量子物理学是描述微观物质运动的基本理论，为现代科学技术的基石，是学习现代各门自然科学和技术的基础，是理解各种微观现象的基础。希望通过学习达到以下具体目标：
1. 了解量子物理学的基础知识，包括黑体辐射、光电效应、康普顿散射、波尔模型；
2. 学习和理解微观粒子的波粒二象性、德布罗意波、德布罗意关系；
3. 学习和掌握海森伯不确定关系和时间-能量不确定关系；
4. 学习和理解量子物理学的基本原理；
5. 学习和掌握薛定谔方程；
6. 学习求解一维无限深势阱、势垒穿透、一维线性谐振子、氢原子的定态薛定谔方程。
7. 学习和掌握原子结构；
8. 学习和掌握半导体的性质及其应用；
9. 学习和掌握激光的工作原理。
模块导学：
学习量子物理学的一种方法是沿着量子物理学的发展史, 从经典物理学所遇到的困难开始、量子概念的萌发开始; 另一种方法是从系统量子理论的基本假设开始。我们采取第一种方法学习量子物理学。
通过学习黑体辐射、光电效应、康普顿散射、波尔模型, 首先认识到经典物理学的困难和其局限性。然后了解为了克服这些经典物理学所遇到的困难、对这些物理现象进行解释所萌发的能量量子的概念。
接着学习德布罗意物质波、德布罗意关系, 理解与微观粒子相联系的物质波以及微观粒子的波粒二象性。学习海森伯森伯不确定关系和时间-能量不确定关系。理解波函数的概念以及波恩对波函数的概率解释。学习量子物理学的基本原理。学习并掌握含时薛定谔方程以及定态薛定谔方程。
学习求解一维无限深势阱中粒子的定态薛定谔方程, 学习求解势垒穿透问题, 学习求解一维线性谐振子的定态薛定谔方程, 学习求解氢原子的定态薛定谔方程。学会利用所得能级和定态波函数解决相关的物理问题。
学习如何利用量子物理学理解半导体的性质和半导体器件的工作原理。学习如何利用量子物理学理解激光的工作原理。
重点难点指导：
重点：波粒二象性、定态薛定谔方程的求解、量子数的概念；
难点：波函数的概念及其解释、量子物理学基本原理、原子结构。
(1) 正确理解微观粒子的波粒二象性
微观粒子的粒子性和波动性不是微观粒子的独立性质，而是微观粒子量子性质的两个不同侧面。微观粒子波动性中的波不是经典意义下的波；微观粒子粒子性中的粒子也不是经典意义下的粒子。在一些物理现象中，微观粒子的波动性显著；而在另一些物理现象中，微观粒子的粒子性显著。描写波动性的物理量（波长和频率）与描写粒子性的物理量（动量和能量）之间的关系由德布罗意公式给出。由于微观粒子的波粒二象性，微观粒子的状态和运动必须用波函数来描写。
(2) 正确理解不确定关系
微观粒子的波粒二象性产生许多物理后果，其中之一就是不同物理量之间或者同一物理量不同分量之间不对易。这种不对易性使得这些物理量或同一物理量的不同分量不能同时具有确定值，也就是说它们具有不确定关系。这种不确定关系是微观粒子固有的，不是由测量仪器所决定的。
(3) 注意边界条件在求解定态薛定谔方程中所起的作用
薛定谔方程在量子力学中的地位与牛顿第二定律在牛顿力学中的地位类似，为量子力学的核心方程。在很多情况下，一旦得到了一个量子系统定态薛定谔方程的解，则可计算得到该量子系统的所有物理性质。定态薛定谔方程为量子系统能量算符的本征值方程。从该方程我们既可以得到能量本征值又可以得到能量本证函数。在求解定态薛定谔方程这个微分方程时，边界条件起非常重要的作用。能量本征值往往由边界条件决定。注意：边界条件可由波函数的有限、单值、连续标准条件得到。
(4) 正确理解势垒穿透
势垒穿透是指微观粒子有不为零的概率出现在高度大于其总能量势垒另一边的现象。在势垒区域，由于微观粒子的总能量小于势垒的高度，能量守恒似乎被违背了。能量守恒当然没有被违背。考虑到粒子的坐标与动量的不对易性，粒子的动能和势能在势垒区域内不总是对易的，因此粒子的动能和势能不总是同时具有确定值。动能在势垒区域内取值的不确定性造成了其取值的涨落。这种涨落使粒子的总能量大于势垒高度的概率不为零，因此粒子穿透势垒的概率不为零。
参考资料目录：
1.《大学物理学》（第四版） 余虹主编，科学出版社，2017.12
2.《普通物理学》（第五版） 胡盘新 孙 疆主编，高等教育出版社，2004.7
