篇一：自然科学概论期末论文
学院：马克思主义学院
专业：思想政治教育（
学号：
姓名：袁琼
科目：自然科学概论（期末）
2010级）222010301011104
量子力学的发展史研究
（西南大学马克思主义学院 400715）
【摘要】：量子理论是在普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难，引入能量子概念的基础上发展起来的，爱因斯坦提出光量子假说、运用能量子概念使量子理论得到进一步发展。玻尔、德布罗意、薛定谔、波恩、狄拉克等人为解读量子理论遇到的困难，进行了开创性的工作：先后提出电子自旋概念，创立矩阵力学、波动力学，波函数的物理诠释以及提出测不准原理和互补原理等等。终于在1925年到1928年形成了完整的量子力学理论，与爱因斯坦的相对论并肩形成了现代物理学的两大理论支柱。
【关键词】： 量子论早期 建立与发展 诠释与完善
【正文】：
量子论是现代物理学的两大基石之一，给我们提供了新的关于自然界的表述方法和思考方法。量子论揭示了微观物质世界的基本规律，为原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学奠定了理论基础。旧量子论包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论。
一、 量子论的早期
早在十九世纪末，经典的物理学基础已经被物理学家所建立。当时的力学方面有包含牛顿力学的分析力学，电磁方面有麦克斯韦方程组，热学方面热力学三大定律。物理学家们普遍保持着乐观的感觉，认为对于物理现象已经有了基本甚至是全面的认识。然而在新世纪之初，开尔文爵士在一次“十九世纪的乌云笼罩这热和光的动力学理论” 的报告却引起了整个物理理论的变革。
1. 普朗克的能量子假说
1900年，普朗克提出辐射量子假说，假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式(能量子)实现的，能量子的大小同辐射频率成正比，比例常数称为普朗克常数，从而得出黑体辐射能量分布公式，成功地解释了黑体辐射现象。普朗克在黑体辐射的维恩公式和瑞利公式之间寻求协调统一，找到了与实际结果符合极好的内插公式，迫使他致力于与理论上推导这一新定律。但是，他经过几个月的紧张努力也没能从力学的普遍理论直接退出新的辐射定律。最后只好用玻尔兹曼的统计方法来试一试。他根据黑体辐射的测量数据计算出普适常数，后来人们称这个常数为普朗克常数，也就是普朗克所谓的“作用量子”，而把能量元称为能量子。
2. 光电效应的研究
普朗克提出的能量子假说具有划时代的意义，但是，不论是他本人还是同时代的人当时对这一点都没有充分的认识。爱因斯坦最早明确的认识到，普朗克的发现标志了物理学的新纪元。1905年，爱因斯坦在其论文《关于光的产生和转化的一个试探性观点》中，发展了普朗克的量子假说，提出了光量子概念，并应
用到光的发射和转化上，很好地解释了光电效应等现象。在那篇论文中，爱因斯坦总结了光学发展中微粒说和波动说长期争论的历史，揭示了经典理论的困境，提出只要把光的能量看成不是连续的，而是一份一份地集中在一起，就可以做出合理的解释。与此同时，他还大胆地提出了光电方程，因为当时还没有足够的实验事实来支持他的理论，所以爱因斯坦称之为“试探性观点”。他的光量子理论并没有及时地得到人们的理解和支持，知道1916年，美国物理学家密立根对爱因斯坦的光电方程做出了全面的论证，光量子理论才开始得到人们的承认。
3. 固体比热的研究
1906年，爱因斯坦将普朗克的量子假说应用于固体比热，解释了固体比热的温度特性并且得到定量结果。然而，这一次跟光电效应一样，也未引起物理界的注意。不过，比热问题很快就得到了能斯特的低温实验所证实。量子理论应用于比热问题获得成功，引起了人们的关注，有些物理学家相继投入这方面的研究。在这样的形式下，能斯特积极活动，得到比利时化学工业巨头索尔威的资助，促使有历史意义的第一届索尔威国际物理会议的召开，讨论的主题就是《辐射理论和量子》，这次会议在宣传量子理论上起了很好的作用。
