第四章 量子課件

第四章

物質(zhì)觀的革命—量子理論

第一節(jié)

打開微觀世界研究大門的三大發(fā)現(xiàn)

一、X射線的發(fā)現(xiàn)

二、放射性的發(fā)現(xiàn)

三、電子的發(fā)現(xiàn)

第二節(jié)

量子論和量子力學的誕生

一、量子論的初期

二、量子論的建立2024/12/61第四章量子

物理學作為一門科學，它的形成和發(fā)展經(jīng)歷了近四、五百年的歷史，到19世紀末，經(jīng)典物理學理論體系的大廈巍然聳立，使人們普遍產(chǎn)生了一種錯覺，認為物理學的發(fā)展已經(jīng)完成，人們對物理世界的解釋已經(jīng)達到了終點，宇宙萬物必然按照由精美的數(shù)學方程所表達的物理學定律永遠運動下去。著名德國物理學家基爾霍夫曾表示：“物理學將無所作為了，至多只能在已知規(guī)律的公式的小數(shù)點后面加幾個數(shù)字罷了?！?024/12/62第四章量子

在剛剛跨入20世紀的第一天，英國著名的物理學家開爾文在《元旦獻詞》中曾經(jīng)說過：

“在已經(jīng)建成的大廈中，后輩物理學家只能做一些零碎的修補工作。”與眾不同的是他又敏銳地發(fā)現(xiàn)，在物理學晴朗的天空里，還有兩朵小小的令人不安的烏云，這兩朵烏云指的是當時物理學無法解釋的兩個實驗，一個是熱輻射實驗另一個是邁克爾遜–莫雷實驗。

X射線、放射性和電子的三個發(fā)現(xiàn)，揭開了近代物理的序幕。當物理學進入20世紀，就誕生了量子論和相對論，開創(chuàng)了近代物理學。2024/12/63第四章量子

自古到今，人們就在不斷地思索，世界萬物由什么構(gòu)成的？它有最小結(jié)構(gòu)嗎哲學家亞里士多德等人則認為物質(zhì)是連續(xù)的，世界萬物由土、空氣、水、火這四種元素組成的，而天則是第五種元素“以太”所組成的古希臘哲學家德謨克利特等人認為，物質(zhì)是不連續(xù)的，分到最后將由一些不可再分的東西所組成，他把這種物質(zhì)的基元命名為“a–toms（“原子”）”，古希臘文的意思是“不可再分的東西”。2024/12/64第四章量子英國科學家道爾頓是科學原子論的創(chuàng)始人，1807年他依據(jù)一系列實驗，提出“氣體、液體和固體都是由該物質(zhì)的不可分割的原子組成的”，“同種元素的原子，其大小、質(zhì)量及各種性質(zhì)都相同”，此后，大量實驗事實證明了原子論的正確性。1895年德國物理學家倫琴發(fā)現(xiàn)X射線，1896年，法國物理學家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)放射性，1897年英國物理學家湯姆遜，發(fā)現(xiàn)了電子，這三大發(fā)現(xiàn)揭開了原子存在內(nèi)部結(jié)構(gòu)，三大發(fā)現(xiàn)揭開了研究微觀世界的序幕。2024/12/65第四章量子第一節(jié)打開微觀世界研究大門的三大發(fā)現(xiàn)

一、X射線的發(fā)現(xiàn)1、陰極射線的發(fā)現(xiàn)及其本性的爭論

1858年，德國的蓋斯勒制成了低壓氣體放電管。1859年，德國的普呂克爾利用蓋斯勒管進行放電實驗，他注意到，從鉑陰極發(fā)出的粒子飛向玻璃管，粒子流打在管壁上發(fā)出螢光，螢光斑能夠被磁力偏轉(zhuǎn)。1876年，德國的戈爾茲坦提出，玻璃壁上的輝光是由陰極產(chǎn)生的某種射線所引起的，他把這種射線命名為陰極射線。并且認為陰極射線應該是一種類似于紫外線的以太波。該思想得到了以赫茲為首的本國科學家的贊成，形成了德國學派。

1871年英國科學家瓦爾利從陰極射線在磁場中受到偏轉(zhuǎn)與帶電粒子很相近的事實，提出這一射線是由帶負電粒子所組成。該思想得到本國克魯克斯、J.J.湯姆生等人的贊同，形成了英國學派。

2024/12/66第四章量子2、X射線的發(fā)現(xiàn)

德國維爾茨堡大學校長、物理學家倫琴于1895年11月8日，在做放電管實驗時，為了避免可見光的影響，他用黑紙將放電管包起來，而且在暗室中進行實驗，他意外地發(fā)現(xiàn)在離管一米以外的涂有熒光物質(zhì)的屏上閃耀著微弱的青綠色的熒光。2024/12/67第四章量子