3.《大学物理学》（第二版） 张三慧主编，清华大学出版社， 1999.12
本模块所涉及的内容为量子理论的基本内容, 为理解微观粒子运动的基本知识。本模块的主要内容包括黑体辐射, 光电效应, 康普顿散射, 波尔模型, 德布罗意关系, 波粒二象性, 海森伯不确定关系, 时间-能量不确定关系, 量子物理学的基本原理, 含时薛定谔方程, 定态薛定谔方程, 一维无限深势阱, 势垒穿透, 一维线性谐振子, 氢原子, 原子结构, 半导体, 激光。
1. 从金属铝中逸出一个电子至少需要4.2 eV的能量。今有波长200nm的紫外线照射铝表面，求：（1）铝的红限波长；（2）遏制电压；（3）光电子的最大初动能。
答：（1）296 nm；（2）2V；（3）2eV.
2. 在加热黑体过程中，其最大单色辐射本领的波长由0.6微米变到0.4微米，则其总辐射本领增加多少倍？
答：总辐射本领增加4.0625倍.
3. 在康普顿散射中，设反冲电子的速度为0.6c，问：在散射过程中电子获得的能量是其静止能量的多少倍？
答：0.25倍.
4. 设氢原子的质量为m，动能为Ek ，不考虑相对论效应求其德布罗意波长。
10. 欲使氢原子能发射巴耳末系中波长为656.28 nm的谱线，计算最少要给基态氢原子提供的能量。（里德伯常数R＝1.096776´107 m-1）
答：12.09eV
11. 基态原子中电子的排列遵循什么原理？
答：泡利不相容原理和能量最小原理。
12. 请分别写出原子自发辐射和受激辐射所发出的光的特点。
答：自发辐射出的光是不相干的；
受激辐射所产生的光子具有与外来光子完全相同的特性。即它们的频率、相位、振动方向、传播方向均相同。
13. 写出激光器中光学谐振腔的作用。
答：(1) 产生与维持光的振荡，使光得到加强，进一步实现光放大；
(2) 通过振荡（多次反射），使激光有极好的方向性；
(3) 通过光学谐振腔的选频作用，使激光的单色性好。
14. 什么是本征半导体？本征半导体的导电机制是什么？
答：本征半导体是指：纯净的半导体单晶材料，无任何杂质与缺陷，原子的排列遵循严格的周期性。
本征半导体的导电机制；本征激发到空带中的电子和余下的满带中的空穴导电。而且，本征激发中，从价带中激发到导带的电子浓度与价带中的空穴浓度相等。即导电的电子和空穴都是主要载流子。
问题1 黑体是否总是呈黑色?黑色的物体是否都是黑体?太阳光照射下黑体是否能无限制地升温?
讨论 单色吸收率恒等于1 的物体称为黑体，这是一个理想模型。作为理想模型的黑体，只是说它的单色反射率恒为零。不反射由外界辐射来的能量，但它本身仍要辐射能量。黑体并不一定是黑色的，它的颜色是由它自身所发射的辐射频率所决定的。如果黑体温度很低，则它辐射的能量很少，辐射的峰值波长会远大子可见光波长，则呈现黑色。如果黑体温度较高，辐射的能量大，峰值波长处于可见光波段范围内，就会呈现各种颜色。例如金属炼炉上的小孔可近似视为黑体，而在高温工作条件下该小孔看上去十分明亮。
至于呈黑色的实际物体，由于它的单色吸收率并不恒等于1 ，或者说它的单色反射率并不是恒为零，一般不能称为黑体。
在太阳光照射下的黑体的温度也不会元限制地升温。由基尔霍夫定律可知:对某种波长的辐射吸收强烈的物体，对这种波长的辐射本领也大。在太阳光照射下的黑体吸收辐射能量使其温度升高的同时，向外辐射的能量也增大。当黑体的温度上升到某一值时，吸收的辐射能量与发射能量处在动态平衡时，温度就不再上升。
问题2 光电效应和康普顿效应都包含有电子与光子的相互作用过程，这两种过程有什么不向？
讨论 光电效应涉及的电子是金属中的自由电子，当它企图离开金属时它不是完全自由的，而是被束缚在金属表面以内。在光电效应中，通常是一个电子吸收一个光子的过程，电子与光子的相互作用是非弹性碰撞。在碰撞过程中能量守恒，动量不守恒，金属材料必取走部分动量。而康普顿效应的散射物中的电子并不离开散射物，在光子能量较大时可看作是完全自由的。散射物中电子与光子的相互作用可近似看成弹性碰撞过程，满足动量和能量守恒定律。光子把一部分能量传给电子后，光子散射出去，所以散射光波长比人射光波长大。。
问题3 从能带的观点来看，绝缘体、导体和半导体有什么区别?