4. 量子假说应用于原子模型
哈斯是奥地利的物理学家，他在研究黑体辐射时很早就注意到了量子论。汤姆生专门讨论原子结构的书《电与物质》和维恩的文章促使他运用量子公式来阐述原子结构，这是将量子假说运用于原子结构的最初尝试。丹麦人玻尔坚信卢瑟福的有核原子模型学说，为了证实其正确性，玻尔利用量子假说来解决原子的稳定性问题。要描述原子现象，就必须对经典概念进行一番彻底的改造，因为一致公认的经典电动力学并不适于描述原子规模的系统行为。1913年，玻尔在他的第二篇论文中以角动量量子化条件作为出发点来处理氢原子的状态问题，得到能量、角频率和轨道半径的量子方程。可见，玻尔的对应原理思想早在1913就有了萌芽，并成功地应用于原子模型理论。玻尔的原子理论完满地解释了氢光谱的巴耳末公式；从他的理论推算，各基本常数如e、m、h和R（里德伯常数）之间取得了定量的协调。他阐明了光谱的发射和吸收，并且成功地解释了元素的周期表，使量子理论取得了重大的进展。
二、 量子力学的建立与发展
量子力学是研究微观粒子（如电子、原子、分子等）的运动规律的物理学分支学科，它是主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论。量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的。
1. 德布罗意假说
1923年9月—10月间，德布罗意连续在《法国科学院通报》上发表了三篇有关波和量子的论文，提出实物料子也有波粒二象性，认为与运动粒子相应的还有一正弦波，两者总保持相同的位相，后来他把这种假想的非物质波称为相波。他把相波概念应用到以闭合轨道绕核运动的电子，推出了玻尔量子化条件。德布罗意的博士论文得到了答辩委员会的高度评价，认为很有独创精神，但是人们总认为他的想法过于玄妙，没有认真地加以对待。后来引起人们的注意是由于爱因斯
坦的支持。当时他正在撰写有关量子统计的论文，于是就在其中加了一段介绍德布罗意工作的内容。这样一来，德布罗意的工作立即得到大家注意。
2. 电子自旋概念的提出
玻尔理论提出之后，为了解释半量子数的存在，理论家费尽了心机，提出了种种假说。1924年，泡利通过计算发现，满壳层的原子实应该具有零角动量，因此他断定反常塞曼效应谱线只是由价电子引起，而与原子实无关。显然价电子的量子论性质具有“二重性”。他提出二重性实际上就是赋予电子以第四个自由度，然而，泡利自己也无法说清二重性和第四个自由度的物理意义。这时，一位来自美国的物理学家克罗尼格对泡利的思想非常感兴趣。他从模型的角度考虑，认为可以把电子的第四个自由度看成是电子畅叙有固有角动量，电子围绕自己的轴在作自转。根据这个模型，他还作了一番计算，得到的结果竟和用相对论推证所得相符。但泡利对他的想法持强烈反对态度，因而，克罗尼格不敢把自己的想法写成论文发表。 半年后，荷兰著名物理学家埃伦费斯特的两个学生在不知道克罗尼格工作的情况下提出了同样的想法，并写成论文发表了。这得到了海森伯的赞同，不过，如何解释双线公式中多出的因子2，一时还得不到解答。玻尔试图从相对论推出双线公式，但仍然没有结果。终于，在1926年，在哥本哈根研究所工作的英国物理学家托马斯才解决了这个问题。这样一来，电子自旋的概念很快被物理学界普遍接受。
3. 矩阵力学的创立
