1、第三章 第一性原理初涉 整理課件量子力學(xué)基本理論整理課件第一性原理是一種精確的材料預(yù)測和評估方法，可以預(yù)測材料的結(jié)構(gòu)及光學(xué)、電學(xué)、磁性等方面的性質(zhì)。特點是不依賴于經(jīng)驗參數(shù)，直接求解材料的最基本的量子力學(xué)方程。 是什么？量子力學(xué)基本理論物理學(xué)的重大變革：在19世紀(jì)，經(jīng)典力學(xué)的基本框架 牛頓力學(xué) 、熱力學(xué)及麥克斯韋電磁理論 已經(jīng)建立，并具有完美簡潔的形式。剩下的問題似乎只是對該體系作進一步完善。許多物理學(xué)家認為物理學(xué)的重要定律均已找到，偉大的發(fā)現(xiàn)不會再有了。英國著名物理學(xué)家開爾文在一篇展望20世紀(jì)物理學(xué)的文章中，就曾談到：“在已經(jīng)基本建成的科學(xué)大廈中，后輩物理學(xué)家只要做一些零碎的修補工作就行了?！?/p>

2、整理課件量子力學(xué)基本理論然而：開爾文也同時提到“動力理論肯定了熱和光是運動的兩種方式，現(xiàn)在，它的美麗而晴朗的天空卻被兩朵烏云籠罩了，第一朵烏云出現(xiàn)在光的波動理論上，第二朵烏云出現(xiàn)在關(guān)于能量均分的麥克斯韋-玻爾茲曼理論上?！?。第一朵烏云，主要是指邁克爾遜-莫雷實驗結(jié)果和以太漂移說相矛盾；他所說的第二朵烏云，主要是指熱學(xué)中的能量均分定則在氣體比熱以及勢輻射能譜的理論解釋中得出與實驗不等的結(jié)果，其中尤以黑體輻射理論出現(xiàn)的“紫外災(zāi)難”最為突出。整理課件量子力學(xué)基本理論物理學(xué)發(fā)展的歷史表明，正是這兩朵小小的烏云，終于釀成了一場大風(fēng)暴。邁克爾遜-莫雷實驗促使狹義相對論的誕生。黑體輻射促使了量子力學(xué)的誕生。

3、整理課件量子力學(xué)基本理論第一朵烏云邁克耳遜-莫雷實驗與以太說破滅水波的傳播要有水做媒介，聲波的傳播要有空氣做媒介；光波為什么能在真空中傳播?-以太。最早提出以太的是古希臘哲學(xué)家亞里士多德。牛頓為了解釋引力在真空中的傳播，復(fù)活了亞里士多德的以太說，認為以太是宇宙真空中引力的傳播介質(zhì)。后來的物理學(xué)家又發(fā)展了以太說，認為以太也是光波的傳播介質(zhì)。光和引力一樣，是由以太傳播的。他們還假定整個宇宙空間都充滿了以太，以太是一種由非常小的彈性球組成的稀薄的、感覺不到的媒介。整理課件量子力學(xué)基本理論第一朵烏云邁克耳遜-莫雷實驗與以太說破滅19世紀(jì)時，麥克斯韋電磁理論也把傳播光和電磁波的介質(zhì)說成是一種沒有重量，可

4、以絕對滲透的“以太”?！耙蕴奔染哂须姶诺男再|(zhì)，又是電磁作用的傳遞者，又具有機械力學(xué)的性質(zhì)，它是絕對靜止的參考系，一切運動都相對于它進行。這樣，電磁理論因牛頓力學(xué)取得協(xié)調(diào)一致?！耙蕴笔枪狻㈦?、磁的共同載體的概念為人們所普遍接受，形成了一門“以太學(xué)”。整理課件量子力學(xué)基本理論第一朵烏云邁克耳遜-莫雷實驗與以太說破滅新的問題:地球以每秒30公里的速度繞太陽運動，就必須會遇到每秒30公里的以太風(fēng)迎面吹來，同時，它也必須對光的傳播產(chǎn)生影響。這個問題的產(chǎn)生，引起人們?nèi)ヌ接懸蕴L(fēng)存在與否。為了觀測以太風(fēng)是否存在，1887年，邁克耳遜(1852-1931)與美國化學(xué)家、物理學(xué)家莫雷(1838-1923)合

