旧量子论
旧量子论是一些比现代量子力学还早期,出现于1900年至1925年之间的量子理论。虽然并不很完整或一致,这些启发式理论是对于经典力学所做的最初始的量子修正。旧量子论最亮丽辉煌的贡献无疑应属玻尔模型。自从夫朗和斐于1814年发现了太阳光谱的谱线之后,经过近百年的努力,物理学家仍旧无法找到一个合理的解释。而玻尔的模型居然能以简单的算术公式,准确地计算出氢原子的谱线。这惊人的结果给予了科学家无比的鼓励和振奋,他们的确是朝着正确的方向前进。很多年轻有为的物理学家,都开始研究量子方面的物理。因为,可以得到很多珍贵的结果。
直到今天,旧量子论仍旧有声有色地存在着。它已经转变成一种半经典近似方法,称为WKB近似。许多物理学家时常会使用WKB近似来解析一些极困难的量子问题。在1970年代和1980年代,物理学家Martin Gutzwiller发现了怎样半经典地解析混沌理论之后,这研究领域又变得非常热门。(参阅量子混沌理论 (quantum chaos))。
基本原理
旧量子论的基本原理谈到原子系统的运动是量子化的,离散的。原子系统遵守经典力学;但不是每一种运动都合法,只有那些遵守旧量子条件的运动是合法的:
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其中,是动量,
是对应的坐标,
是整数的量子数,
是普朗克常数。
旧量子条件又称为威耳逊-索末菲量子化定则,是由威耳逊和索末菲各自发现的。旧量子条件公式的闭路积分取于整个运动的一周期,是相空间的面积,称为作用量。由于在这里,作用量被量子化为以普朗克常数为单位的整数,因此,普朗克常数时常被称为作用量的量子。
为了要符合旧量子条件,经典运动必须是可分的,意思是说,运动方程可以分为几个独立部分,每一个独立部分都包含了一个不同的坐标,而每一个坐标的方程部分所描述的运动都是周期性的。不同部分描述的运动不一定会有同样的周期,它们的周期甚至是互相不可通约的。可是,整个系统必须有一组可分的坐标,每一个坐标的方程部分都分别描述一个周期性的运动。
使用旧量子条件的动机,一个是对应原理,还有一个就是量子化的物理量必须是缓渐不变量的实际物理观察。例如,给予谐振子的普朗克量子化定律,这两个条件中,任意一个条件决定了量子化一个一般系统的正确经典物理量。
范例
谐振子
在旧量子论里,最简单的系统,谐振子系统,其哈密顿量是
;
其中,是动量,
是质量,
是角频率,
是坐标。
哈密顿量的等位集是椭圆形轨道。哈密顿量
等于能量
。旧量子条件要求轨道在相空间所围入的区域面积
必须是普朗克常数乘以整数倍数
。因此,
;
其中,、
分别是椭圆的半轴。
所以,依照威耳逊-索末菲量子化定则能量是
;
其中,是约化普朗克常数。
这众所皆知的量子化能量结果,时常用来建立其它旧量子条件。