登陆注册
199900000087

第87章 量子论创立

第八章第十一节量子论创立

量子论和相对论是现代物理学的两大基础理论。它们是在20世纪头30年发生的物理学革命

的过程中产生和形成的,并且也是这场革命的主要标志和直接的成果。量子论的诞生成了物

理学革命的第一声号角。经过许多物理学家不分民族和国籍的国际合作,在1927年它形成了

一个严密的理论体系。它不仅是人类洞察自然所取得的富有革命精神和极有成效的科学成果

,而且在人类思想史上也占有极其重要的地位。如果说相对论作为时空的物理理论从根本上

改变人们以往的时空观念,那么量子论则很大程度地改变了人们的实践,使人类对自然界的

认识又一次深化。它对人与自然之间的关系的重要修正,影响到人类对掌握自己命运的能力

的看法。

量子论的创立经历了从旧量子论到量子力学的近30年的历程。量子力学产生以前的量子论通

常称旧量子论。它的主要内容是相继出现的普朗克量子假说、爱因斯坦的光量子论和玻尔的

原子理论。

普朗克(1858~1947年)出身于德国一个书香门第之家,曾祖父和祖父曾在哥廷根大学任神学

授,伯父和父亲分别是哥廷根大学和基尔大学的法学教授。他出生在基尔,青年时期在慕尼

黑度过。他17岁进慕尼黑大学攻读数学和物理学,后来转到柏林大学受教于基尔霍夫和赫尔

姆霍茨(1821~1894年)等名师。1879年,他以《论热力学第二定律》的论文获博士学位。他

先后在慕尼黑大学和基尔大学任教并从事热力学研究。1888年11月,他作为基尔霍夫的继任

人到柏林大学讲授理论物理学。

他的研究方向从热力学转向热辐射,就是到柏林后才开始的。开始时他用热力学方法研究黑

体辐射理论。他假定空腔壁是由具有相同频率的电谐振子组成的,用热力学方法处理这种谐

振子集。1899年,他得到了一个和维恩辐射定律一致的关系式。同年年底,他得知库尔鲍欧

(1857~1927年)和鲁本斯(1865~1922年)在 9月份发表的实验报告,维恩以及他自己的辐射

定律在高频部分与这实验相符,而在低频部分则与实验偏离。他不得不尝试修改自己的公式

,他得到了一个,仍然不好。

正当他继续修改自己的辐射公式时,1900年6月英国物理学家瑞利(1842~1912年) 发表论文

,批评维恩在推导辐射公式时引入了不可靠的假定。他把统计物理学的能量均分定理用于他

的一个以太振动模型,导出了一个新的辐射公式。同年10月7日,鲁本斯夫妇走访普朗克,

并告诉他瑞利的辐射定律在低频部分与他的实验相符,在高频部则与实验相差甚大。普

朗克受到启发,立即用内插法导出了一个在高频趋近维恩公式,而在低频则趋近瑞利公式的

新的辐射定律。

10月19日,他在德国物理学会的会议上以《论维恩辐射定律的改进》为题报告了自己的

果。鲁本斯当晚进行了核验,证明普朗克的新公式同实验完全相符。鲁本斯深信普朗克公

式与实验曲线的精确一致绝非巧合,在这个公式中一定孕育着一个新的科学真理。于是鲁

本斯在第二天就把这一结果告诉了普朗克。普朗克受到极大的鼓舞,并决定寻找隐藏在公

式背后的物理实质。

普朗克又回到他的谐振子模型,而且这次他把出发点从热力学转到统物理学。但是他回

避了能量均分定理。他把玻尔兹曼原理运用于线性谐振子热平衡时的能谱分布问题上,导

出了振子热平衡时的能谱分布公式。若想使新得到的这个公式能说明实验曲线,则这公式

必须与以前用内插法得到的公式具有同一形式。而要得到这样的统一,则要求新公式中所

包含的振子的能量值必须是一系列不连续的量。

而这是与古典物理学关于能量是连续的观点尖锐对立的。普朗克尊重实验事实,于是提出一

个大胆的、革命性的假设:每个带电线性谐振子发射和吸收能量是不连续的,这些能量值只

能是某个最小能量元e的整数倍,而每个能量元和振子的频率成正比。后来人们称e为“能量