12月22日，倫琴的夫人來到實驗室，倫琴讓夫人把左手放在用黑紙包著的照相底片上，然后用X射線照射，為她拍攝了一張帶著戒子的左手手指骨骼照片，這是歷史上第一張X光照片。倫琴夫人手的X片2024/12/68第四章量子

1895年12月28日倫琴寫出了一篇論文《論一種新的射線》，文章詳細總結(jié)了新射線的性質(zhì)：新射線來自于被陰極射線擊中的固體，固體元素越重，產(chǎn)生出來的新射線越強；新射線是直線傳播的，不被棱鏡反射和折射，也不被磁場偏轉(zhuǎn)；新射線對所有物體幾乎都是透明的；

新射線可使熒光物質(zhì)發(fā)光，使照相底片感光，當把手放在放電管和熒光屏之間時，由于肌肉對新射線的吸收比骨質(zhì)弱得多，屏上便可看到手指的骨骼。2024/12/69第四章量子

X射線這個名稱也是倫琴最先采用的，他在給孔特的信中說：“我終于發(fā)現(xiàn)了一種光，我不知道是什么光，無以名之，就把它叫做X光吧”，后人為了紀念他，又把它稱為“倫琴射線”。

倫琴的發(fā)現(xiàn)震驚了整個科學界，許多物理學家轉(zhuǎn)向研究X射線，反應之迅速和強烈是物理學史上罕見的，僅1896年一年內(nèi)，關(guān)于X射線研究的論文達1000多篇。

2024/12/610第四章量子在X射線發(fā)現(xiàn)3個月后，維也納醫(yī)院中首次利用X射線對人體進行拍片;半年后，英國出版了第一本研究X射線的專業(yè)雜志——《Ｘ射線臨床攝影資料》;此后，J.J.湯姆遜和盧瑟福證實X射線能使氣體電離；1912年德國物理學家勞厄用晶體作光柵，得到X射線衍射圖，證明X射線是一種波長很短（約在10–10–2?之間）的電磁波，同時證明了晶體具有空間點陣，勞厄因此獲得了1914年度諾貝爾物理獎。2024/12/611第四章量子

X射線的發(fā)現(xiàn)使人們認識的“電磁波譜”朝著短波方向拓廣了一大段；1906年，英國物理學家巴克拉發(fā)現(xiàn)每種金屬都有自己的“特征X射線”，用它可以確定元素在周期表上的排位，巴拉克因此而獲得了1917年的諾貝爾物理學獎；1915年諾貝爾物理學獎授予英國物理學家布拉格父子，表彰他們在勞厄工作的基礎(chǔ)上，提出了布拉格公式，可以用它精確測定晶體的原子結(jié)構(gòu)；2024/12/612第四章量子1913年，英國年輕的物理學家莫斯萊發(fā)現(xiàn)一個重要的規(guī)律：各種元素的波長非常有規(guī)律地隨著它們在周期表中的排列順序而遞減，利用此規(guī)律可以準確地確定各元素的原子序數(shù)，并且發(fā)現(xiàn)它們恰好與核電荷數(shù)相等，他的發(fā)現(xiàn)對認識原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)有很大的意義；瑞典物理學家西格本進一步發(fā)現(xiàn)了一系列新的X射線，并精確測定了各種元素的Ｘ射線譜，建立了Ｘ射線光譜學，西格本的工作對于揭開原子內(nèi)電子殼層結(jié)構(gòu)狀況有重要的作用，他因此而榮獲了1924年度的諾貝爾物理學獎。2024/12/613第四章量子3、X射線分析法的應用：1953—1959年，小布拉格的兩位助手佩魯茨和肯德羅，用改進了的X射線分析法測定了肌紅蛋白及血紅蛋白的分子結(jié)構(gòu)，為此獲得1962年的諾貝爾化學獎。1962年諾貝爾生理學獎及醫(yī)學獎授予英國生物物理學家克里克、威爾金森、美國生物學家沃森，表彰他們發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，這是20世紀生物學的最偉大成就，他們依靠的也是X射線分析法。2024/12/614第四章量子因使用X射線分析法研究蛋白質(zhì)、核糖核酸、青霉素、維生素等生物大分子、有機高分子結(jié)構(gòu)而獲諾貝爾化學、生理醫(yī)學獎的科學家多達數(shù)10位。X射線也用于軍事?！靶乔虼髴?zhàn)”中核心武器是高能X射線激光器，將它裝在軍事衛(wèi)星上能遠距離摧毀對方的洲際導彈。20世紀60年代，美國物理學家科馬克和英國電氣工程師洪斯菲爾德提出用計算機控制X射線斷層掃描原理，并發(fā)明X射線斷層掃描儀，使醫(yī)生能看到人體內(nèi)臟器官橫斷面圖象，從而準確診斷病癥，他們兩人共享了1979年諾貝爾生物學及醫(yī)學獎。2024/12/615第四章量子

