量子化 Quantization 与量子态 Quantum State

  描述一个粒子的状态时,总要找一些能够用来区分微观粒子的属性。 如图 2.1.1,在宏观世界中,假设一个人在一栋楼中活动,如果他在一层,就称处于”1 态”;在二层,就称处于“2 态”;在地下一层,就称处于“-1 态”。微观粒子也有这样的属性,比如它的位置。

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图 2.1.2.1

简而言之,量子态就是一个微观粒子的状态。

  但是假设这个人正在上楼梯,进入到一个模糊的状态,这样就不太容易区分到底是在“1 态”还是“2 态”,此时就需要找一些客观存在的参数去描述这一方面的属性,比如所处的海拔。 通常,在日常生活中,这些描述都是连续的,因为这些参数会被分割成更小的部分。

  然而,无限分割下去,直到不得不靠“几个原子”这种单位去描述物体的长度时,量子效应就出场了。薛定谔方程告诉人们,一定会遇到不可分割的最小单位, 这种最小单位,统称为量子这种现象,被称为量子化。这是量子的第一个特性。

  量子化的属性有很多种,但在此优先考虑一种——能量。经过长期探索得知,原子的光谱只会有几个峰值,而不是连续的谱线, 这代表了原子内电子的能量只会出现几种情况,电子不可能具有几种情况之外的中间值,这就是能量的量子化。每一种能量,被称之为一个“能级”。

  同样以一栋楼为例,在微观的世界里面,一栋楼的楼梯被拆掉了,这使得微观粒子要么在一楼,要么在二楼,仅存在于整数的楼层, 但是,这不代表微观粒子就失去了上下楼的机会。这里就是量子的第二个特性——跃迁

  当一个原子中的电子获得了来自原子外的能量时,它就有可能克服能级之间能量的差距,跳跃到另外一个态上面,并且这个电子也可以将自己的能量释放出来,跳跃到能量较低的能级上面。 当然,能级本身是稳定的,不管怎么跃迁,电子的能量都只能处在这几个能级上,这是原则。

  最后,回顾下什么是量子态呢?你可以想象一下电子处在不同的能级(类似宏观世界的楼层)上面,给这些楼层命名称之 , 电子处于不同的能级就说明它处在不同的量子态,这样就可以区分出来不同的量子态。如果能想象到此种情形,那就已经明白了什么是量子态了。