子”,称h为“普朗克常数”。1900年12月24日,普朗克在德国物理学会的会议上以《论正

常光谱能量分布定律的理论》为题报告了自己的结果。量子论就这样随着20世纪开始,由伟

大的物理学家普朗克把它带到我们这个世界来。

虽然在围绕原子论的争论过程中,玻尔兹曼(1844~1966年)在反驳唯能论时说过“怎

么能说能量就不像原子那样分立存在呢”这样的话,马赫(1838~1916年)曾经表明化学

运动不连续性的观点,但真正把能量不连续的概念引入物理学的是普朗克。

因为能量不连续的概念与古典物理学格格不入,物理学界对它最初的反映是冷淡的。物理

学家们只承认普朗克公式是同实验一致的经验公式,不承认他的理论性的量子假说。普朗

克本人也惴惴不安,因为他的量子假说是迫不得已的“孤注一掷的举动”。他本想在最后

的结果中令h→0,但却发现根本办不到。他其后多年试图把量子假说纳入古典物理学框架

之内,取消能量的不连续性,但从未成功。只有爱因斯坦最早认识到普朗克能量子概念在

物理学中的革命意义。

爱因斯坦(1879~1955年)从普朗克的发现看到需要修改的不仅是某些定律,而是建立

新的理论基础。1905年,过着清贫生活的伯尔尼专利局三级技术员爱因斯坦,在一年之内

竟创造了可以和牛顿(1642~1727年)在“创造的假期”(1665~1666年)所取得的成就(流数

法、光谱分解、万有引力定律)相媲美的三项科学业绩:光量子论、布朗运动理论、狭义相

对论。他在《关于光的产生和转化的一个启发性的观点》这篇论文中提出了光量子假说,

把普朗克的能量子的概念从辐射发射和吸收过程推广到在空间传播的过程,认为辐射本身

就是由不连续的、不可分割的能量子组成的。他从热力学的观点出发,把黑体辐射和气体

类比,发现在一定的条件下,可以把辐射看作是由粒子组成的,他把这种辐射粒子叫做“

光量子”。

爱因斯坦和普朗克不同,当时就坚信自己的光量子论是“非常革命的”。的确,光量

子论并不是简单地复活光微粒说,而是揭示了光的波粒二象性。对统计平均现象光表现为

波动,对瞬时涨落现象光表现为粒子。光量子论第一次确认了光的波粒二象性这个最基本的

性质。

继光量子论之后,1906年爱因斯坦又把量子假说应用到固体弹性振动上去,成功地解

决了古典物理学理论在低温固体比热问题上所遇到的难题,这个结果标志着一个重要的进

展,因为它表明普朗克常数也出现在与辐射无关的现象中。量子论的下一步发展是由丹麦

物理学家玻尔做出的,他把旧量子论推到顶峰,同时他也在从旧量子论向新量子论的过渡在

起了重要的作用。

 玻尔的原子结构理论

同能量原子性(能量子)发现的同时,另一个重大发现是物质原子的可分性。1895年,德国

物理学家伦琴发现X射线。1896年,法国物理学家贝克勒尔发现放射性。1897年,英国物理

学家汤姆生发现电子。这三大发现在物理学家当中引起了强烈的震动。道尔顿的化学原子论

确立之后,尽管关于原子的实在性还有激烈的争论,但对大多数科学家来说还相信它存在,

并把它视为组成一切物质的不可再分的基元。这些新发现向人们表明原子并不是简单的,可

能有复杂的结构。

德国的哈斯在1910年的一篇论文中,把能量子概念和汤姆生的原子模型结合起来。汤姆生

的学生、曼彻斯特大学物理教授卢瑟福,领导在他的实验室工作的德国物理学家盖革(1882

~1945年)和新西兰物理学家马斯登(1880~1970年),发现金原子使

α射线产生大于90°的散射角,与汤姆生的小角散射理论不同。他们在1909年进行的大角

散射实验结果却表明,有一个很小的带正电的核心,周围好像空荡荡的,直接否定了汤姆生

的原子结构模型。

于是卢瑟福开始根据他的实验资料探索新的原子结构模型,于1911年提出了一个多少有点

