什么是量子效应?

什么是量子效应?

原子模型与量子力学已经用能级的概念进行了合理的解释，由无数原子构成固体时，单独原子的能极就并合成能带，由于电子数目很多，能带中能极的间距很小，因此可看做是连续的。从能带理论出发，物理学家成功地解释了大块金属、半导体、绝缘体之间的联系和区别，对介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能极，能极间的间距随颗粒尺寸减少而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能极间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，这就是所谓的“量子效应”。

量子效应　　是在超低温等某些特殊条件下，由大量粒子组成的宏观系统呈现出的整体量子现象。根据量子理论的波粒二象性学说，微观实物粒子会象光波水波一样，具有干涉、衍射等波动特征，形成物质波（或称德布罗意波）。但日常所见的宏观物体，虽然是由服从这种量子力学规律的微观粒子组成，但由于其空间尺度远远大于这些微观粒子的德布罗意波长，微观粒子量子特性由于统计平均的结果而被掩盖了。因此，在通常的条件下，宏观物体整体上并不出现量子效应。然而，在低温降低或粒子密度变大等特殊条件下，宏观物体的个体组分会相干地结合起来，通过长程关联或重组进入能量较低的量子态，形成一个有机的整体，使得整个系统表现出奇特的量子性质。例如，原子气体的玻色-爱因斯坦凝聚、超流性、超导电性和约瑟夫逊效应等都是宏观量子效应。
　　
　　* 量子效应是量子系统所表现出的一种不同于宏观系统的现象。而量子系统即是其中微观粒子呈现出波动性的系统。表现出显著量子效应的量子系统称为是简并（退化）的系统，相应的特征温度称为简并温度（退化温度）。
　　* 微观粒子呈现出波动性，即粒子的“轨道”已经失去了意义——轨道发生了弥撒（模糊）；当弥撒的轨道在空间发生一定的重叠时，各个粒子的几率分布也有一定的关联——量子关联。因此可以认为产生量子效应的条件是：
　　①粒子的de Broglie波长＞＞粒子的平均间距时，系统即为量子系统。根据de Broglie波长 l = h /(2mE) 关系，知道：粒子的质量越小、能量越低、分布密度越大的系统，越容易呈现出量子效应。
　　②量子关联长度＞粒子的平均间距时，系统即为量子系统。这时粒子的位置x与动量p不能同时确定，位置的不确定度Δx即可认为是量子关联长度；温度T是影响动量不确定度Δp 的一个因素：由自由粒子的平动动能 p/2m = 3kT/2，得动量不确定度Δp ≈ (3mkT),则位置的不确定度（量子关联长度）Δx ≈ h /(3mkT) 。从而见到：温度越低、粒子质量越小、粒子分布密度越大的系统，越容易呈现出量子效应。量子系统的能量是不连续（量子化）的。