量子效應(yīng)

   在超低溫等某些特殊條件下,由大量粒子組成的宏觀系統(tǒng)呈現(xiàn)出的整體量子現(xiàn)象。根據(jù)量子理論的波粒二象性學(xué)說,微觀實物粒子會象光波水波一樣,具有干涉、衍射等波動特征,形成物質(zhì)波(或稱德布羅意波)。但日常所見的宏觀物體,雖然是由服從這種量子力學(xué)規(guī)律的微觀粒子組成,但由于其空間尺度遠遠大于這些微觀粒子的德布羅意波長,微觀粒子量子特性由于統(tǒng)計平均的結(jié)果而被掩蓋了。因此,在通常的條件下,宏觀物體整體上并不出現(xiàn)量子效應(yīng)。然而,在低溫降低或粒子密度變大等特殊條件下,宏觀物體的個體組分會相干地結(jié)合起來,通過長程關(guān)聯(lián)或重組進入能量較低的量子態(tài),形成一個有機的整體,使得整個系統(tǒng)表現(xiàn)出奇特的量子性質(zhì)。例如,原子氣體的玻色-愛因斯坦凝聚、超流性、超導(dǎo)電性和約瑟夫遜效應(yīng)等都是宏觀量子效應(yīng)。
  量子效應(yīng)是量子系統(tǒng)所表現(xiàn)出的一種不同于宏觀系統(tǒng)的現(xiàn)象。而量子系統(tǒng)即是其中微觀粒子呈現(xiàn)出波動性的系統(tǒng)。表現(xiàn)出顯著量子效應(yīng)的量子系統(tǒng)稱為是退化(簡并)的系統(tǒng),相應(yīng)的特征溫度稱為退化溫度。
  微觀粒子呈現(xiàn)出波動性,即粒子的“軌道”已經(jīng)失去了意義——軌道發(fā)生了彌撒(模糊);當(dāng)彌撒的軌道在空間發(fā)生一定的重疊時,各個粒子的幾率分布也有一定的關(guān)聯(lián)——量子關(guān)聯(lián)。因此可以認為產(chǎn)生量子效應(yīng)的條件是:
 、倭W拥膁e Broglie波長>>粒子的平均間距時,系統(tǒng)即為量子系統(tǒng)。根據(jù)de Broglie波長 l = h /(2mE) 關(guān)系,知道:粒子的質(zhì)量越小、能量越低、分布密度越大的系統(tǒng),越容易呈現(xiàn)出量子效應(yīng)。
 、诹孔雨P(guān)聯(lián)長度>粒子的平均間距時,系統(tǒng)即為量子系統(tǒng)。這時粒子的位置x與動量p不能同時確定,位置的不確定度Δx即可認為是量子關(guān)聯(lián)長度;溫度T是影響動量不確定度Δp 的一個因素:由自由粒子的平動動能 p/2m = 3kT/2,得動量不確定度Δp ≈ (3mkT),則位置的不確定度(量子關(guān)聯(lián)長度)Δx ≈ h /(3mkT) 。從而見到:溫度越低、粒子質(zhì)量越小、粒子分布密度越大的系統(tǒng),越容易呈現(xiàn)出量子效應(yīng)。量子系統(tǒng)的能量是不連續(xù)(量子化)的。

責(zé)編:微科普

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