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【转帖】照片背后的故事：看，波函数（转帖）

patric

2007/12/13

扫描探针显微镜SPM/AFM

这个人简直太牛了，以下是转帖部分：
今天的照片又不是一张普通的照片，至于照片是如何拍摄的，后面再讲，先讲故事。

话说一个世纪之前，1900年前后，经典物理学的大厦几乎已告竣工，但是人们对微观物质世界的认识仍然非常模糊，虽则知道分子是构成物质的单元，却并不知道构成分子的本质是什么。那时候，唯能论与原子论的学术之战正如火如荼。

终结这场战争的是一系列实验，这些实验证明了原子是一种客观实在，是构成分子的基本部件。但是新的问题又产生了，原子是什么样子的。1911年，当辛亥革命的炮声击碎了统治中国四百年的满清王朝的同时，卢瑟福的阿尔法粒子散射实验也击碎了汤姆逊关于原子的枣糕模型，进而诞生了电子与原子核组成的太阳系模型。而这小小的太阳系模型，也敲碎了经典物理学大厦的第一块砖。

为了解决太阳系模型的连续辐射问题，波尔引入了普朗克提出的量子模型，量子理论开始在物理学世界中大行其道。1923年，德布罗意发表了他关于物质波的论文，基本粒子的波动性的事实为人们所认识。

1926年，在一次学术报告之后，物理化学家德拜要求薛定谔介绍德布罗意关于物质波的理论，薛定谔作出简单介绍之后，德拜说，这样的描述还太粗糙，我们需要一个确定的波动方程来认真讨论波动的问题。一年之后，薛定谔告诉德拜：“你要的方程，我找到了”

这就是主宰二十世纪物理学的薛定谔方程，在这个方程里，波函数成为描述粒子状态最重要的工具。可是究竟什么是波函数呢？

从经典物理学里确定的运动轨迹，到量子物理学里一个不明其义的波函数，这是一个巨大的跳跃，也是对人们直观经验的一次重大挑战。

一代又一代物理学家为波函数提供了各种各样直观的解释供人们理解，其中也包括薛定谔本人，但对于我们这些局外人来说，几率密度波仍然是一个难于理解的解释。直到我们今天讲述的照片问世，关于波函数，才有了一个直观可见的解说。

这幅照片是crommie1993年发表的一项工作。在高度光洁的单晶铜表面，蒸镀一层铁原子，这层铁原子构成了一层平展如镜的电子表面。而后把48个铁原子一个个挪到这层镜面表面，形成一个完美的圆形围栏。这些铁原子围栏，就变成阻拦圈内电子运动的“势阱”墙壁，解二维圆势阱薛定谔方程，可以得到势阱内波函数，取其平方便是势阱内电子分布密度。

一根探针从铁原子围栏上空以固定高度掠过，细微的电流会在两者之间通过，而电流的大小正比于探针与铁原子围栏表面的距离。探针逐行掠过铁原子围栏的表面，每一点细微的电流变化都被记录下来，科学家就像盲人摸索盲文一样读出了铁原子围栏里的一切。今天这幅照片便是这样摸出来的。

铁原子围栏里面的晶体表面电子呈现出优美的波纹，而这波纹的分布，与二维圆势阱薛定谔方程所决定的电子密度分布吻合得严丝合缝。

看！这，就是波函数！

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leaflet

第1楼2007/12/13

等待下文啊

0

hitttr

第2楼2007/12/14

好文章。

0

山人

第3楼2008/01/05

好图片！好文章！支持一下！

0

文明三峡

第4楼2008/01/07

涨见识，楼主真是高人。

0

小鸟飞翔

第5楼2008/01/07

刚开始以为是PS过的照片

0

rose99

第6楼2008/01/12

不错！

0

sunshining

第7楼2008/01/16

电子的波函数实际上和水的波纹相似？可以这样理解？那有没有波峰波谷的具体意义？

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lianghu

第8楼2008/01/21

请教一下，这张图片是用什么模式做出来的，AFM还是STM?

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patric

第9楼2008/01/22

很抱歉，我不是搞物理的，你们问的问题我也不太懂，但我觉得这照片应该不是用一般的AFM或STM做出来的，大家懂量子学的可以讨论一下。

0

exciting1973

第10楼2008/08/07

应该是STM吧

0

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