类似于佩兰和长冈的电子绕核回转的模型。卢瑟福的有核模型在电稳定性和线光谱的说明

上遇到了困难。按照古典电动力学,电子绕核回转会发射连续的电磁波,因而损失能量并且

很快就陷落到原子核上,那么,如何解决卢瑟福的原子模型有实验根据,但却与古典理论不

符这个尖锐矛盾呢?这是当时原子物理学家面临的难题。

玻尔(1885~1962年)勇敢地选择了卢瑟福的模型。玻尔出生在哥本哈根的一个教授家

庭,1911年获哥本哈根大学博士学位。1912年3~7月他曾在卢瑟福的实验室进修,就在这进

修期间孕育了他的原子理论。玻尔首先把普朗克的量子假说推广到原子内部的能量,来解

决卢瑟福原子模型在稳定性方面的困难,假定原子只能通过分立的能量子来改变它的能量

,也就是说原子只能处在分立的定态之中,而且最低的定态就是原子的正常态。接着他在

友人汉森的启发下从光谱线的组合定律达到定态跃迁的概念。

同类推荐
  • 一千零一夜

    一千零一夜

    《一千零一夜》又名《天方夜谭》,是古代阿拉伯文化盛开的一朵文学奇葩,它汇集了古代中东、中亚和其他地区多个民族的神话传说、寓言故事,在世界各国的神话故事中,散发着自己独特的艺术魅力,深深地吸引着世界各国读者……《一千零一夜》以自己那曲折离奇的故事情节和痛快淋漓的文学语言以及优美、动人、独特的阿拉伯和伊斯兰色彩,保持着自己持久的艺术生命力,它的成书不是一个人、两个人写成的,而是历代阿拉伯民间说书艺人以及广大人民群众反复加工、转达、创作的结果。故事最早起源于一部波斯故事集
  • 青少年地理常识必读(青少年必读常识)

    青少年地理常识必读(青少年必读常识)

    每一朵花,都是一个春天,盛开馥郁芬芳;每一粒沙,都是一个世界,搭建小小天堂;每一颗心,都是一盏灯光,把地球村点亮!借助图书为你的生活添一丝色彩。这是一套包罗生活万象的、有趣的书,向读者介绍了不可不知的中的常识。包括文学常识、地理常识、历史常识、安全常识、文化常识、动物常识、植物常识、科技常识、天文常识、生活常识等。这些都是一些生活常识性的问题,说大不大,说小不小,因为零散,平时想了解又难以查找,我们将这些你们可能感兴趣的、富有趣味的日常生活中日积月累的宝贵经验搜集并编辑成册,以便您在遇到问题时随时查询,轻松解决生活中的问题。
  • 动物世界1

    动物世界1

    大千世界,精彩纷呈。面对五彩缤纷的动物世界,孩子们睁大了惊奇的双眼。鸟儿为什么会飞?大象的鼻子为什么那么厉害?鱼怎么会放电?数亿年前,动植物的出现叩响了沉默。也许,它们有的只是一个细胞,渺小得似乎可以忽视,但它们却宣告了一个不平凡的开始——地球上从此有了生命。经过几亿年的进化繁衍,地球上变得日益充盈。从浩瀚的海洋到广阔的天空,从葱翠的平原到荒芜的沙漠,从赤日炎炎的非洲内陆到冰雪覆盖的南极大陆……到处都有动物的踪迹。它们或披着鳞带着甲,或裹着厚厚的皮毛,共同演绎着这个世界的五光十色和盎然生机。
  • 生活中的科学(人生解密)

    生活中的科学(人生解密)

    本书通过发生在少年儿童身边的生活小故事,巧妙地引出一个个科学现象或原理,生动解答少年儿童心目中的种种疑问。读者朋友不仅可学习知识,还能掌握藏于其背后的科学常识,这对于培养青少年的探索钻研精神无疑会有莫大的帮助。
  • 你是我的宝贝

    你是我的宝贝

    奶奶的努力没有白费,父亲在野外考察中不幸遇难,贝贝长成了一个心地淳朴,有轻度智力障碍而且终生无法治愈。贝贝与奶奶生活在一起。贝贝两岁时,乖顺善良,母亲难以承受这种生活的打击离家出走,热爱大自然的孩子。慈爱宽容的奶奶以顽强的毅力训练贝贝,书中贝贝是个唐氏综合征患儿,力图使贝贝成为一个自爱自立有尊严的人
热门推荐
  • 挽红楼之侠王宠玉

