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量子力學基本原理范文第1篇

本書是基于作者們在巴基斯坦和沙特阿拉伯等國家多所大學中講授量子力學課程的講義基礎上寫成的。第1版于1999年出版。為了展現當代量子力學日益擴展的應用的最新發展，第2版增添了全新的3章，它們分別為雙態問題、量子計算和1+2維狄拉克方程對于石墨烯的應用。這些問題是當前許多實驗和理論工作都極為關注的典型問題。此外，還有一些章節做了較大改動，有的擴大了篇幅和添加了新的內容，有的經過了改寫變得更簡單和更清晰。各章的習題也均有不同程度的擴充。

全書內容分為21章：1.經典概念的崩潰； 2.量子力學概念；3.量子力學的基本假設； 4.量子力學中一些問題的求解； 5.簡諧振子；6.角動量；7.中心對稱場中的運動；8.碰撞理論；9.算符； 10.海森伯運動方程、不變性原理和路徑積分； 11.角動量和自旋；12.時間無關微擾理論；13.時間相關微擾理論；14.統計與不相容原理； 15.雙態系統；16.量子計算； 17.電磁場誘導的微擾； 18.形式散射理論； 19.S-矩陣和不變性原理； 20.相對論量子力學：狄拉克方程；21.1+2維狄拉克方程：對石墨烯的應用。

本書作者注重教學需要，敘述簡明，推導詳盡，書中給出了許多詳解例題，易懂、易理解和接受，是一部很好的教材。這本書對于數理學科的大學生、研究生和教師都有很好的應用價值。

量子力學基本原理范文第2篇

量子通信是利用量子力學基本原理進行信息傳遞的一種新型通信方式。理論上，量子通信可實現無條件安全的鏈路數據傳輸，被認為是保障未來通信安全最重要的技術手段。

量子是微觀物理世界中的基本單位，一個最最小的單元。量子理論主要包括量子測不準原理和量子糾纏。

早在 1927 年，德國科學家海森堡就提出了量子測不準原理。在現代科學認知中，幾乎任何已知事物都是可測的，但量子是個例外。以制造硬幣為例，制造硬幣的基本前提是測定模板、再行復制。但在量子世界，這枚“硬幣”是不確定的，你根本沒法測量它，量子一旦被測量，還來不及被復制，它就不是原來那個量子了。

如果將這一原理應用在通信技術上，就是天然的保密通信手段。

在通信中，對方的話通過座機、手機等有線、無線終端，遠距離傳送到你的耳朵里。如果他人要竊聽你們的對話，必須完成這個對話的復制過程。如果這段通話被加密，那么必須先復制到密碼，再解密為正常通話。

可以說，一旦通信中的信息和密碼用量子來承載，就是不可復制的。

我們把想要保密傳輸的信息加載到一個個不可能被準確觀測和復制的量子上，只要有人在途中打算竊聽信息，一“碰”，它的狀態就改變了，竊聽者拿到的只會是一堆毫無用處的信息。

量子通信另一個核心內容是隱形傳輸，是利用光子等基本粒子的量子糾纏原理來實現保密通信的。在量子力學里，兩個粒子在經過短暫時間彼此耦合之后，單獨攪擾其中任意一個粒子，會不可避免地影響到另外一個粒子的性質，盡管兩個粒子之間可能相隔很長一段距離，這種關聯現象被稱為量子糾纏。

在量子通信系統中，信息的發送方和接收方共享兩個存在糾纏關聯的光子。當發送方將信息賦予一個光子時，接收方的糾纏光子就會幾乎同時發生一致的變化，瞬間完成信息的傳輸，從根本上杜絕了被竊聽、被截獲的可能。

量子通信在軍事、國防、金融等信息安全領域有著重大的潛在應用價值和發展前景，還可用于涉及秘密數據、票據的電信、證券、保險、銀行、工商等領域和部門。

量子力學基本原理范文第3篇

【關鍵詞】量子計算；量子計算機；量子算法；量子信息處理

1、引言

在人類剛剛跨入21山_紀的時刻，！日_界科技的重大突破之一就是量子計算機的誕生。德國科學家已在實驗室研制成功5個量子位的量子計算機，而美國LosAlamos國家實驗室正在進行7個量子位的量子計算機的試驗。它預示著人類的信息處理技術將會再一次發生巨大的飛躍，而研究面向量子計算機以量子計算為基礎的量子信息處理技術已成為一項十分緊迫的任務。

