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量子力学

量子力学学科发展的历史背景及其香港马会王中王论坛特彩网说明

2018-6-18 14:27| 发布者: 亿开教育| 查看: 261| 评论: 0

摘要: 亿开网讯 19世纪末20世纪初,经典物理已经发展到了相当完善的地步,但在实验方面又遇到了一些严重的困难,这些困难被看作是“晴朗天空的几朵乌云”,正是这几朵乌云引发了物理界的变革。下面简述几个困难:黑体辐射 ...

亿开网讯 19世纪末20世纪初,经典物理已经发展到了相当完善的地步,但在实验方面又遇到了一些严重的困难,这些困难被看作是“晴朗天空的几朵乌云”,正是这几朵乌云引发了物理界的变革。下面简述几个困难:


黑体辐射问题:19世纪末,许多物理学家对黑体辐射非常感兴趣。黑体是一个理想化了的物体,它可以吸收,所有照射到它上面的辐射,并将这些辐射转化为热辐射,这个热辐射的光谱特征仅与该黑体的温度有关。使用经典物理这个关系无法被解释。通过将物体中的原子看作微小的谐振子,马克斯·普朗克得以获得了一个黑体辐射的普朗克公式。但是在引导这个公式时,他不得不假设这些原子谐振子的能量,不是连续的(这与经典物理学的观点相违背),而是离散的,即:En=nhν


这里n是一个整数,h是一个自然常数。(后来证明正确的公式,应该以n+1/2来代替n。)。1900年,普朗克在描述他的辐射能量子化的时候非常地小心,他仅假设被吸收和放射的辐射能是量子化的。今天这个新的自然常数被称为普朗克常数来纪念普朗克的贡献。


光电效应实验:由于紫外线照射,大量电子从金属表面逸出。经研究发现,光电效应呈现以下几个特点:a. 有一个确定的临界频率,只有入射光的频率大于临界频率,才会有光电子逸出。b. 每个光电子的能量只与照射光的频率有关。c. 入射光频率大于临界频率时,只要光一照上,几乎立刻观测到光电子。以上3个特点,c是定量上的问题,而a、b在原则上无法用经典物理来解释。


原子光谱学:光谱分析积累了相当丰富的资料,不少科学家对它们进行了整理与分析,发现原子光谱是呈分立的线状光谱而不是连续分布。谱线的波长也有一个很简单的规律。卢瑟福模型发现后,按照经典电动力学,加速运动的带电粒子将不断辐射而丧失能量。故,围绕原子核运动的电子终会因大量丧失能量而’掉到’原子核中去。这样原子也就崩溃了。现实世界表明,原子是稳定的存在着。这里,能量均分定理即:在温度很低的时候能量均分定理不适用。


光量子理论:量子理论是首先在黑体辐射问题上突破的。普朗克为了从理论上推导他的公式,提出了量子的概念-h,不过在当时没有引起很多人的注意。爱因斯坦利用量子假设提出了光量子的概念,从而解决了光电效应的问题。爱因斯坦还进一步把能量不连续的概念用到了固体中原子的振动上去,成功的解决了固体比热在T→0K时趋于0的现象。光量子概念在康普顿散射实验中得到了直接的验证。


玻尔的量子论:玻尔把普朗克-爱因斯坦的概念创造性的用来解决原子结构和原子光谱的问题,提出了他的原子的量子论。主要包括两个方面:a. 原子能且只能稳定的存在分立的能量相对应的一系列的状态中。这些状态成为定态。b. 原子在两个定态之间跃迁时,吸收或发射的频率v是唯一的,由hv=En-Em 给出。玻尔的理论取得了很大的成功,首次打开了人们认识原子结构的大门,但是随着人们对原子认识进一步加深,它存在的问题和局限性也逐渐为人们发现。


德布罗意波:在普朗克与爱因斯坦的光量子理论及玻尔的原子量子论的启发下,考虑到光具有波粒二象性,德布罗意根据类比的原则,设想实物粒子也具有波粒二象性。他提出这个假设,一方面企图把实物粒子与光统一起来,另一方面是为了更自然的去理解能量的不连续性,以克服玻尔量子化条件带有人为性质的缺点。实物粒子波动性的直接证明,是在1927年的电子衍射实验中实现的。


量子物理学:量子力学本身是在1923-1927年一段时间中建立起来的。两个等价的理论---矩阵力学和波动力学几乎同时提出。矩阵力学的提出与玻尔的早期量子论有很密切的关系。海森堡一方面继承了早期量子论中合理的内核,如能量量子化、定态、跃迁等概念,同时又摒弃了一些没有实验根据的概念,如电子轨道的概念。海森堡、玻恩和约尔丹的矩阵力学,从物理上可观测量,赋予每一个物理量一个矩阵,它们的代数运算规则与经典物理量不同,遵守乘法不可易的代数。


波动力学来源于物质波的思想。薛定谔在物质波的启发下,找到一个量子体系物质波的运动方程-薛定谔方程,它是波动力学的核心。后来薛定谔还证明,矩阵力学与波动力学完全等价,它是同一种力学规律的两种不同形式的表述。事实上,量子理论还可以更为普遍的表述出来,这是狄拉克和约尔丹的工作。量子物理学的建立是许多物理学家共同努力的结晶,它标志着物理学研究工作第一次集体的胜利。


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