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量子力学基本理论
➢ 第一朵乌云 迈克耳逊-莫雷实验与"以太"说破灭
实验结果证明，不论地球运动的方向同光的射 向一致或相反，测出的光速都相同，在地球同 设想的"以太"之间没有相对运动。因而，根本 找不到"以太"或"绝对静止的空间"。由于这个 实验在理论上简单易懂，方法上精确可靠，所 以，实验结果否定"以太"之存在是毋庸置疑的。
第二朵乌云 黑体辐射与"紫外灾难"
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量子力学基本理论
第二朵乌云 黑体辐射与"紫外灾难"
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量子力学基本理论
量子力学的基本假设
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量子力学基本理论
量子力学的基本假设
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➢ 物理学发展的历史表明，正是这两朵小小 的乌云，终于酿成了一场大风暴。
迈克尔逊-莫雷实验促使狭义相对论的诞生。 黑体辐射促使了量子力学的诞生。
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➢ 第一朵乌云 迈克耳逊-莫雷实验与"以太"说破灭
水波的传播要有水做媒介，声波的传播要有空气做媒 介；光波为什么能在真空中传播?----以太。
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量子力学的基本假设
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量子力学的基本假设
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总结
一个多粒子体系的所有物理性质原则上可 以通过多粒子波函数来描述；多粒子波函 数可以由多粒子体系的定态薛定谔方程来 确定。
但是，薛定谔方程求解非常困难。能严格 求解的都是如氢原子能级分布这样简单的 问题。 怎么办？？
热力学及麦克斯韦电磁理论 –— 已经建立，并 具有完美简洁的形式。剩下的问题似乎只是对 该体系作进一步完善。 许多物理学家认为物理学的重要定律均已找到， 伟大的发现不会再有了。英国著名物理学家开 尔文在一篇展望20世纪物理学的文章中，就曾 谈到：“在已经基本建成的科学大厦中，后辈 物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。”
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基于密度泛函的第一性原理计算
密度泛函
泛函：函数的函数。 将电子密度分布作为试探波函数，而不是电子波函数
分布。总能量表示为电子密度的泛函。
密度泛函理论的基础：Hohenberg-Kohn定理
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基于密度泛函的第一性原理计算
Hohenberg-Kohn定理
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➢ 第一朵乌云 迈克耳逊-莫雷实验与"以太"说破灭
新的问题:地球以每秒30公里的速度绕太阳运动， 就必须会遇到每秒30公里的"以太风"迎面吹来，同 时，它也必须对光的传播产生影响。这个问题的产 生，引起人们去探讨"以太风"存在与否。
为了观测"以太风"是否存在，1887年，迈克耳逊 (1852-1931)与美国化学家、物理学家莫雷(18381923)合作，在克利夫兰进行了一个著名的实验:"迈 克耳逊-莫雷实验"，即"以太漂移"实验。
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基于密度泛函的第一性原理计算
做一些近似：
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基于密度泛函的第一性原理计算
Born-Oppenheimer近似 （绝热近似）
目的将原子核的运动与电子的运动分离。 质子的质量是电子的1836倍，因而原子核的运动速度
比电子的运动速度小很多。这样，当核的位置发生微 小的变化时，电子能迅速调整自己的运动状态使之与 变化后的库伦场相适应。 因此可近似认为原子核相对电子是静止的，电子在静 止原子核形成的电势场中运动。
第三章 第一性原理初涉
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第一性原理是一种精确的材料预测和评估 方法，可以预测材料的结构及光学、电学、 磁性等方面的性质。
特点是不依赖于经验参数，直接求解材料 的最基本的量子力学方程。
是什么？
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➢ 物理学的重大变革： 在19世纪，经典力学的基本框架 –— 牛顿力学 、
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局限性
只能计算体系的基态能量； 需要对交换关联函数做近似处理。
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பைடு நூலகம்
基于密度泛函的第一性原理计算
使得密度泛函理论可以被实际应用
Kohn-Sham方程
第一项， 第二项，
第三项， 第四项，
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Kohn-Sham方程
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第二朵乌云 黑体辐射与"紫外灾难"
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第二朵乌云 黑体辐射与"紫外灾难"
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第二朵乌云 黑体辐射与"紫外灾难“
没有一种经典理论能完美的解释实验现象。
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➢ 第一朵乌云 迈克耳逊-莫雷实验与"以太"说破灭
19世纪时，麦克斯韦电磁理论也把传播光和电磁波的 介质说成是一种没有重量，可以绝对渗透的“以太”。 “以太”既具有电磁的性质，又是电磁作用的传递者，又 具有机械力学的性质，它是绝对静止的参考系，一切 运动都相对于它进行。这样，电磁理论因牛顿力学取 得协调一致。“以太”是光、电、磁的共同载体的概念为 人们所普遍接受，形成了一门“以太学”。
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➢ 然而： 开尔文也同时提到“动力理论肯定了热和光是
运动的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天 空却被两朵乌云笼罩了，第一朵乌云出现在光 的波动理论上，第二朵乌云出现在关于能量均 分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。”。 ➢ 第一朵乌云，主要是指迈克尔逊-莫雷实验结 果和以太漂移说相矛盾；他所说的第二朵乌云， 主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以 及势辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的 结果，其中尤以黑体辐射理论出现的“紫外灾 难”最为突出。
量子力学的基本假设
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最早提出"以太"的是古希腊哲学家亚里士多德。 牛顿为了解释引力在真空中的传播，复活了亚里士多
德的"以太"说，认为"以太"是宇宙真空中引力的传播介 质。 后来的物理学家又发展了"以太"说，认为"以太"也是光 波的传播介质。光和引力一样，是由"以太"传播的。他 们还假定整个宇宙空间都充满了"以太"，"以太"是一种 由非常小的弹性球组成的稀薄的、感觉不到的媒介。
在外势中，存在相互作用的多电子体系的基态 电子密度唯一地决定了这一势场，基态电子密 度与其所处的外势场具有一一对应关系；
体系基态电子密度可以通过求解试探密度函数 的变分极小值获得。
只指出了对应关系，没给出怎样的对应关 系；
通过变分极小值搜寻体系的基态电子密度 也非常困难
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➢ 第一朵乌云 迈克耳逊-莫雷实验与"以太"说破灭
迈克耳逊一莫雷实验使科学家处于左右为难的 境地。他们或者须放弃曾经说明电磁及光的许 多现象的以太理论。如果他们不敢放弃以太， 那么，他们必须放弃比"以太学"更古老的哥白 尼的地动说。
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