2、子計算的物理背景

任何計算裝置都是一個物理系統。量子計算機足根據物理系統的量子力學性質和規律執行計算任務的裝置。量子計算足以量子計算目L為背景的計算。是在量了力。4個公設（postulate）下做出的代數抽象。Feylllilitn認為，量子足一種既不具有經典耗子性，亦不具有經典渡動性的物理客體（例如光子）。亦有人將量子解釋為一種量，它反映了一些物理量（如軌道能級）的取值的離散性。其離散值之問的差值（未必為定值）定義為量子。按照量子力學原理，某些粒子存在若干離散的能量分布。稱為能級。而某個物理客體（如電子）在另一個客體（姻原子棱）的離散能級之間躍遷（transition。粒子在不同能量級分布中的能級轉移過程）時將會吸收或發出另一種物理客體（如光子），該物理客體所攜帶的能量的值恰好是發生躍遷的兩個能級的差值。這使得物理“客體”和物理“量”之問產生了一個相互溝通和轉化的橋梁；愛因斯坦的質能轉換關系也提示了物質和能量在一定條件下是可以相互轉化的因此。量子的這兩種定義方式是對市統并可以相互轉化的。量子的某些獨特的性質為量了計算的優越性提供了基礎。

3、量子計算機的特征

量子計算機，首先是能實現量子計算的機器，是以原子量子態為記憶單元、開關電路和信息儲存形式，以量子動力學演化為信息傳遞與加工基礎的量子通訊與量子計算，是指組成計算機硬件的各種元件達到原子級尺寸，其體積不到現在同類元件的1%。量子計算機是一物理系統，它能存儲和處理關于量子力學變量的信息。量子計算機遵從的基本原理是量子力學原理：量子力學變量的分立特性、態迭加原理和量子相干性。信息的量子就是量子位，一位信息不是0就是1，量子力學變量的分立特性使它們可以記錄信息：即能存儲、寫入、讀出信息，信息的一個量子位是一個二能級（或二態）系統，所以一個量子位可用一自旋為1/2的粒子來表示，即粒子的自旋向上表示1，自旋向下表示0；或者用一光子的兩個極化方向來表示0和1；或用一原子的基態代表0第一激發態代表1。就是說在量子計算機中，量子信息是存儲在單個的自旋’、光子或原子上的。對光子來說，可以利用Kerr非線性作用來轉動一光束使之線性極化，以獲取寫入、讀出；對自旋來說，則是把電子（或核）置于磁場中，通過磁共振技術來獲取量子信息的讀出、寫入；而寫入和讀出一個原子存儲的信息位則是用一激光脈沖照射此原子來完成的。量子計算機使用兩個量子寄存器，第一個為輸入寄存器，第二個為輸出寄存器。函數的演化由幺正演化算符通過量子邏輯門的操作來實現。單量子位算符實現一個量子位的翻轉。兩量子位算符，其中一個是控制位，它確定在什么情況下目標位才發生改變；另一個是目標位，它確定目標位如何改變；翻轉或相位移動。還有多位量子邏輯門，種類很多。要說清楚量子計算，首先看經典計算。經典計算機從物理上可以被描述為對輸入信號序列按一定算法進行交換的機器，其算法由計算機的內部邏輯電路來實現。經典計算機具有如下特點：

a）其輸入態和輸出態都是經典信號，用量子力學的語言來描述，也即是：其輸入態和輸出態都是某一力學量的本征態。如輸入二進制序列0110110，用量子記號，即10110110>。所有的輸入態均相互正交。對經典計算機不可能輸入如下疊加Cl10110110>+C2I1001001>。