矩阵力学的创立者海森伯1924年到哥本哈根跟玻尔和克拉末斯合作研究光色散理论。在研究中，他认识到不仅描写电子运动的偶极的振幅的傅里叶分量的绝对值平方决定相应辐射的强度，而且振幅本身的位相也是有观察意义的。海森伯由这里出发，假设电子运动的偶极和多极电矩辐射的经典公式在量子理论中仍然有效。然后运用玻尔的对应原理，用定态能量差决定的跃迁频率来改写经典理论中电矩的傅里叶展开式。这样，海森伯就不再需要电子轨道等经典概念代之以频率和振幅的二维数集。他当时并不知道这就是矩阵运算，于是就向玻恩请教有没有发表价值。玻恩经过几天思索才发现海森伯用来表示观察量的二维数集正是线性代数中的矩阵，此后，海森伯的新理论就叫《矩阵力学》。 玻恩着手运用矩阵方法为新理论建立一套严密的数学基础。与数学家约丹联名发表了《论量子力学》一文，首次给矩阵力学以严格的表述。接着，玻恩、约丹、海森伯三人合作，系统地论述了本征值问题、定态微扰和含时间的定态微扰，导出了动量和角动量守定律，以及强度公式和选择定则，从而奠定了量子力学的基础。
4. 波动力学的创立
爱因斯坦发表的关于量子统计理论的论文中提到了德布罗意的物质波假说，这引起了薛定谔的注意，使他萌发了用新的观点研究原子结论的想法。1925年10月，薛定谔得到了一份德布罗意的博士论文，使他有可能深入地研究德布罗意的位相波思想。1926年1月到6月间，薛定谔一连发表了四篇论文，题目都是《量子化就是本征值问题》，从经典力学和几何光学的对比提出了对应于波动光学的波动方程。这一组论文奠定了非相对论量子力学的基础。薛定谔把自己的新理论称为波动力学。
5. 波函数的物理诠释
波动力学提出后，人们普遍对薛提出的波动力学中的某些关键概念（如波函数）的物理意义还不明确。玻恩在1926年6月发表了《散射过程的量子力学》一文对波函数进行了诠释，波动力学才为公众普遍接受。爱因斯坦曾把光波振幅解释为光子出现的几率密度，这一观点引导了玻恩对波函数的诠释，可见，爱因斯坦在量子力学的发展中起了很重要的作用。
6. 测不准原理和互补原理的提出
测不准原理也叫不确定原理，是海森伯在1927年首先提出来的，它反映了微观粒子运动的基本规律， 海森伯在创立矩阵力学时，对形象化的图象采取否定态度。但他在表述中仍然需要“坐标”、“速度”之类的词汇，这些词汇已不再等同于经典理论中的那些词汇。为解释这些词汇坐标的新物理意义，海森伯抓住云室实验中观察电子径迹的问题进行思考。他意识到电子轨道本身的提法有问题，人们看到的径迹并不是电子的真正轨道，而是水滴串形成的雾迹，水滴远比电子大，所以人们也许只能观察到一系列电了的不确定的位置，而不是电子工业的准确轨道。因此，在量子力学中，一个电子只能以一定的不确定性处于某一位置，同时也只能以一定的不确定性具有某一速度 。可以把这些不确定性限定在最小范围内，但不能等于零。这就是海森伯对不确定性的最初思考。海森伯的测不准原理是通过一些实验来论证的，他还通过对确定原子磁矩的斯特恩-盖拉赫实验的分析得出结论：能量的准确测定如何，只有靠相应的对时间的测不准量才能得到。
海森伯的测不准原理得到了玻尔的支持，但玻尔不同意他的推理方式，认为他建立测不准关系所用的基本概念有问题。于是提出了互补原理。他指出，平常大家总认为可以不必干涉所研究的对象，就可以观测该对象，但从量子理论看来却不可能，因为对原子体系的作何观测，都将涉及所观测的对象在观测过程中已经有所改变，因此不可能有单一的定义，平常所谓的因果性不复存在。对经典理论来说互相排斥的不同性质在量子理论中却成了互相补充的一些侧面。波粒二象性正是互补性的一个重要表现。其他量子力学结论也可从这里得到解释
三、 关于量子力学的诠释与完善
量子力学的理论体系虽然建立起来了，然而对它的诠释却又成了问题，当时的物理学家不知道为什么会有这些东西的产生，特别是关于其完备性的争论。
玻恩、海森伯等人提出了量子力学的诠释之后，遭到了爱因斯坦和薛定谔等人的批评，他们不同意对方提出的波函数的几率解释、测不准原理和互补原理，双方展开了一场长达半个世纪的大论战，许多理论物理学家、实验物理学家和哲学家卷入了这场论战，至今还未告结束。 正是由于以爱因斯坦为代表的EPR一派和以玻尔为代表的哥本哈根学派的长期争论，才使得量子力学越来越完备，很多问题得到了系统性的研究。 1965年，贝尔在定域隐参量理论的基础上提出了一个著名的关系，人称贝尔不等式，于是有可能对隐参量理论进行实际的实验检验，从而判断哥本哈根学派对量子力学的解释是否正确。从70年代开始，各国物理学家先后完成了十几项检验贝尔不等式的实验。这些实验大多数都明显地违反了贝尔不等式，而与量子力学理论预言的相符。但也不能就此对爱因斯坦和玻尔的争论作出最后裁决。目前这场论战还在进行之中，没有得出最后的结论。