5、作，在克利夫蘭進行了一個著名的實驗:邁克耳遜-莫雷實驗，即以太漂移實驗。整理課件量子力學(xué)基本理論第一朵烏云邁克耳遜-莫雷實驗與以太說破滅實驗結(jié)果證明，不論地球運動的方向同光的射向一致或相反，測出的光速都相同，在地球同設(shè)想的以太之間沒有相對運動。因而，根本找不到以太或絕對靜止的空間。由于這個實驗在理論上簡單易懂，方法上精確可靠，所以，實驗結(jié)果否定以太之存在是毋庸置疑的。整理課件量子力學(xué)基本理論第一朵烏云邁克耳遜-莫雷實驗與以太說破滅邁克耳遜一莫雷實驗使科學(xué)家處于左右為難的境地。他們或者須放棄曾經(jīng)說明電磁及光的許多現(xiàn)象的以太理論。如果他們不敢放棄以太，那么，他們必須放棄比以太學(xué)更古老的哥白尼的地動

6、說。整理課件量子力學(xué)基本理論第二朵烏云黑體輻射與紫外災(zāi)難整理課件量子力學(xué)基本理論第二朵烏云黑體輻射與紫外災(zāi)難整理課件量子力學(xué)基本理論第二朵烏云黑體輻射與紫外災(zāi)難“沒有一種經(jīng)典理論能完美的解釋實驗現(xiàn)象。整理課件量子力學(xué)基本理論第二朵烏云黑體輻射與紫外災(zāi)難整理課件量子力學(xué)基本理論第二朵烏云黑體輻射與紫外災(zāi)難整理課件量子力學(xué)基本理論量子力學(xué)的基本假設(shè)整理課件量子力學(xué)基本理論量子力學(xué)的基本假設(shè)整理課件量子力學(xué)基本理論量子力學(xué)的基本假設(shè)整理課件量子力學(xué)基本理論量子力學(xué)的基本假設(shè)整理課件量子力學(xué)基本理論量子力學(xué)的基本假設(shè)整理課件量子力學(xué)基本理論量子力學(xué)的基本假設(shè)整理課件量子力學(xué)基本理論量子力學(xué)的基本假設(shè)整

7、理課件量子力學(xué)基本理論量子力學(xué)的基本假設(shè)整理課件量子力學(xué)基本理論量子力學(xué)的基本假設(shè)整理課件量子力學(xué)基本理論總結(jié)一個多粒子體系的所有物理性質(zhì)原則上可以通過多粒子波函數(shù)來描述；多粒子波函數(shù)可以由多粒子體系的定態(tài)薛定諤方程來確定。但是，薛定諤方程求解非常困難。能嚴(yán)格求解的都是如氫原子能級分布這樣簡單的問題。整理課件怎么辦？基于密度泛函的第一性原理計算整理課件做一些近似：基于密度泛函的第一性原理計算Born-Oppenheimer近似 （絕熱近似）目的將原子核的運動與電子的運動分離。質(zhì)子的質(zhì)量是電子的1836倍，因而原子核的運動速度比電子的運動速度小很多。這樣，當(dāng)核的位置發(fā)生微小的變化時，電子能迅速調(diào)

8、整自己的運動狀態(tài)使之與變化后的庫倫場相適應(yīng)。因此可近似認為原子核相對電子是靜止的，電子在靜止原子核形成的電勢場中運動。整理課件基于密度泛函的第一性原理計算密度泛函泛函：函數(shù)的函數(shù)。將電子密度分布作為試探波函數(shù)，而不是電子波函數(shù)分布?？偰芰勘硎緸殡娮用芏鹊姆汉?。密度泛函理論的基礎(chǔ)：Hohenberg-Kohn定理整理課件基于密度泛函的第一性原理計算Hohenberg-Kohn定理在外勢中，存在相互作用的多電子體系的基態(tài)電子密度唯一地決定了這一勢場，基態(tài)電子密度與其所處的外勢場具有一一對應(yīng)關(guān)系；體系基態(tài)電子密度可以通過求解試探密度函數(shù)的變分極小值獲得。只指出了對應(yīng)關(guān)系，沒給出怎樣的對應(yīng)關(guān)系；通過變分極小值搜尋體系的基態(tài)電子密度也非常困難整理課件基于密度泛函的第一性原理計算Kohn-Sham方程整理課件使得密度泛函理論可以被實際應(yīng)用