b）經典計算機內部的每一步變換都將正交態演化為正交態，而一般的量子變換沒有這個性質，因此，經典計算機中的變換（或計算）只對應一類特殊集。

相應于經典計算機的以上兩個限制，量子計算機分別作了推廣。量子計算機的輸入用一個具有有限能級的量子系統來描述，如二能級系統（稱為量子比特），量子計算機的變換（即量子計算）包括所有可能的幺正變換。因此量子計算機的特點為：

a）量子計算機的輸入態和輸出態為一般的疊加態，其相互之間通常不正交；

b）量子計算機中的變換為所有可能的幺正變換。得出輸出態之后，量子計算機對輸出態進行一定的測量，給出計算結果。由此可見，量子計算對經典計算作了極大的擴充，經典計算是一類特殊的量子計算。量子計算最本質的特征為量子疊加性和相干性。量子計算機對每一個疊加分量實現的變換相當于一種經典計算，所有這些經典計算同時完成，并按一定的概率振幅疊加起來，給出量子計算的輸出結果。這種計算稱為量子并行計算，量子并行處理大大提高了量子計算機的效率，使得其可以完成經典計算機無法完成的工作，這是量子計算機的優越性之一。

4、量子計算機的應用

量子計算機驚人的運算能使其能夠應用于電子、航空、航人、人文、地質、生物、材料等幾乎各個學科領域，尤其是信息領域更是迫切需要量子計算機來完成大量數據處理的工作。信息技術與量子計算必然走向結合，形成新興的量子信息處理技術。目前，在信息技術領域有許多理論上非常有效的信息處理方法和技術，由于運算量龐大，導致實時性差，不能滿足實際需要，因此制約了信息技術的發展。量子計算機自然成為繼續推動計算速度提高，進而引導各個學科全面進步的有效途徑之一。在目前量子計算機還未進入實際應用的情況下，深入地研究量子算法是量子信息處理領域中的主要發展方向，其研究重點有以下三個方面；

（1）深刻領悟現有量子算法的木質，從中提取能夠完成特定功能的量子算法模塊，用其代替經典算法中的相應部分，以便盡可能地減少現有算法的運算量；

（2）以現有的量子算法為基礎，著手研究新型的應用面更廣的信息處理量子算法；

（3）利用現有的計算條件，盡量模擬量子計算機的真實運算環境，用來驗證和開發新的算法。

5、量子計算機的應用前景

目前經典的計算機可以進行復雜計算，解決很多難題。但依然存在一些難解問題，它們的計算需要耗費大量的時間和資源，以致在宇宙時間內無法完成。量子計算研究的一個重要方向就是致力于這類問題的量子算法研究。量子計算機首先可用于因子分解。因子分解對于經典計算機而言是難解問題，以至于它成為共鑰加密算法的理論基礎。按照Shor的量子算法，量子計算機能夠以多項式時間完成大數質因子的分解。量子計算機還可用于數據庫的搜索。1996年，Grover發現了未加整理數據庫搜索的Grover迭代量子算法。使用這種算法，在量子計算機上可以實現對未加整理數據庫Ⅳ的平方根量級加速搜索，而且用這種加速搜索有可能解決經典上所謂的NP問題。量子計算機另一個重要的應用是計算機視覺，計算機視覺是一種通過二維圖像理解三維世界的結構和特性的人工智能。計算機視覺的一個重要領域是圖像處理和模式識別。由于圖像包含的數據量很大，以致不得不對圖像數據進行壓縮。這種壓縮必然會損失一部分原始信息。

作者簡介：

量子力學基本原理范文第4篇

關鍵詞：應用物理；課程體系；教學內容；優化整合

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）50-0040-02

一、前言

物理學的基本原理滲透在自然科學的各個領域，被稱為自然哲學，已成為相關應用技術領域的基礎和源泉。應用物理專業是一個以物理學為基礎，以“應用物理”為核心和特點，強調將物理學知識與實際應用相結合的專業，以培養既有一定物理理論知識，又有一定實驗技能與工程技術的理工復合型人才為目標的專業[1]。可是目前許多高校的應用物理專業的培養目標無法實現，其培養質量令人堪憂，其中最迫切最重要的是應該對應用物理專業課程體系進行大力合理改革，對其傳統教學內容進行優化重整。