    挽红楼之侠王宠玉

    阆苑仙葩世外仙株寂寞林。义薄云天潇洒儒雅侠中王。胤祥——玉儿,这一生,胤祥绝不负你。铁骨铮铮的誓言犹在。然而,兄弟义,儿女情,又该如何的取舍,那时,黛玉安在?四哥。胤祥敬你如父,爱你如兄。玉儿只有一个,她是胤祥的命,胤祥甘愿为四哥负尽天下人,只这一生若没了玉儿,胤祥唯愿一死。所以,我与玉儿这一生,宁死不分。胤禛——玉儿,穷其一生,胤禛得不到的,便只有一个下场。十三弟,别怪我。你我是兄弟,可是玉儿……我绝不会放弃。黛玉——一生一世两相知,一生一代两双人。胤祥,曾经的夜下当歌,琴萧两合,竟只是一场镜花水月梦么?四哥。胤祥视你如兄,黛玉也敬你为兄,只是,仅此而已!**************两心相知,金童玉女,本是天作之合的美眷属,却不妨半路加入一个如父如兄的四哥胤禛。到最后,是胤祥与黛玉一路波风斩浪破蒺开路还是鸳鸯两散各东西?至于胤禛…你的坚持,又会走到哪里?不一样的故事,不一样的红楼——胤祥、黛玉、胤禛三人之间的爱恨纠葛,祥玉能否成就百年之好?敬请期待红楼新文——挽红楼之侠王宠玉。
  • 血月

    血月

    2012年仙剑小说大赛月度PK冠军作品。“人活着,不能像沙子一样任风摆布!”一个被流放的王子从一无所有开始了惊险、奇幻的争霸旅程。在卑鄙无耻的凶险中,他排除万难,几经生死,一步步走向“传说”的神坛。奇异的神兽,婀娜的美女,诡异的经历,恢弘的战场……从人到魔,从魔到神……
  • 瓜分世界(第二次世界大战史丛书)

    瓜分世界(第二次世界大战史丛书)

    第二次界大战的胜利具有伟大的历史意义。我们历史地辨证地看待这段人类惨痛历史,可以说,第二次世界大战的爆发给人类造成了巨大灾难,使人类文明惨遭浩劫,但同时,第二次世界大战的胜利,也开创了人类历史的新纪元,极大地推动了人类社会向前发展,给战后世界带来了广泛而深刻的影响。促进了世界进入力量制衡的相对和平时期;促进了殖民地国家的民族解放;促进了许多社会主义国家的诞生;促进了资本主义国家的经济、政治和社会改革;促进了人类认识的真理革命;促进了世界人民对和平的认识。
  • 冷情王爷嚣张妃

    冷情王爷嚣张妃

    【原创作者社团『未央』出品】那一场相遇,注定成为一个劫,逃不开宿命轮回,避不过生死纠缠,我舞尽妖娆,倾尽芳华,终,还是要与你擦肩......
  • 相府庶女:王妃不好惹

    相府庶女:王妃不好惹

    二十一世纪盛世财团的当家人,含恨而死,穿越成异世相府二小姐。初醒来惊才艳艳,护幼弟,打恶奴,斗嫡姐嫡母,震慑父亲。她嚣张,狂妄,却引来各色优异男子争相追捧。天启国太子,谪仙般的人物,独对她伸出温暖的手。“清灵嫁我可好。”天启国的杀神王爷,他将她禁锢在怀中,咬着她的耳朵说:“莫清灵,我们才是一个世界的人,我们都属于黑暗。”有的人,你认为他才能与你比肩,却发现,一切只是阴谋。他一身黑色蟒袍,高位之上背对于她,冷声下令。“将这妖妃拿下,押入死牢。”这世间,什么是真?什么是假?纵使活过了一世,再次重来,她依旧无法参透。到头来,终究是她错了么?
  • 嫡女棣王妃

    嫡女棣王妃

    “姨娘,夫人似乎断气了~”“哼!这么一碗药都下去了,难道她还能活着不成?”“那这······”一个年纪稍长的人朝着这位称作姨娘的人示意了一下自己手中的婴儿,似乎有些犹豫,“这好歹是个男孩,现在夫人已经死了,如果姨娘把他占为己有,然后得了这府中的中馈······”“嬷嬷?!”女子也不等她的话说完,就打断了她,“你记住了,我恨死了这个女人,她的儿子,只能随着她去,我就是以后自己生不出儿子,抱养别人的,也不会要她的。把他给我扔马桶里面溺了,对外就说一出生就死了!”猩红的嘴唇,吐出来的话却是格外的渗人。嬷嬷还想说什么,动了动嘴,却是一句话也没有说,转身朝着后面放着马桶的地方走去。却是没有发现旁边地上一个穿着有些破旧的衣服的小女孩此刻正瞪大了眼睛看着她们两。这是什么情况?自己不是被炸死了吗?怎么会······于此同时,脑中不断有记忆闪现出来,她们是自己的母亲和刚出生的弟弟啊?!不行,先救人。转头看见旁边谁绣花留下的针线跟剪刀,想到自己前世的身手,拿起一根绣花针就朝着那个嬷嬷飞了过去,却在半路上掉落下来,暗骂一声,这人是什么破身体。却引得那两个人听见动静看了过来。女人阴狠的盯着她,“你居然没有死?”微微眯起眼睛,自己的前身也是被她们弄死的了,看样子她们谁也不会放过,抓起旁边的剪刀就冲了过去。随着几声惨叫声,从此以后,府中府外都传遍了她的“美名”——凤家大小姐心肠歹毒,刺伤了府中无数的人,宛如一个疯子。
  • 左手民国课文 右手民国作文