篇二：自然科学概论论文
2004年春天SARS病例在北京再次出现，是由于中国实验室的病毒外泄，新加坡和台湾的实验室2003年也都曾发生过SARS病毒泄漏事故，类似的事情过去在其他国家和地区的研究机构也曾一再出现过。疾病控制中心反而成了想要控制的疾病的流行源头，这正是科学时代的黑色幽默。该中心有关负责人员已经接受相应处罚了，但是，这个案例却进一步加深了我们对于科学研究活动负面影响的思考。
技术是，技术的实际发展和使用带给人们的并非一定是正面的价值，这一点即使在中国这样一个科学主义盛行的国度里，也被学术界普遍接受了。但是，人们认为科学作为知识，仅仅是观念形态的存在，它只有被使用，被转化为现实存在时才能产生直接的后果和作用，才能谈得上是否有负面影响。目前流行的观点认为，科学研究有纯科学研究和应用研究的区分。纯科学是价值中立的，不应设置禁区，因有禁区就意味着科学的终结。应用研究才引出好坏问题，负面效应是技术造成的，而不是科学造成的。因而笼统说“科技是双刃剑”对科学是不公平的。无怪乎直到今天还有人振振有辞地反问:科学哪来负效应?
在科学技术高度一体化的今天，即使我们不去追问将科学技术截然分开是否真的可行，不去追问将科学技术仅仅当作工具的思路是否流于表面，不去追问科学知识的价值负载，这种观点也是错误的。因为它忽视了科学研究活动本身必然包含了人们对自然的改造活动，虽然在规模上也许远远不及工程技术活动。如果说，作为观念形态的科学知识不能直接产生实际作用的话，那么作为至少是对研究对象进行控制和干预以获取知识的科学实验活动本身，从某种角度上说就是一种技术活动，就在产生着实际的作用。而且，正是这种现实的物质作用才是科学试验的真正价值所在。所以科学试验的现实的、物质性作用是本质性的，不可消除的。因此对技术活动适用的，在原则上也适用于科学活动。
事实上科学实验常常会可能带来负面的作用，例如核试验、微生物学实验、涉及到有毒化学物质的实验、乃至现在争议很大的野外转基因作物种植的实验等等。科学共同体早就从经验中认识到了这种可能的危险，往往也会制定严格的规定以防范危险。例如，著名的阿西洛马国际会议就是一些有良知的科学家们对刚开始兴起的基因工程实验可能的带来的危险事先发出预警信号。
在科学发展的初期，由于科学研究的规模比较小，研究对象是人们所熟知的常见的普通对象，科学研究活动很难对实验室之外的自然和社会产生值得关注的影响，所以人们往往会忽视科学研究活动本身所产生的负面影响。但是，如今科学发展已经彻底使得这种忽视变成不能原谅的错误了。如剑桥大学教授马丁·芮斯（Martin J. Rees）在《我们最后的时刻》（Our Final Hour）中认为，人类已经前进到了这样的位置，我们自己现在是我们最大的敌人：在一直威胁着我们的自然灾害之外，还加入了科技。现代科技使得个人或者小团体的力量得到了高度放大，以至于实验室里的一次错误就可以产生一场大浩劫，带来只有上个世纪的核战争狂人才能想象得到的严重破坏。事实上他曾以一千美元打赌，在2020年之前就会有一场生物恐怖攻击或者生物意外，会导致一百万人丧生。芮斯的估计未必很准确，但是科学实验以及相关的设施、材料可能是危险的来源，这应该是无疑的。
除了科学研究过程可能给人类社会带来巨大的灾难性威胁之外，科学研究还有可能在其他方面带来负面效应，也需要人们加以注意、控制和引导的。例如，科学研究活动需要大量的社会资源的投入，如果不顾社会的承受能力，一味加大对科学研究投入的力度，就可能影响到社会其他方面的资源投入。例如，连当今世界上头号强国美国也嫌超级超导对撞机过于昂贵，不得不将已经开工，并投入了巨资的工程下马，就是一个典型的社会对科学研究进行某种干预和控制的典型案例。