二、應用物理專業課程體系改革和教學內容的優化重整的必要性和緊迫性

2007年2月17日教育部下發了《教育部關于進一步深化本科教學改革全面提高教學質量的若干意見》。其中強調要深化教學內容改革，建立與經濟社會發展相適應的課程體系，要根據經濟社會發展和科技進步的需要，及時更新教學內容，將新知識、新理論和新技術充實到教學內容中，為學生提供符合時代需要的課程體系和教學內容。要采取各種措施，通過推進學分制、降低必修課比例、加選修課比例、減少課堂講授時數等，增加學生自主學習的時間和空間，拓寬學生的知識面，提高學生的學習興趣，完善學生的知識結構，促進學生個性發展。

目前的應用物理課程體系仍然主要由普通物理課程（包括力學、熱學、電磁學、光學、原子物理學）、理論物理課程（包括理論力學、熱力學與統計物理學、電動力學、量子力學）以及固體物理學構成。應用物理專業的學生經過高中物理、普通物理和理論物理的學習，發現許多課程內容重復出現，以至于相當一部分人認為沒有多大差別，只是所用數學工具不同罷了，“高中用，普物用d，理物用”，這充分反映了應用物理專業主干課程體系和教學內容存在的嚴重問題[2]。即當今的應用物理專業課程體系和教學內容仍沒有跳出傳統物理學專業和物理教育專業的框架，課程體系僵化，過分強調“系統化”、“邏輯化”，傳統的基礎和理論物理課程內容重復而陳舊、占用課時過多。沒有體現物理世界的發展性，現代性、統一性以及各學科之間的內在聯系、相互交叉、相互滲透。普遍存在“重經典、輕現代、重理論、輕應用”的弊端，反映現代科學和高新技術發展成果的課程和教學內容太少，應用物理專業的“應用”特色體現不明顯，學生的科學素養、理論和實際相結合的能力較差，無法實現應用物理專業培養目標[3，4]。

“知識爆炸”時代，科學技術的發展日新月異，其在經濟發展進程中的作用越來越大，同時也產生了許多新興學科。教學內容和課程體系是人才培養目標、培養模式的載體，是教育思想和教育觀念的直接體現，是提高人才培養效率和質量的決定性因素[5]。因此培養應用物理專業人才的教學內容和課程體系理應滿足新時期科技、經濟飛速發展對人才培養的需求，所以改革現有課程體系，優化整合教學內容，提高教學效益已勢在必行，刻不容緩。

三、課程體系改革和教學內容優化整合原則

課程體系的設置和教學內容的選取要符合教學規律，符合學生的認知規律，由現象到本質，由簡單到復雜，同時注意到自然界是普遍聯系的，不人為割裂自然科學的內在聯系，理論和原理是經典的，但應用要是現代的，按照“少而精”的原則，對傳統教學內容實行量的精選、壓縮與質的提高。對現有的普通物理（包括力學、熱學、電磁學、原子物理學）和理論物理（包括理論力學、熱力學與統計物理學、電動力學、量子力學）進行優化整合，絕不搞簡單縮減，重新設置課程體系，并對課程開設順序和時間做出科學合理的安排，同時注入現代化的教學內容，將近代物理和科技發展的最新成果納入新的課程體系和教學內容，及時反映科學技術研究的新成果，使學生及時了解學科發展前沿的新成就、新觀點、新動向。縮減傳統課程門數及學時數，以便增開其它應用物理課程及學時數。