    左手民国课文 右手民国作文

    《左手民国课文 右手民国作文(小学卷)(经典珍藏版)》从民国从《开明国语课本》《商务国语课本》《世界书局国语读本》等多个版本的老课本中,甄选出99篇极具童趣、童真,意境优美、文字活泼的老课文,同时在每篇老课文后面配一篇民国模范作文,二者编排相得益彰,全书图文并茂,读来颇为有趣。
  • 冷凰天下

    冷凰天下

    强力推荐自己的新文:《逃妃八夫》手刃杀父仇人的同时,杀手冷霜失去生命,重生在一个不存在于历史的世界,成为冥夜国冷王府的小郡主——冷霜。重生,是福还是祸,是巧合还是命中注定?她手持软剑,笑傲江湖,人人看中的武林盟主之位,她却弃之如敝屣;她剑锋一指,犹如大将般驰骋沙场,遇佛杀佛,遇神诛神,运筹帷幄之间,称霸大陆。魅影,她前世的恋人,今世天下第一杀手:霜,我永远是你的,生生世世生死相随,没有你,我绝不独活。冷霜:傻瓜!既然如此,你我便生死与共。如若我不死,便不准你死。冷谦,冷王府小王爷,她今世的哥哥:霜儿,不要叫我哥哥,我不要做你的哥哥,叫我谦。冷霜:谦,如你所愿。但是从今往后,只有我能这样叫你。逸尘,天机老人的得意弟子,她今世的师父:霜儿,我不再逃避了,从今往后你去哪我便去哪。冷霜:甚好,那以后我往东,你便不能往西。记住了吗?还有他,他,他……最终她又会选择谁陪她笑睨天下呢?本文杀手穿越,女主绝非善类,腹黑,狠辣,血腥,美男多多,结局np,更多的精彩尽在《冷凰天下》。【文中美男】魅影:冷酷帅哥,外冷内热——第一杀手(由亲亲粉色沙滩领养!!)逸尘:谪仙美男,清冷绝尘——女主师父(由亲亲清宁88领养!!)冷谦:温文尔雅,风度翩翩——小王爷(由亲亲13430369750领养!!)裴扬:邪魅妖精,红衣紫眸——邪教教主(由亲亲夜雨清痕领养!!)端木文绯:娇俏可爱,狡黠活泼——异国皇子(由亲亲kiranono领养!!)端木文熙:单纯善良,医术高明——异国皇子(由亲亲轩辕琉璃领养!!)轩辕旭:英俊帅哥,睿智儒雅——太子(由亲亲x蝶舞飞扬领养!!)易水寒:冷酷侍卫,忠心耿耿——贴身侍卫(由亲亲珈蓝领养!!)轩辕瑾:俊俏美男,心思单纯——十一皇子(由亲亲livialin领养!!)轩辕烨:暴躁美男,心胸狭窄——闵王爷(由亲亲mashanhu20领养!!)赫连傲天:霸道强势,野心勃勃——异国皇帝(由亲亲greenshine123领养!!)【ps】文中小狐狸雪由亲亲冥公子领养!!!喜欢的亲们,请收藏+推荐+留言,影子会保持日更,偶尔会爆发,绝不弃坑,亲们放心跳坑吧!!!****亲帮偶建的读者群【如影相随】,群号为123592318,敲门砖是偶的笔名,欢迎亲们加入
  • 东宫有本难念的经

    东宫有本难念的经

    宝庆十九年春,大佑国皇太子大婚,大将军之女入主东宫。一个不是淑女的将门千金遭遇一个不是文韬武略的中庸太子,到底是佳偶天成,还是冤家路窄?成婚一年不足,太子忽然休妻。迷影重重,生死茫茫,这样一来,还是不是大团圆结局?
  • 诚实守信的故事(崇尚品德的故事)

    诚实守信的故事(崇尚品德的故事)

    美德是“1”,任何名誉、财富等都是“0”,只有写好了前面的“1”,后面才可以有无数个“0”,否则一切都只是“0”。植根于爱的土壤,吸取古今中外伟大先贤的美德智慧,致力于帮助父母、老师和儿童,为中国培育有品格的下一代而努力。