科学研究所产生的另外一种负面影响，是有关医学和生物学实验对实验动物和人体所产生的危害。严格地说，纳粹医生和日本军国主义731部队的医生所进行的也是科学研究活动，其结果也是有科学价值的，甚至是很重要的，否则美国人不会以包庇这些罪大恶极的罪犯来
换取这些研究资料。但是，我们仍然认为他们所进行的科学研究活动是违背人类伦理的行为，是不折不扣的犯罪行为，应该受到良心的谴责和法律的制裁。因为在这里，求知的欲望、甚至科学研究的热诚也是不能超越不伤害人类这一基本伦理规定的。
如果说，对人体伤害的科学试验毕竟是比较罕见的现象的话，那么对动物构成伤害的科学试验就是司空见惯的普遍事实了。尽管我们可以强调许多动物实验对于人类医疗保健的重要性，但这些实验毕竟直接导致了大量动物的丧生和痛苦，何况其中有相当多的实验本来是不必要的，是可以用其他方法代替的。随着人们对于动物权利和福利观念的不断认同，动物实验的这些负面效应暴露得也越来越明显了。
要避免和尽量减少这些负面影响，当然首先要依靠科学共同体的努力，依靠科学知识水平的提高。但是仅靠这些显然是不够的。首先，无论科学如何发展，科学研究活动所包含的风险都是不可能完全消灭的，甚至随着科学研究活动的发展，风险可能会进一步发展。其次，科学共同体由于其自身的利益冲突，未必一定是对此风险管理的最好人选，例如严格的管理可能要耗用金钱，耽误时间，影响科学研究的进度从而可能落后于竞争对手等等。芮斯认为，科学家们有时在公共关系方面考虑得更多, 但是不会实话告诉我们面对的危险。而相关事故如多次出现，即使不谈对于社会的影响，就社会公众对科学共同体的信任来说也会是灾难性的。
科学活动存在负面影响的逻辑结论是：科学活动必须要在接受伦理原则的指导下进行，科学研究活动并非毫无禁区可言。对可能带来严重灾难的微生物研究、有毒化学物质研究、核科学研究来说，将对人类的安危如此重要的事情，完全交给科学共同体处理，社会公众没有任何监督、了解的权利，大概是不合理的。因此，为了避免科学研究活动所引发的灾难再度发生，必须明确科学实验的负面影响，加强社会的监管。
篇三：自然科学概论论文参考题目
论文参考题目
1.对中国在明代中期以后科学技术落后于世界先进水平的原因分析
2.现代天文学及空间技术的展望
3.宇宙空间站建立的深远意义
4.自然科学发展的前沿动态分析
5.简述生物工程的内容及意义
6.环境与健康的辨证关系
7.学习现代宇宙观对我们的世界观有什么帮助
8.概述人类对地球及太阳系起源的认识过程
9.对全球性环境问题的前景分析
10.现代高新技术与可持续发展的辨证关系
11.对"科学技术是第一生产力"的最新认识
12.对生命起源的层次和阶段的深入分析
13.浅析臭氧层空洞造成的原因和危害
14.从自然科学角度谈科学发展观
15.试论近代科学技术与现代科学技术的区别和联系
16.DNA工程对人类发展的前景分析
17.试论人与自然的和谐关系
18.简述自然科学对构建和谐社会的影响
19．简述生命起源和演化的主要过程
20．为什么说现代信息科技的核心是计算机技术
21．说明人类文明与材料发展的关系
22．常规能源和新能源有何不同
23．开发空间的意义
24．分析延吉市的环境，并提出改善意见
论文要求:
1.对科学论文的要求应具备独创性.正确性,再现性,可读性,简洁性和规范性
2.文章要素由以下五个部分组成:标题,作者所在系,班级,姓名及学号,摘要,关键词,写作提纲,正文,参考文献
3.字数要求3000-4000之间,一律用小四号字打印装订成册
4.严禁网上下载,一旦查出抄袭现象,成绩为零分
5．交第一次论文截止日期为4月25日；交第二次论文截止日期为5月25日。
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