四、課程體系改革思路和優化整合的教學內容

1.力學和理論力學優化整合成力學理論。如今許多應用物理專業第一學期就開設普通物理課程力學，到第五或第六學期再開設理論力學，而理論力學前面相當大一部分是和力學內容重復的，如質點運動學、質點動力學、質點組運動學、質點組力學、剛體力學等內容重復量大，這不僅降低了學生學習新知識的興趣，且浪費了很大一部分教學課時。同時力學課程要求采用微積分、矢量分析、微分方程等高等數學知識研究處理“變”的物理問題，這和學生剛開始接觸高等數學知識相矛盾，教師在授課時不得不降低要求講解，造成學生后續學習理論性強的理論力學的難度增大，教學效果降低。因此打破原有力學和理論力學界限，將它們優化重組成力學理論課程，刪除牛頓力學重復部分，去除相對論部分，將這部分移到電磁理論中講解，力學理論安排到大學第二學期開設，這時學生們的高等數學工具應用較為熟練，已具備了處理“變”問題的科學思維方法和能力，有利于教學質量的提高。精簡、優化整合后的力學理論包括：質點力學、剛體力學、非慣性系力學、振動與波、連續體力學、虛功原理、拉格朗日方程、哈密頓正則方程、哈密頓原理、泊松括號與泊松定理、正則變換、哈密頓-雅可比理論、非線性力學簡介。力學理論課程既包括牛頓力學，又包括分析力學，將研究力學問題的方法有機辯證地聯系起來，物理概念清晰準確，理論體系簡潔明了，兼顧了經典與現代、基礎與前沿內容，為后續理論課程的學習構筑了橋梁和基礎。

2.熱學和熱力學與統計物理學優化整合成熱物理學。據統計，熱力學與統計物理學中的熱力學部分和統計物理學部分分別占總內容的46%和54%。熱學課程中的熱力學定律部分和熱力學與統計物理學中熱力學部分內容（溫度與平衡態、物態方程、熱力學第一定律、功、熱容量與焓、理想氣體、熱力學第二定律、熵、卡諾定理等）重復率高達1/3[6]。在分子動理論和經典統計部分也有重復，如麥克斯韋速率分布律和速度分布律、玻耳茲曼分布律、能量按自由度均分定理、氣體內的輸運過程，所以將熱力學部分與熱學中的重復部分刪除，將這兩門課程進行優化整合，可以縮減約1/3的課時。優化整合的主要思想是貫穿從宏觀到微觀，從單個質點到大數量粒子構成的系統這一線索。在熱學部分介紹經典熱學、熱學最新動態、熱學在新科技中的應用，統計物理學部分以系綜理論為主線，融宏觀與微觀理論于一體，立足于微觀量子理論，從等幾率原理出發，循序漸進地闡明統計物理學理論，運用統計物理學理論導出熱力學基本定律，將統計物理學概念與宏觀熱現象相聯系和對應，實現熱現象的宏觀理論與微觀理論的有機融合。優化整合后的熱物理學內容包括：熱力學第零定律與溫度、狀態方程、氣體分子運動論的基本概念、氣體分子熱運動速率和能量的統計分布率、氣體輸運過程、功、熱量、熱力學第一定律與內能、熱力學第二定律與熵、固體和液體、相變、統計物理學基本原理、孤立系統、封閉系統、熱力學函數及其應用、氣體性質、開放系統、量子統計理論、漲落理論、非平衡態統計物理。

3.電磁學和電動力學優化整合為電磁理論。電磁學和電動力學都是研究電磁場基本性質、運動規律及其與帶電物質之間的相互作用。電磁學側重于電磁現象的實驗研究，從對電磁現象的研究中歸納出電磁學的基本規律，而電動力學側重于理論研究，以麥克斯韋方程組和洛倫茲力為基礎，研究靜態、時變態條件下電磁場的空間分布和運動變化規律，以及帶電粒子與電磁場的相互作用等問題。考慮到電磁學與電動力學在內容上是相互統一，相互滲透的，可以將它們優化整合成電磁理論課程，將電磁學與電動力學的內容適當貫通，既分層次，又平滑過渡，避免不必要的重復。具體如下：由庫侖定律引出電場、電場強度的定義，電通量、高斯定理及場強的計算，由電場力作功的特點引出環路定理、電勢、電勢的計算；由畢奧-薩伐爾定律引出穩恒磁場的計算、環流和旋度、散度；由電場強度與電勢的關系引出真空中的泊松方程與拉普拉斯方程；介紹介質的電磁性質、場與介質的相互作用、靜電場邊值關系與唯一性定理，運用泊松方程與拉普拉斯方程計算真空與介質中的場強與電荷分布，介紹靜電場分離變量法、鏡像法；由穩恒電流導出靜磁場，由電場中的標勢引出矢勢、磁標勢；對電磁感應、麥克斯韋方程組、電磁波輻射與傳播、狹義相對論均單獨設章節介紹。對超導、等離子體、巨磁電阻等做簡要介紹，豐富理論與實際應用的聯系，電路和交流電內容放電工學課程中講解。

