子兵在这个领域里共同上阵。1915年,布拉格父子分享了原来传说要颁给特斯拉的诺贝尔物理学奖。这是唯一一次父子一同登上诺贝尔领奖台,成为了一段佳话。并且,小布拉格当时只有25岁,是迄今为止最年轻的诺贝尔物理学奖得主。

 

布拉格父子所做的诺奖级贡献,看起来不难理解。如果说劳厄的工作证实了X射线是一种电磁波,布拉格父子则是用这种电磁波开创了X射线晶体结构分析学,这为后人用X射线(以及电子波、中子波等)研究晶体结构,建立了理论基础。图15-2是布拉格反射定律的示意图,由图可见,对某个入射角θ,如果从两个距离为d的平行晶面反射的两束波之间的光程差,正好等于波长λ的整数倍时,便符合两束波互相干涉而加强的条件:2d sinθ=nλ;另外一些角度,则可能符合两束波互相干涉而相消的条件。这样,我们就能在接受屏上观察到衍射图像。


图15-2:布拉格定律

 

因为是父子一起获奖,小布拉格时常会被怀疑有“靠爹得奖”的嫌疑。但事实上并非如此,在关于X射线的研究中,小布拉格做出了非常重要的贡献,得奖是实至名归的。劳厄在1912年发现用X光照射晶体时,会形成格子状点阵。此时的老布拉格已对X光研究多年,并且坚信X光是粒子束。当他得知了劳厄的研究结果后,立马开始设计实验,想要推翻劳厄的理论。知道父亲的想法后,小布拉格也开始研究X射线。经过几个月的反复探索,小布拉格发现,父亲的理论是错的,X光确实是一种电磁波。很快,小布拉格便完成了基于X光是波动在晶体的原子三维矩阵中产生衍射的理论,这个理论后来被称为“布拉格定律”(Braggs law)。老布拉格在利兹大学建立了一流的X光研究实验室,他与小布拉格组成了“最佳父子拍档”,得出了一系列卓越的研究成果。

 

布洛赫波


小布拉格曾经出席了两次索尔维会议。除了布拉格之外,还有一位两次在索尔维会议上露过面的物理学家——莱昂·布里渊(Léon Brillouin,1889-1969),他最重要的贡献是在晶体倒格子空间中表示的“布里渊区”。然而,真正将量子力学概念用于晶体研究中去求解晶体中薛定谔方程的,是获得了1952年诺贝尔物理学奖的美籍瑞士裔物理学家费利克斯·布洛赫(Felix Bloch,1905-1983)

 

Felix Bloch,图源:bing.com

布洛赫出生在瑞士苏黎世。他最初想成为一名工程师,因此进入了苏黎世的联邦理工学院。他在那儿选修了德拜、外尔和薛定谔等开设的课程,将兴趣转向了理论物理。薛定谔于1927年秋离开苏黎世后,布洛赫在莱比锡大学拜海森堡(Werner Karl Heisenberg,1901-1976)为师,并于1928年夏天获得了博士学位,其研究方向是研究晶体中电子的量子力学并开发晶体动力学。之后他获得了各种助学金和研究金,使他有机会与泡利、克拉默斯、玻尔、费米等一起工作,并进一步研究了固态以及带电粒子的运动。

 

希特勒上台后,布洛赫于1933年春离开德国。他接受了斯坦福大学提供的职位,之后基本一直在美国生活。1928年,当爱因斯坦、玻尔等人,正在为如何诠释量子力学而争论不休的时候,作为海森堡学生的布洛赫却另辟蹊径,独自遨游在固体的晶格中。他求解了晶格中电子运动的薛定谔方程,并以其为基础建立了电子的能带理论。

 

电子在晶格中的运动本是一个非常复杂的多体问题,但布洛赫作了一些近似和简化后,得出的结论直观而简明。他研究了最简单的一维晶格的情形,然后再推广到了三维。

 

布洛赫首先解出真空中自由电子(势场为0)的波函数及能量本征值。然后,他将影响电子运动的晶格的周期势场当作一个微扰,如此得到晶格中电子运动薛定谔方程的近似解。根据布洛赫的结论:晶格中电子的波函数,只不过是真空中自由电子的波函数,其振幅部分被晶格的周期势调制后的结果(见图15-3)

 

这个晶格中电子的波函数被称为布洛赫波。以布洛赫波描述的布洛赫电子之运动而建立的能带理论,是后来半导体工业及集成电路发展的基础。

 

图15-3:晶格中的布洛赫波示意图

 