值得一提的是在倫琴發(fā)現(xiàn)X射線之前，人們已在實驗室操作陰極射線管達30多年之久，也有一些人如克魯克斯、勒納德都曾碰到過陰極射線管附近的照片底片感光或物體發(fā)出熒光的現(xiàn)象，但是，他們都沒有仔細審查這個奇怪的現(xiàn)象而失去了“機遇”，正如恩格斯所描述的：“當真理碰到鼻子尖上的時候還是沒有得到真理”，在科學發(fā)展史上這類事實是屢見不鮮的。但是倫琴——1869年蘇黎世大學獲博士學位，他治學嚴謹，一貫重視基本實驗，從不放過任何一個可疑現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)苗子反復試驗，終于發(fā)現(xiàn)了X射線。倫琴榮獲1901年諾貝爾物理獎，成為諾貝爾物理獎的第一個獲獎?wù)撸钱斨疅o愧的。2024/12/616第四章量子第一張諾貝爾物理獎(1901年倫琴)2024/12/617第四章量子二、放射性的發(fā)現(xiàn)1、貝克勒爾的驚人發(fā)現(xiàn)

在X射線發(fā)現(xiàn)不久，貝克勒爾對一種稱為硫酸雙氧鈾鉀的熒光物質(zhì)進行了研究，他把這種鈾化合物放在用黑紙包起來的照相底片上，然后放在太陽光下曝曬幾小時，把底片取出來進行沖洗，他發(fā)現(xiàn)了“熒光物質(zhì)在底片上的黑色輪廓”，他又在熒光物質(zhì)和紙之間放一塊玻璃，繼續(xù)進行試驗，也得到了同樣的結(jié)果。這就是最早發(fā)現(xiàn)的放射性現(xiàn)象，鈾是貝克勒爾發(fā)現(xiàn)的第一個放射性元素。2024/12/618第四章量子

法國科學泰斗彭加勒在閱讀倫琴發(fā)現(xiàn)X射線的實驗報告后，腦子里浮現(xiàn)出一種想法：既然X射線發(fā)生在熒光現(xiàn)象特別強烈的地方，那么，一切強烈的熒光物質(zhì)都可能發(fā)射X射線。

貝克勒爾是在這種情況下去做實驗的，但是，他不迷信權(quán)威，通過實驗他發(fā)現(xiàn)彭加勒關(guān)于熒光物質(zhì)產(chǎn)生X射線的理論是錯誤的。自然現(xiàn)象紛紜復雜，假象和真象交織，現(xiàn)象合本質(zhì)對立，原因合結(jié)果互變，要探索它的規(guī)律，怎能一點也不犯錯誤？貝克勒爾的初衷也是證實彭加勒的設(shè)想，后來卻否定了它。因此，從錯誤的理論出發(fā)，通過實驗，揭示錯誤，走向真理也是科學研究的一種正常模式。2024/12/619第四章量子2、貝克勒爾的“先驗觀念”和居里夫人的新的突破

放射性發(fā)現(xiàn)公布后不久，瑪麗

居里很快投入了這一新的研究領(lǐng)域，她發(fā)現(xiàn)瀝青鈾礦中的放射性比已測得的鈾的放射性強得多。她大膽假定瀝青鈾礦中存在一種比鈾放射性強得多的未知元素。為了尋找這個未知元素，她的丈夫皮埃爾

居里通過繁重的勞動，從大量的瀝青礦渣中去提取那個未知元素，最后發(fā)現(xiàn)了兩種新的放射性元素，一種取名為“釙”（Polorium），以紀念自己的祖國——波蘭，另一種取名為“鐳”。2024/12/620第四章量子

居里夫婦繼續(xù)奮斗了近四年，在簡陋的工棚里，在原始的條件下，歷盡千辛萬苦，終于在1902年3月，從數(shù)以噸計的瀝青鈾礦殘渣中提煉出0.12克氯化鐳，并測得了鐳的原子量為225（現(xiàn)公認為226），其放射性比鈾強200萬倍。1903年，居里夫婦和貝克勒爾共享了諾貝爾物理獎。1910年完成了她的名著《論放射性》，由于她的杰出貢獻，1911年又榮獲了諾貝爾化學獎。居里夫人成了第一個兩次獲諾貝爾獎殊榮的人物。2024/12/621第四章量子射線、

射線和

射線發(fā)現(xiàn)：放射性發(fā)現(xiàn)后不久，英國劍橋大學卡文迪許實驗室的研究生盧瑟福也投入了對放射性的研究，在科學家的共同努力下，沒幾年就發(fā)現(xiàn)了天然放射性核素能夠自發(fā)地放出各種射線，從而衰變?yōu)榱硪环N核素，衰變方式很多，放出的射線也有多種，主要的有射線是帶兩個正電荷的氦核（）；射線是帶負電荷的高速電子流；