4.原子物理學和量子力學優化整合為近代物理學。原子物理學側重于原子光譜實驗現象的解釋、物理思想和物理模型的建立，量子力學是在對原子光譜研究的基礎上發展建立起來的理論體系，側重于微觀本質，理論性強。原子物理學的實驗研究促進量子力學的不斷發展，它們聯系緊密，相互促進，其研究對象存在重復，導致目前許多原子物理學教材中的量子力學導論部分內容和量子力學教材存在大量重復，如玻爾氫原子理論、波粒二象性、不確定性原理、波函數及其統計解釋、薛定諤方程、平均值計算、氫原子薛定諤方程解、康普頓散射效應、堿金屬原子光譜精細結構、塞曼效應等。因此必須對這兩門課程進行優化整合，形成新的知識結構體系，其思路是：通過對原子現象的發掘，引出其量子力學的理論本質，同時通過量子力學理論的建立和運用，來研究原子等微觀體系的特性。優化整合后的基本內容為：經典物理遇到的困難、玻爾氫原子理論、狀態與薛定諤方程、力學量與算符、中心力場、電磁場中粒子的運動、矩陣力學、微擾理論、電子自旋、多電子原子、外場中的原子、多體問題、分子結構和能譜、散射。這樣優化整合后課程所需學時會比優化整合前大大減少。

五、整合后專業課程的開設時間安排

根據學生的認知特點和規律、應用物理專業課程之間的關聯，優化整合后的課程開設順序可以這樣安排：大學一年級注重增加高等數學教學課時，將高等數學進度盡量前推，大學第二學期開設力學理論、第三學期開設光學和電磁理論，同時開設數學物理方法為后續課程做好準備，第四學期開設近代物理學，第五（或四）學期開設熱物理。這樣的調整安排能留出更多時間來開設其他應用物理專業課程，有利于學生的就業或繼續深造。

六、教學改革的預期效果

1.重構應用物理主干課程體系，避免了基礎課程和理論課程教學內容的重復，優化教學內容，縮減課程科目，節省大量課時，將會大大提高教學效率。為應用物理課程的開設、選修課的開設及學生的個性化發展提供了時間條件，突出了應用物理、技術課程的地位和專業特色。

2.為應用物理培養目標的實現，培養合格的應用物理人才提供了可靠保障，課程體系的改革和教學內容的優化重整適應和滿足社會發展和科技前沿的需求。教學內容富有現代性，開放性，滲透新的教學內容和思想，使應用物理專業學生在理論與實踐技術方面具有復合型的知識結構，為他們今后的創新發展提供堅實基礎。

參考文獻：

[1]王蜀霞，王新強.應用物理專業課程體系改革實踐[J].重慶大學學報（社會科學版），2001，7（05）.

[2]陳波.應用物理學專業《熱學》與《熱力學與統計物理》課程整合之初探[J].中山大學學報論叢，2004，24（01）.

[3]富笑男，劉琨.應用物理學專業人才培養模式的探索與實踐[J].鄭州航空工業管理學院學報（社會科學版），2009，28（04）.

[4]石東平，龍曉霞，程正富，代武春，楊守良.物理學專業應用型人才培養課程體系改革探索與研究[J].重慶文理學院學報（自然科學版），2009，28（06）.

[5]陳波.應用物理專業物理類基礎課的課程體系改革之探討[J].中山大學學報論叢，2004，24（03）.