伽莫夫提出隧穿效应


1927年,德国物理学家弗里德里希·洪德(Friedrich Hund,1896-1997)首次发现电子波包能反复穿过势阱而形成振荡。紧接着,美籍俄裔物理学家伽莫夫(George Gamow,1904-1968)1928年提出用量子隧穿效应(Quantum tunnelling effect)来解释原子核的α衰变问题。

 

George Gamow,图源:totallyhistory.com


伽莫夫生于乌克兰,师从著名宇宙学家弗里德曼(Александр Александрович Фридман ,1888- 1925),他在前苏联接受教育直到获得博士学位。1928年到哥廷根大学与玻恩一起工作,并在那儿琢磨原子核的衰变问题。

 

卢瑟福(Ernest Rutherford,1871-1937)最早发现:α衰变时,从较大的原子核里面逃跑出来的α粒子是氦核。但他无法解释衰变发生的原因。伽莫夫读了卢瑟福的论文后,认为这是一种“隧道效应”。在经典力学中不可能发生,但在量子力学中就有可能。因为在量子力学中,α粒子可以以一定的概率出现于空间中的任何点,包括原子核外面的点。

 

有人用“穿墙术”来比喻隧道效应。这个“墙”就是α粒子要逃出原子核时需要克服的巨大吸引力形成的势垒。

 

势垒就像挡在愚公家门口的大山,功力不够就无法逾越。好比我们骑自行车到达了一个斜坡,如果坡度小,自行车具有的动能大于与坡度相对应的势能,不用再踩踏板就能“呼哧”一下过去了。但是,如果斜坡很高的话,当自行车的动能小于坡度的势能时,车行驶到半途就会停住,不可能越过去。也就是说,在经典力学中,不可能发生“穿墙术”这种怪事,粒子不可能越过比它能量更高的势垒。

 

但根据量子理论,微小世界里的α粒子,没有固定的位置,是模糊的一团遵循波动理论的“波包”。波包的波函数弥漫于整个空间,粒子以一定的概率(波函数平方)出现在空间每个点,包括势垒障壁以外的点。换言之,粒子穿过势垒的概率可以从薛定谔方程中解出来。也就是说,即使粒子能量小于势垒阈值的能量,一部分粒子可能被势垒反弹回去,但仍然将有一部分粒子能够以一定的概率穿越过去,就好像在势垒底部存在一条隧道一样,见图15-4。

 

图15-4:经典势垒和量子隧道

 

隧穿效应解释了α衰变,是量子力学研究原子核的最早成就之一。它不仅解释了许多物理现象,也有多项实际应用:包括电子技术中常见的隧道二极管、实验室中用于基础科学研究的扫描隧道显微镜等。

 

伽莫夫多方面贡献


伽莫夫对科学有多方面的贡献,好几项都可以说达到了诺贝尔奖级别,但遗憾的是他没有得到诺贝尔奖。

 

列举几项伽莫夫除了隧穿效应之外的贡献:

 

1,在原子核物理中始创原子核内部结构的液滴模型(1928年)。这个模型后来由玻尔和惠勒推广,解释原子核的裂变,成为研发原子弹的基础理论。

 

2,到剑桥卢瑟福实验室访学时,与考克饶夫(Sir John Cockcroft,1897-1967)和沃尔顿(Ernest Thomas Sinton Walton,1903-1995)合作。根据他的计算,那两人设计出加速器,第一次用人工加速的质子分裂原子核,打开了锂原子核。他们后来获得1951年诺贝尔物理学奖,在获奖感言中感谢了伽莫夫所起的关键作用。

 

3,与爱德华·泰勒(Edward Teller,1908-2003)共同描述自旋诱发的原子核β衰变(1936年)

 

4,在恒星反应速率和元素形成方面引入“伽莫夫”因子(1938年);建立红巨星、超新星和中子星模型(1939年)

 

5,伽莫夫1948年发展宇宙的“大爆炸理论”模型。

 

6,首先提出遗传密码有可能如何转录(1954年)

 

7,一系列科普著作——《物理世界奇遇记》《从一到无穷大》。

 

苏维埃政府因为伽莫夫在国外的成就将他召回国,并破格授予年仅28 岁的伽莫夫苏联科学院院士称号。但伽莫夫回到祖国的日子并不好过:护照被吊销,申请出国参加学术活动屡屡被拒,讲授量子力学时被党领导叫停,警告不能言及“测不准原理”这种不符合辩证唯物主义的谬论……

 

1933年,伽莫夫与妻子在苏联开始肃反大清洗之前,借参加第七届索尔维会议离开苏联,之后没有再回去过。


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