射線是從原子核內(nèi)放出來的電磁波，它實際上是一束能量極高的光子流，它的波長比X射線還要短，穿透本領(lǐng)比X射線更強。

2024/12/622第四章量子放射性應用：利用放射性鈷源（60Co）的

射線輻照，可以進行食品（如肉類、水果等）保鮮、輻照消毒（如對醫(yī)療器械、流通貨幣等）以及輻照育種等。尤其在醫(yī)藥上利用它來殺傷人體內(nèi)的腫瘤細胞，這是目前治療腫瘤的一種常用方法。在發(fā)達國家中放射性藥物使用已相當普及。在發(fā)展中國家中，我國的核醫(yī)藥水平名列前茅。國內(nèi)已有1000多家醫(yī)院開展了放射性藥物的診治工作。影視資料片：放射性2024/12/623第四章量子三、電子的發(fā)現(xiàn)1858年德國物理學家普魯克利用蓋斯勒放電管研究氣體放電時發(fā)現(xiàn)了對著陰極的管壁上出現(xiàn)了美麗的綠色光輝；1876年德國物理學家哥爾德斯坦證實這種綠色光輝是由陰極上所產(chǎn)生的某種射線射到玻璃上產(chǎn)生的，他把這種射線命名為“陰極射線”。

法國物理學家大多認為陰極射線是一種電磁波，英國物理學家則認為是一種帶電粒子流，這一爭論持續(xù)了一、二十年，促使許多物理學家進行很有意義的實驗，推動了物理學的發(fā)展，這場爭論最后由J.J.湯姆遜解決了。2024/12/624第四章量子

J.J.湯姆遜，1856年12月18日生于英國，1884年任卡文迪許實驗室教授，這個實驗室在他的領(lǐng)導下，成了全世界引人注目的物理實驗中心，世界各地的科學家常來這里開展研究工作，其中有八位后來獲得諾貝爾獎，如盧瑟福、威爾遜、巴克拉）、G.P.湯姆遜等，如后表所示，這八位獲獎?wù)呤撬苯优囵B(yǎng)過的，

卡文迪許實驗室獲得諾貝爾獎的共有25人次。2024/12/625第四章量子獲獎?wù)攉@獎時間和獎項獲獎原因E.盧瑟福1908化學獎研究元素蛻變和放射性化學W.H.布拉格1915物理學獎用X射線法分析晶體結(jié)構(gòu)W.L.布拉格C.G.巴爾克拉1917物理學獎發(fā)現(xiàn)元素的特征X射線輻射F.W.阿斯頓1922化學獎研究原子的結(jié)構(gòu)和輻射C.T.R.威爾遜1927物理學獎用蒸汽凝聚使帶電粒子可見的方法O.W.里查森1928物理學獎發(fā)現(xiàn)電子放射決定于溫度的里查森定律G.P.湯姆遜1937物理學獎用電子照射實驗發(fā)現(xiàn)晶體內(nèi)的干涉現(xiàn)象2024/12/626第四章量子

1897年，J.J.湯姆遜發(fā)現(xiàn)，不管怎樣改變放電管中的氣體的種類，也不管怎樣改變電極的材料，陰極射線粒子的荷質(zhì)比始終保持不變，這就意味著陰極射線是一種荷質(zhì)比完全確定的粒子流所組成的，由此斷定，這種粒子應是電極材料原子的基本組成部分。1897年8月，J.J.湯姆遜把他的發(fā)現(xiàn)寫成論文“陰極射線”，10月發(fā)表在《哲學雜志》上。2024/12/627第四章量子

1909–1917年間美國科學家羅伯特

密立根在利用有名的油滴實驗測定電子電荷量e值，他以嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和追求精確的測量而受到人們的贊譽。

1909年密立根油滴實驗證明一切荷電物質(zhì)都只能帶有e的整數(shù)倍的電量，而一個陰極射線粒子所帶的電量（–e）是負電荷的最小單位，e/m是不變的，e也不變，表示陰極射線粒子的質(zhì)量m也是確定的，這種粒子便稱為電子，因此陰極射線就是高速電子流。2024/12/628第四章量子

電子的發(fā)現(xiàn)再一次否定了原子不可分的觀念，電子是第一個被發(fā)現(xiàn)的微觀粒子，電子的發(fā)現(xiàn)對原子組成的了解起了極為重要的作用。