量子力學基本原理范文第5篇

材料的計算模擬方法介紹

材料的計算模擬研究是近年來飛速發展的一門新興學科和交叉學科．它綜合凝聚態物理學、理論化學、材料物理學和計算機算法等多個相關學科．它的目的是利用現代高速計算機，模擬材料的各種物理化學性質，深入理解材料從微觀到宏觀多個尺度的各類現象與性能，并對材料的結構和物性進行理論預言，從而達到設計和開發新材料的目的．材料的多尺度計算模擬方法主要有以下幾種:

(1)第一性原理計算方法(First－principlesMethods)基于密度泛函理論的第一性原理計算方法是目前研究微觀電子結構最主要的理論方法．第一性原理計算方法只用到普朗克常數(h)，玻爾茲曼常數(kB)，光速(c)，電子靜態質量(m0)和電子電荷電量(e)這5個基本物理變量和研究體系的基本結構．從量子力學出發，通過數值求解薛定諤方程，計算材料的物理性質．在密度泛函理論，局域密度近似(LDA)和廣義梯度近似(GGA)框架下的計算已廣泛應用于第一性原理的電子結構研究中，并已經取得很大的成功．結合一些能帶結構計算的方法，對于半導體和一些金屬基態性質，如晶格常數，晶體結合能，晶體力學性質都能夠給出與實驗符合得很好的結果，同時能夠比較精確地描述很多體系的電子結構(如能帶結構、電子態密度、電荷密度、差分電荷密度和鍵布局等)、光學性質(介電函數、復折射率、光吸收系數、反射光譜及光電導等)和磁性質，從微觀理論角度分析和揭示材料物理性質的起源，使實驗者主動對材料進行結構和功能的控制，以便按照需求制備新材料．

(2)分子動力學方法(MolecularDynamicsMethods)分子動力學是一種確定性方法，是按照該體系內部的內稟動力學規律來確定位形的轉變，跟蹤系統中每個粒子的個體運動，然后根據統計物理規律，給出微觀量(分子的坐標、速度)與宏觀可觀測量(壓力、溫度、比熱容、彈性模量等)的關系來研究材料性能的一種方法[5]．分子動力學方法首先需要建立系統內一組分子的運動方程，通過求解所有分子的運動方程，來研究該體系與微觀量相關的基本過程．對于這種多體問題的嚴格求解，需要建立并求解體系的薛定諤方程．根據波恩－奧本海默近似，將電子的運動與原子核的運動分開來處理，電子的運動利用量子力學的方法處理，而原子核的運動則使用經典動力學方法處理．此時原子核的運動滿足經典力學規律，用牛頓定律來描述，這對于大多數材料來說是一個很好的近似．只有處理一些較輕的原子和分子的平動、轉動或振動頻率γ滿足hγ＞kBT時，才需要考慮量子效應．

(3)蒙特卡洛方法(MonteCarloMethods)蒙特卡洛方法是在簡單的理論準則基礎上(如簡單的物質與物質或者物質與環境相互作用)，采用反復隨機抽樣的手段，解決復雜系統的問題．該方法采用隨機抽樣的手法，可以模擬對象的概率與統計的問題．通過設計適當的概率模型，該方法還可以解決確定性問題，如定積分等．隨著計算機的迅速發展，蒙特卡洛方法已在材料、固體物理、應用物理、化學等領域得到廣泛的應用[6]．蒙特卡洛方法可以通過隨機抽樣的方法模擬材料構成基本粒子原子和分子的狀態，省去量子力學和分子動力學的復雜計算，可以模擬很大的體系．結合統計物理的方法，蒙特卡洛方法能夠建立基本粒子的狀態與材料宏觀性能的關系，是研究材料性能及其影響因素的本質的重要手段．

