量子点纳米科学与原子物理教学结合的探讨

2018-05-14孙松阳

知识文库 2018年21期

孙松阳

本文通过纳米科学中的量子点和天然原子在结构和性质上的比较，指出两者在多方面的相似性，探讨了量子点纳米科学对于原子物理教学的意义，为原子物理教学的改革提供了一个方向。

1 引言

作为微观学科的原子物理学不仅需要探索微观世界的规律，而且还要解释电学、磁学、光学等宏观现象。原子物理学处于经典物理学和近代物理学的中间环节，是学习量子物理学和固体物理的基础。原子物理学中的概念和研究方法与经典物理不同，学生们深感原子物理学的抽象，甚至对进一步学习近代物理丧失了兴趣。为了解决原子物理教学中所面对的这个问题，本文试图将量子点纳米材料前沿研究的基本概念、方法和结论融入原子物理教学中，利用量子点纳米材料的丰富成果，形象展示原子物理学的基本概念和结论，做好原子物理教学在经典物理教学和近代物理教学中的桥梁作用，为学生学习近代物理学和进行科研训练打下基础。

量子点又称半导体纳米晶，尺寸一般在20nm以下，形状呈近似球形，在三个空间方向受静电场限制，具有明显的量子效应。量子点里面的粒子是半导体导带电子、价带空穴以及电子与空穴形成的激子。约束量子点中粒子的静电势可以通过外部电极、掺杂、应变、杂质等不同方式产生。描述量子点中粒子状态的方程通常是薛定谔方程，不同之处在于薛定谔方程中的粒子質量不同于电子的质量，而是与材料性质相关的有效质量。由于量子点的结构类似于天然原子的结构，所以量子点有被称为人造原子。量子点的制备、研究和应用是近几十年凝聚态物理研究的前言和热点，量子点技术在2003年被Science杂志评为年度十大科学突破之一。下面我们通过类比的方式，指出量子点与天然原子在结构和性质上的相似性，为量子点纳米科学与原子物理教学结合的可行性奠定基础。

2 量子点与天然原子在结构上的相似性

首先，我们探讨量子点与天然原子在结构上的相似性。量子点中的粒子如导带电子、价带空穴都是准粒子，在有效质量近似下，它们的运动和状态都可以用薛定谔方程描述。当把导带电子放置在外界静电场中，此时形成的量子点就类似于天然的原子。导带电子被约束在外界静电场中，如同电子被约束在原子核的静电库伦场中一样。在半导体中掺入带电杂质，带电杂质可以形成库仑势场，与原子中的原子核的库仑势场相似，而且带电杂质的库仑势场强度可以通过制备条件予以调整，这样带电杂质的库仑势场就可以模拟不同原子核的库仑势场。准确描述原子物理中的原子运动状态的方程是薛定谔方程，这也与有效质量近似下描述量子点的薛定谔方程一样，不同之处在于电子的质量和波尔半径在两种情形下不同。在原子物理教学中，学生首次接触到了量子力学初步，对于薛定谔方程和本征能量的概念，往往感到陌生和茫然。但到目前为止，科学家们已经通过不同的方法对量子点的薛定谔方程在不同势场中进行了详细计算。导带电子在量子点中的密度分布，以及多电子量子点中不同电子之间的相互关联都被形象地画出来。这些计算方法和结果可以用在原子物理教学的演示上，帮助学生了解薛定谔方程的基本特征，形象地认识原子内部电子的运动状态。

3 量子点与天然原子在性质上的相似性

我们接着讨论量子点与天然原子在性质上的相似性。物质的结构决定了物质的性质。量子点尺寸在纳米量级，量子效应凸显出来。根据薛定谔方程，量子点的能量不是连续的，而是分离的能级，即能量是量子化的，这些分立的能级与天然原子的本征能量具有同样的意义。天然原子的能量量子化与经典物理中的能量特征不同，是原子物理学中的重要概念，也是学生不易理解的地方。通过量子点能谱的演示，可以帮助学生认识能量的量子化概念。此外，量子点的光谱也具有线状光谱的性质，这与原子物理中的线状光谱相似。通过量子点的光谱和跃迁选择规律，我们可以帮助学生熟悉原子物理中线状光谱的特征，并且帮助学生深入认识产生原子光谱的跃迁选择定则。当把量子点放置在外加磁场中，此时量子点的能级在磁场下也会发生有规律的分裂，光谱出现塞曼效应，这与原子物理中的塞曼效应一样。当把量子点放置在外加电场中，此时量子点的能级会发生集体平移，出现斯达克效应，与原子物理中的斯达克效应完全一样。量子点与天然原子在能谱、光谱、塞曼效应和斯达克效应等诸多方面的性质是相似的，而量子点这些性质已经在理论和实验中被详细研究了，这些研究成果可以在原子物理教学的相关内容中体现出来。

4 量子点的理论研究方法有助于学生了解物理学中常见的计算方法

量子点的理论研究方法不仅包括解析方法，还包括一些重要的数值计算方法，如有限差分法、对角化方法、分区级数解法，涉及到的计算软件有Mathematica，Matlab等。通过在教学中介绍这些研究方法，我们可以提高学生参与前沿科学研究的积极性，使他们意识到科学研究与当前学科的紧密关联性，也为他们在高年级参与科研训练打下基础。