J.J.湯姆遜由于發(fā)現(xiàn)電子而于1906年榮獲諾貝爾物理學獎，J.J.湯姆遜被譽為“一位最先打開通向基本粒子物理學大門的偉人”。電子的發(fā)現(xiàn)在科學技術(shù)上誘發(fā)了電子時代的來臨，1904年，A.弗萊明發(fā)明了二極電子管，1906年，L.德弗萊斯特(L.deForest)發(fā)明了三極管。真空管的發(fā)明，使電力通訊、控制合自動化生產(chǎn)很快發(fā)展。晶體管集成電路的發(fā)明，使人類進入微電子科技時代。2024/12/629第四章量子三大發(fā)現(xiàn)，使物理學發(fā)生了深刻的變化：電子比最輕的原子——氫原子還要輕1836倍；電磁波除有無線電波、紅外線、可見光、紫外線，還有波長更短的X射線；一個原子在化學變化中釋放出來的能量只有幾個電子伏特eV（），而天然放射性現(xiàn)象中一個原子放出的能量竟可達到幾百萬電子伏特MeV（）；化學變化不會引起原子性質(zhì)的根本變化，然而原子經(jīng)過放射

或

射線后卻完全變了。2024/12/630第四章量子第二節(jié)量子論和量子力學的誕生量子論是現(xiàn)代物理學的兩大基石之一。量子論給我們提供了新的關(guān)于自然界的表述方法和思考方法。量子論揭示了微觀物質(zhì)世界的基本規(guī)律，為原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學奠定了理論基礎(chǔ)。它能很好地解釋原子結(jié)構(gòu)、原子光譜的規(guī)律性、化學元素的性質(zhì)、光的吸收與輻射等。2024/12/631第四章量子一、量子論的初期

1、“量子”概念的提出

熱輻射是19世紀發(fā)展起來的一門新學科，實際上就是紅外輻射。這門學科發(fā)展的非常快。美國人蘭利對熱輻射做過很多工作。1881年，他發(fā)明了熱輻射計，可以很靈敏地測量輻射能量。1886年，他測到了相當精確的熱輻射能量分布曲線。1859年，德國物理學家基爾霍夫證明熱輻射的發(fā)射本領(lǐng)和吸收本領(lǐng)的比值與輻射物體的性質(zhì)無關(guān)，并提出了黑體輻射的概念。

2024/12/632第四章量子1895年，維恩首先指出，絕對黑體可以用一個帶有小孔的輻射空腔（右圖)來實現(xiàn)黑體：理想的熱輻射體是“絕對黑體”，簡稱“黑體”，它是在任何溫度下都能全部吸收落在它上面的一切輻射的理想物體。2024/12/633第四章量子右圖是黑體的單色發(fā)射本領(lǐng)與

、

T關(guān)系的實驗曲線。為了從理論上導出符合實驗曲線的函數(shù)式，19世紀末，許多物理學家在經(jīng)典物理的基礎(chǔ)上作了相當大的努力，但是他們都遭到了失敗，理論公式和實驗結(jié)果不相符合、其中最典型的是維恩公式和瑞利一金斯公式：2024/12/634第四章量子（1）維恩公式1896年，維恩通過半理論半經(jīng)驗的方法，得到一個黑體輻射的理論公式為

維恩公式在短波方面與實驗結(jié)果符合得很好，但是在長波方面則理論與實驗不一致。

（2）瑞利–金斯公式1900年，瑞利和金斯根據(jù)經(jīng)典物理中能量按自由度均分原則導出了黑體輻射的理論公式 2024/12/635第四章量子

這公式在波長很長的情況下與實驗曲線還比較相近，但是在短波紫外光區(qū)方面，按公式看來，將趨向無窮大，完全與實驗曲線不符，這就是物理學史上著名的“紫外光災難”。下圖表示出這兩個公式（虛曲線）與實驗值（用表示）的比較。2024/12/636第四章量子黑體輻射經(jīng)驗定律導致“紫外災難”由于瑞利–金斯公式完全是根據(jù)經(jīng)典物理學的連續(xù)性原理推導出來的（經(jīng)典物理學認為熱的輻射和吸收都是完全連續(xù)的過程），因此，“紫外光災難”說明經(jīng)典物理學理論應用于熱輻射問題上的失敗并不是什么局部的失敗，而預示著整個經(jīng)典物理學連續(xù)性的災難，因此，開爾文把“黑體輻射實驗看作經(jīng)典物理學晴朗天空中第二朵烏云”是很恰當?shù)摹?024/12/637第四章量子普朗克的能量子德國著名物理學家麥克斯

普朗克少年時就酷愛科學和藝術(shù)，中學畢業(yè)后對于人生道路的選擇舉棋不定，究竟是為科學奮斗終身呢，還是獻身于音樂？普朗克幾度徘徊，反復思考，最終還是選定了科學。