讨论 一般说来，绝缘体满带与空带的间隔即禁带宽度较大(约3eV-lOeV) 。满带中氢然有自由电子，但满带是不导电的。在常温下，满带电子激发到上邻空带的概率很小，对导电作用的贡献极徽。因此绝缘体几乎不具导电性。
导体具有未满带(如Li) 或满带和空带交叠也形成一个未满带(如Mg) 或者有未满带同时也有空带交叠(如K) 。在外电场的作用下，电子很容易在该能带中从低能级跃迁到较高能级，从而形成电流，具有导电性。
半导体的禁带宽度较窄(O.leV-2eV) ，在常温下，满带电子激发到上邻空带的概率较大，在电场作用下，空带中的电子和满带中的空穴可以形成电流。但导电性仍较导体为差而优于绝缘体。
问题4本征半导体与杂质半导体，在导电性上有怎样的区别?
讨论 对于本征半导体，它的导电特征是参加导电的正、负载流子的数目相等，总电流是电子流和空穴流的代数利。至于杂质半导体， n 型半导体主要导电的载流子是电子， p 型半导体主要导电的载流子是空穴。这两种类型都是由杂质原子起主要导电作用，由于杂质半导体中的电子跃迁到导带中去(n 型半导体) ，或满带中的电子跃迁到杂质能级中来(p 型半导体) ，都较本征半导体满带中的电子直接跃迁到导带中来得容易，所以少量的杂质就会显著
地影响导带中的电子数或满带中的空穴数。因而少量杂质将会显著地影响半
体的导电性。
问题5自发辐射与受激辐射有何区别?
讨论 处于激发态的原子是不稳定的，在没有任何外界作用下，激发态原子会自发地辐射光子返回基态，这一过程称为自发辐射。自发辐射的过程是一个随机过程，各个原子的辐射都是自发地、独立地进行的。因而各个原子辐射出来的光子的相位、偏振态以及传播方向之间没有确定的关系。对大量原子来说，其所处的激发态也不尽相同，因而辐射光子的频率也不同。所以自发辐射的光是不相干的。普通光源发光属于自发辐射。受激辐射的过程是处于激发态的原子受到外来能量满足h n = E2 – E1的光子的剌激作用，从高能级E2 跃迁到低能级E1, 同时辐射一个光子，辐射出的光子与外来光子的频率、相位、偏振态和传播方向均相同。一个光子入射原子系统后，可以由于受激辐射变为两个全周光子，两个光子又可变为四个…，这就实现了光的放大。受激辐射光放大是激光产生的基本机制。
问题6 激光谐振腔在激光形成过程中起哪些主要作用?
讨论 激光谐振腔的主要作用有三:一是进一步得到光放大; 二是使激光的方向性好; 三是使激光单色性好。因为在激光谐振应内，受激辐射发出的光，沿轴线方向传播经过谐振腔反射在腔内形成光振荡，每次往复，都会使处于反转状态的高能级上的粒子受激辐射出更多的同频率、同相位、同偏振态、同传播方向的光。即进一步得到光放大。而不沿轴线传播的光，经谐振腔有限次反射将逸出腔外，从而只有沿袖向传播的光输出。即方向性好。又因为在受
激辐射的基础上在腔内要形成稳定的振荡，波长必须满足一定的条件，不满足条件的光将很快被衰减掉，还要受选模条件的限制，所以输出光具有良好的单色性。