材料專業引入計算模擬教學的探索

材料計算的目的在于理解和發現新的材料性能及其物理本質．計算已經與實驗和形式理論一樣成為材料研究的3大支柱之一．為學生將來能夠有更高的起點研究材料科學，適應新形勢下材料研究方法，培養具有寬廣材料科學基礎，掌握材料現代研究手段的“寬口徑、厚基礎、強能力、高素質”的材料科學專業人才．我們在本科教學階段就應該有計劃的引入和加強計算模擬方法的教學．采用的教學形式可以結合實際情況，靈活的應用．近年來我們采取的教學方式主要有以下3種方式:(1)開設計算材料學類課程在2006年物理與電子信息學院材料物理與化學專業培養方案中已經確定《計算機在材料科學中的應用》和《計算物理》課程為專業選修課程，學時分別為36學時和54學時．《計算機在材料科學中的應用》課程偏重實踐教學，通過上機操作學習計算軟件的基本原理和使用方法．主要教學內容包括:材料學的發展現狀及計算機在材料科學與工程中的應用;材料科學研究中的數學模型;材料科學研究中常用的數值分析方法;材料科學研究中主要物理場的數值模擬;材料科學與行為工藝的計算機模擬;材料數據庫和新材料、新合金的設計;材料加工過程的計算機控制;計算機在材料檢測中的應用;材料研究科學中的數據和圖像處理;互聯網在材料科學研究中的應用等9部分內容，基本涵蓋當今計算機技術在材料科學研究中應用的各個方面．《計算物理》課程則以理論教學為主，偏重物理基本原理的介紹．主要教學內容包括:計算物理學發展的最新狀況;蒙特卡洛方法及其若干應用;有限差分方法;分子動力學方法;密度泛函理論;計算機代數;高性能計算和并行算法等8部分內容．計算材料類課程的開設注重理論和實踐并重的原則，在講解基本原理的同時加強學生動手上機實踐能力的培養，因此，經過課程的學習，學生已經初步具備利用計算機進行材料模擬的能力．部分選修計算材料類課程的同學在學習中對計算模擬產生了極大的興趣，在大四時選擇材料計算相關課題作為本科畢業論文選題．例如，08屆學生的畢業論文《ZnS摻雜Cu光學性質的第一性原理研究》和《布朗運動的蒙特卡洛模擬》，09屆學生的畢業論文《ZnO電子結構和光學性質的研究》，11屆學生的畢業論文《晶格熱容的理論計算》和《簡立方晶體結構能量分布的理論模擬》等均為材料計算和模擬相關課題，并且有多人的畢業論文被評為優秀畢業論文．個別優秀的學生讀研后繼續從事材料的計算模擬相關研究．通過幾年的教學實踐，計算材料相關課程的開設對于擴大學生的知識面，提高學生的理論分析能力有極大地幫助．(2)在材料相關的理論課程中加入計算模擬方法介紹雖然已經在材料專業開設《計算機在材料科學中的應用》和《計算物理》等材料計算相關的課程，但這兩門課均為專業選修課，只有選修相關課程的學生才能得到相應的計算模擬培訓，受眾面還比較窄．因此，為使更多的學生了解到材料模擬計算的相關理論和知識，在材料專業主干課的教學中也適時地加入相關的計算模擬方法的介紹，從而擴大計算模擬知識的普及面．例如，在《固體物理》課程中，當講解到能帶理論一章時，我們會在本章結束時，加入一次課，著重介紹基于第一性原理的平面波贗勢計算方法計算材料的能帶結構、電子態密度等以及第一性原理計算的常用軟件(CASTEP、VASP等)．一方面，對學生學習的理論知識加以直觀化和適度的擴展，另一方面也進一步普及第一性原理計算的相關知識．在《材料科學基礎》教學中講解到相平衡與相圖一章時，我們會在本章內容結束后介紹相圖計算近年來的發展現狀，包括CALPHAD(CalculationofPhaseDiagram)計算方法、熱力學與動力學的結合、第一性原理與相圖計算方法的結合，并簡要介紹今后相圖計算可能的發展方向[7]．在晶體缺陷內容的教學中，穿插介紹利用分子動力學計算面心立方金屬空位和間隙原子點缺陷的形成能的方法．通過在課程教學中穿插入計算模擬方法的介紹，一方面也加深了學生對所學內容的理解，另一方面開闊了學生的眼界．(3)舉辦計算模擬相關的學術講座．自從2009年以來，物理與電子信息學院從事計算模擬研究的教師每學期都結合自身的科研情況舉辦面向全院學生的學術講座．例如在2011至2012學年第二學期，我們舉辦兩場學術講座，分別是《氧化鋅晶體及其摻雜的第一性原理研究》以及《可見光響應半導體光催化材料的結構和能帶設計》，教師在講座中介紹自己的科研情況，同時也使學生了解到如何把學到的計算模擬知識應用到科研實踐中去，讓學生體會到如何利用計算模擬預測材料的物理性質以及指導材料設計的研究方式，提高學生自覺學習計算模擬方法的積極性．

結束語