2024/12/638第四章量子

1900年10月19日，普朗克在德國物理學會上以《維恩輻射定律的改進》為題的論文中提出了新的輻射公式，稱為普朗克公式，公式如下：

式中c是光速，k是玻耳茲曼常數(shù)，其值為

h為普朗克常數(shù)，其值為

普朗克公式與實驗完全符合，而且它在短波區(qū)域可以近似化為維恩公式，而在長波區(qū)域則近似化為瑞利–金斯公式。2024/12/639第四章量子

圖中的熱輻射曲線就是依照普朗克計及能量子假設(shè)而導出的輻射公式畫成的，與黑體輻射實驗結(jié)果相符合。2024/12/640第四章量子

1900年12月24日，普朗克在法國物理學會的圣誕會上宣讀了題為《關(guān)于正常光譜的能量分布定律》的論文，提出了與經(jīng)典物理學格格不入的能量量子化假設(shè)：輻射黑體是由帶電的諧振子組成，這些諧振子的能量只能處于能量子

的整數(shù)倍，即

,2

,3

,4

,

,n

n為正整數(shù)，稱為量子數(shù)，對于頻率為的諧振子來說，能量子為

=hv，式中h是為普朗克常數(shù)。2024/12/641第四章量子普朗克提出能量子假說有劃時代的意義。但是，不論是普朗克本人還是他的同時代人當時對這一點都沒有充分認識。在20世紀的最初5年內(nèi)，普朗克的工作幾乎無人問津，普朗克自己也感到不安，總想回到經(jīng)典理論的體系之中，企圖用連續(xù)性代替不連續(xù)性。為此，他花了許多年的精力，但最后還是證明這種企圖是徒勞的。2024/12/642第四章量子普朗克的物理思想

德國物理學家普朗克對宇宙本質(zhì)問題有濃厚的興趣，他在《科學自傳》中談到了他從青年時期起就愛好科學的原因。他說：“引導我從事科學研究和從青年時期起就愛好它的原因，是一個不十分自明的事實，這就是我們的思維規(guī)律和我們從外界接受到的自然過程的規(guī)律是符合一致的，因而使人們有可能通過純粹思維對這種規(guī)律做出解釋。對此具有重要意義的是，外部世界是我們所面對的、獨立于我們而存在的絕對所在，而探索這種絕對存在所適用的規(guī)律，我認為就是最崇高的科學研究任務(wù)?！边@些話表明了一個科學家樸素的唯物主義思想，他堅信外部世界是獨立于我們而存在的客觀存在，他堅信真理的客觀性，他認為探索這種絕對存在所適用的規(guī)律是科學研究的崇高任務(wù)。2024/12/643第四章量子

普朗克早期的物理思想受到克勞修斯的深刻影響。當他在慕尼黑大學學習物理和數(shù)學時，就以極大的熱情自學了克勞修斯的名著《熱力學》。他在1879年完成的博士論文中。對熱力學第二定律做了詳細的論述，但這篇論文并沒有引起人們的興趣。

但是，這種淡漠的態(tài)度并沒有阻止他對熵的研究。他在《科學自傳》中說：“由于深刻體會到這個問題的重大意義，這種態(tài)度并沒有阻止我繼續(xù)對熵進行研究，因為我把熵看作和能量—樣，也是物理過程最重要的特性?！?024/12/644第四章量子

從1894年起，普朗克把注意力轉(zhuǎn)向黑體輻射問題。他為什么對這一領(lǐng)域發(fā)生興趣了呢?除了上述原因外，還有他對普適性規(guī)律的追求。通過熱輻射譜的測量，他的注意力被引向了基爾霍夫定律，他被基爾霍夫函數(shù)的普適性迷住了。他在《科學自傳》中談到他的探索動機時說：“這個所謂的正常的能量分布表明了某種絕對東西的存在；而且，既然在我看來對絕對事物的尋求永遠是最美好的研究任務(wù)，因此我就熱心地開始探索這個問題?！?024/12/645第四章量子2、光電效應（1）光的微粒說與波動說的爭論光的波動說

法國哲學家、物理學家笛卡兒提出光是某種類似壓力的東西，它從發(fā)光物體通過稀薄的媒質(zhì)傳向四面八方。他的這種思想，為關(guān)于光的波動說的創(chuàng)立奠定了基礎(chǔ)。意大利的格里馬第對一細束日光照射下的小物體進行觀察，發(fā)現(xiàn)光并不嚴格走直線，因為小物體的陰影比假定光走直線預計的影子要寬一些，而且陰影的邊緣外側(cè)出現(xiàn)平行的色帶。他還從光連續(xù)通過兩個小圓孔后在屏上的影子，也發(fā)現(xiàn)類似現(xiàn)象，屏上的亮盤也比假定光走直線畫出的直徑要大。在這些觀察的基礎(chǔ)上，他提出了光是一種能夠作波浪狀運動的精細流體。2024/12/646第四章量子

英國物理學家胡克在1665年出版的《顯微術(shù)》一書中，主張光是一種振動。他寫道：“在一種媒質(zhì)中，這一運動在各個方面都以相等的速度傳播。所以發(fā)光體的每一個脈動或振動都必將形成一個球面，這個球面將不斷增大，就如同把一石塊投入水中后在水面引起越來越大的環(huán)狀波一樣。由此可見，在均勻媒質(zhì)中擾動起來的這些球面的一切部分都與射線成直角?！焙商m物理學家惠更斯是光的波動說的莫基人。提出了著名的“惠更斯原理”。2024/12/647第四章量子光的微粒說：牛頓是微粒說的代表。

光的波動說的復興：

19世紀，由于英國物理學家托馬斯·楊和法國物理學家菲涅爾等人的工作，光的波動說又得以復興。解釋了托馬斯·楊兩孔干涉、牛頓環(huán)、細絲衍射、圓孔衍射、圓板衍射等現(xiàn)象。赫茲于1886～1888年，以實驗證實了電磁波的存在，光是電磁波的一種形式，證明電磁波確實同光一樣，能夠產(chǎn)生反射、折射、干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象。光的波動說進入全盛時期，光的微粒說走向了衰敗。2024/12/648第四章量子光的量子說

1905年，普朗克收到了愛因斯坦的一篇論文，題目叫做《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個啟發(fā)性觀點》，他在論文里提出了“光量子”對光電效應的一種新解釋，普朗克看完論文之后，立即給這位素不相識的青年人寫信表示祝賀，愛因斯坦的論文發(fā)表后，在物理學界再次引起很大震動。

普朗克榮獲1918年度諾貝爾物理學獎，愛因斯坦也因此榮獲1921年度諾貝爾物理學獎。從此，人們對普朗克的量子論也另眼相待了。2024/12/649第四章量子光電效應：當紫外光之類的光照射到鋅板之類的金屬板的表面上時，從金屬里會有電子跑出來。隨著研究的深入，物理學家發(fā)現(xiàn)：被紫外光照射后鋅板多少總能發(fā)射出一些電子來，不論紫外光的強度有多弱；同樣一塊鋅板如果用紅光去照射，不管紅光有多少強，也別想打出一個電子來！2024/12/650第四章量子按照經(jīng)典物理學的觀點，光能夠把電子從金屬原子中打出來，是因為光將自己的能量交給了電子，光的能量與光的強度的平方成正比，按此道理，紅光比紫光強，它所攜帶的能量多，就應該打出更多、更快的電子來，可是，實驗現(xiàn)象完全與此相反，這可把物理學家難住了。光子學說：愛因斯坦假定電磁場能量本身是量子化的，而且對于頻率為

的電磁場的能量單位是h

。這種一份一份的電磁輻射能，被稱作“光子”。利用光子的能量關(guān)系式，光電效應就很容易解釋了。光子的能量只與它的頻率有關(guān)，而與光的強度無關(guān)，紫外光頻率高，能量大，能把電子打出來；紅光頻率低，能量小，它的光子的能量達不到打出電子的最低要求，所以紅光強度再大也無濟于事。影視資料片：光電效應2024/12/651第四章量子

愛因斯坦用“光量子”成功地解釋了光電效應，恢復了光的粒子性。但是，光量子假說，并不是簡單地回到牛頓的微粒說，也不是對波動說的全盤否定。

1909年，愛因斯坦說：“不可否認的是，有關(guān)黑體輻射的實驗說明，光所具有的一些基本性質(zhì)從牛頓的微粒說去理解要比從波動說去理解容會的多。因此我認為，在理論物理發(fā)展的下一階段，將會出現(xiàn)一種關(guān)于光的理論，根據(jù)這種理論，光可以被看作是波動說和微粒說的融合，我們關(guān)于光的本性和光的結(jié)構(gòu)的看法將有一個深刻的改變將是不可避免的了。”

對于光的認識，不能把粒子性和波動性看成是此孤立的、互不相容的，應該全面地、辯證地認識光的本性。這也是關(guān)于光的本性爭論歷史所給予我們的啟示。2024/12/652第四章量子3、玻爾的氫原子理論

一般以普朗克宣布其能量子概念的1900年12月14日作為量子物理的誕生日，拉開了量子革命的序幕?？梢园蚜孔诱摰陌l(fā)展歷史劃分成三個時期。舊量子論：1900年普朗克提出能量子概念，1905年愛因期坦發(fā)展而建立光量子理論，1913–1916年形成玻爾–索末菲原子理論。2024/12/653第四章量子（1）盧瑟福原子結(jié)構(gòu)的行星式模型湯姆生原子模型湯姆生棗糕模型：原子的正電荷是均勻分布在整個原子球體內(nèi)的，而電子是一個個嵌在其中，并保持整個原子的電中性。

2024/12/654第四章量子粒子散射實驗α粒子轟擊金箔后絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后仍沿原來的方向前進，少數(shù)以粒子卻發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)，并且有極少數(shù)粒子偏轉(zhuǎn)角超過了90度，有的甚至被彈回，偏轉(zhuǎn)角幾乎達到180度。根據(jù)湯姆遜模型計算的結(jié)果，α粒子穿過金箔后偏離原來方向的角度應該是很小的。因為電子的質(zhì)量很小，不到α粒子的七千分之一，α粒子碰到它，就像飛行著的子彈碰到一粒塵埃一樣，運動方向不會發(fā)生明顯的改變；而正電荷又是均勻分布的，α粒子穿過原子時，它受到的原子內(nèi)部兩側(cè)正電荷的斥力相當大一部分互相抵消，使α粒于偏轉(zhuǎn)的力不會很大。

2024/12/655第四章量子盧瑟福在1911年提出了如下的原子核式結(jié)構(gòu)學說：在原子的中心有一個很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負電的電子在核外空間里繞著核旋轉(zhuǎn)。原子核所帶的單位正電荷數(shù)等于核外的電子數(shù)，所以整個原子是中性的。電子繞核旋轉(zhuǎn)所需的向心力就是核對它的庫侖引力。2024/12/656第四章量子1、原子坍塌，電子繞核做橢圓運動，這是一種加速運動，按經(jīng)典電動力學理論電子在運動過程中必然輻射能量，電子能量逐漸減少，軌道半徑隨之變小，只要10-8秒，電子就會落到核上，發(fā)生坍塌；2、是在坍塌前原子連續(xù)輻射，應得連續(xù)的原子光譜。實際上，原子沒有發(fā)生坍塌；實驗上，原子光譜是分立的線光譜。

盧瑟福在倫敦出版的《哲學雜志》上向物理學家宣布了他的原子模型，但是當時他的模型根本沒有引起學術(shù)界的關(guān)注，相反的，大多數(shù)理論家和實驗家對他不以為然，因為盧瑟福提出的原子核式模型與經(jīng)典物理理論之間存在著尖銳矛盾。矛盾有二個：

2024/12/657第四章量子

按照經(jīng)典電動力學，原子是不穩(wěn)定的，電磁輻射譜線是連續(xù)，這些都違背客觀事實。原子光譜是分立的線光譜2024/12/658第四章量子

誰是盧瑟福瀕臨失敗的原子模型的救星呢？年輕的哥本哈根大學哲學博士尼爾斯·玻爾

玻爾玻爾著眼于原子的穩(wěn)定性，吸取了普朗克和愛因斯坦的量子概念，于1913年考慮氫原子中電子圓形軌道運動，提出原子結(jié)構(gòu)的玻爾理論。2024/12/659第四章量子

玻爾原子理論中有三條假定：(1)定態(tài)假定：存在一系列原子定態(tài)，處在定態(tài)中的電子雖做相應的軌道運動，但不發(fā)射電磁波；(2)角動量量子化：做定態(tài)運動電子的角動量量子化了，其值只能為h／2π的整數(shù)倍；(3)頻率假定：僅當原子中的電子從一定態(tài)躍遷到另一定態(tài)時，才能發(fā)射或吸收一個相應的光子。

玻爾原子理論解決了困繞物理學界20年之久的原子穩(wěn)定性問題，以及光譜規(guī)律與原子結(jié)構(gòu)的本質(zhì)聯(lián)系問題，這是原子理論和量子理論發(fā)展中的一個重要里程碑。2024/12/660第四章量子

在玻爾量子理論取得輝煌成就的同時，遇到了越來越多的困難。困難1：玻爾量子論不能解釋氦(He)原子光譜，不能解釋反常塞曼效應，不能解釋光譜線的亮度；困難2：玻爾量子理論帶著鮮明的經(jīng)典理論烙印，具有難以解脫的內(nèi)在軟弱性。玻爾將經(jīng)典概念──電子軌道引入原子中，卻認為電子繞核運動不輻射能量，玻爾理論找不到不輻射能量的恰當理由；它說明了光子的起源，卻無法說明光子的產(chǎn)生過程。玻爾量子理論的缺陷2024/12/661第四章量子二、量子論的建立

1、德布羅意與物質(zhì)波

1924年德布羅意提出物質(zhì)波假設(shè)：邏輯思維：自然界在許多方面是顯著地對稱的→我們可以觀察到的宇宙全是有光和實物組成的→如果光具有波粒二重性，則實物或許也有這種二重性。物質(zhì)波：光：2024/12/662第四章量子

德布羅意提及按照物質(zhì)波假設(shè)，玻爾原子理論關(guān)于角動量的量子化條件與駐波條件相等效。用駐波譬喻物質(zhì)波之行狀的方式帶有早期量子論的色彩，與玻爾原子理論一樣是半經(jīng)典的；然而，用它來表明物質(zhì)波概念綜合描述了物質(zhì)的連續(xù)性和分立性，還是相當形象化的。2024/12/663第四章量子光的波粒二重性：光的波動性：光波有干涉、衍射等效應，光的粒子性：康普頓散射、光電效應等。

愛因斯坦正因他的光量子論能夠很好地解釋光電效應而獲得諾貝爾