量子力学的产生与启示

量子力学的产生与启示

摘要：本文对量子力学的产生做了论述，并通过对量子力学产生的整个过程做了分析与归纳，不仅得出了量子力学产生的四点重大意义，而且认识到辩证思想和创新意识是量子力学产生的必要条件,并结合这些结论探讨了如何培养学生的创新意识和作为科学人员应具备哪些科学素养，对人类以后的科学研究具有指导意义。

关键词:能量子假设;科学素质;创新意识;综合能力

The emergence of quantum mechanics and Enlightenment Abstract: In this paper, so the emergence of quantum mechanics is discussed, and by quantum mechanics have done the whole process of analysis and summary, not only have come to the quantum mechanics of the four points of great significance, and recognizing that dialectical thinking and innovation have a sense of quantum mechanics a necessary condition, combined with these conclusions on how to foster innovation and awareness of students and staff as a science which should have the scientific knowledge, scientific research on human future guidance.

Key words:energy sub-hypothesis; scientific quality; innovation awareness; comprehensive ability

目录

1前沿 (3)

2量子力学的建立 (3)

3量子力学产生的意义 (5)

4量子力学的诞生过程对学生的启迪 (7)

5小结 (8)

[参考文献] (8)

谢词 (9)

1前沿

创新是一个民族进步的灵魂,培养学生的创新能力是当前高等教育的一个重要方面,也是素质教育的要求之一。20世纪初,量子力学创立之时,各种新思想、新观点层出不穷,它从根本上动摇了经典物理学的基础,形成新的物理图像,由此发展起来的量子力学理论体系有力地推动了20世纪科技的发展,为现代高新技术(如纳米技术)提供了重要的理论基础。在课堂上向学生介绍这个激动人心的过程,对于激发学生的学习兴趣,激发学生的创新意识,培养学生创造性思维有重要意义。

2量子力学的建立

1、山雨欲来风满楼———经典物理的辉煌成就与困难

从17世纪伽利略应用科学推理方法开始,到19世纪末,经典物理学取得了伟大的成就。牛顿力学、热学、光学、电磁学等理论体系已建立起来了,电磁波预言的实现、海王星的存在,更是把经典物理的成功推向了辉煌的顶点。当时最著名的物理学家开尔文在迎接20世纪的物理年会上致辞时指出:物理世界的理论大厦已经建立起来了,……但是在物理世界的东方有两朵乌云,一是关于电磁波的绝对参考系没有找到,二是黑体辐射的实验规律用经典理论无法解释。到19世纪末,关于黑体辐射已经进行了仔细的实验测量,得出小孔的谱辐出度随波长变化规律曲线,特征是一条长波和短波方向都降落到零的曲线,其极大值对应的峰值波长m λ与腔壁温度T 乘积为常数,且小孔的辐出度正比于4T 。

1896年,维恩由经典热力学理论得出黑体辐射谱辐出度公式：

()521,exp B c M T c T λλλ-⎛⎫=- ⎪⎝⎭

（1） 该公式在λ较小的短波部分与实验结果符合得很好,但在λ较大的长波部分与实验逐渐偏离。1899年瑞利和金斯由经典电磁理论与能量均分定理,得出黑体谱辐出度公式:

()4,2B M T c T λπλ-= （2）

该公式在长波部分与实验结果符合得很好,但在λ→0的短波部分(),B M T λ→∞,这显然与实际情况不一致,这就是所谓的“紫外灾难”,当时经典物理理论陷入了危机,处于“山雨欲来风满楼”的境界。

2、柳暗花明———普朗克黑体辐射公式

普朗克一直密切注视黑体辐射理论研究的进展,仔细研究了波恩与瑞利公式,他用内插法在这两个公式之间“凑”出了一个经验公式:

()251

,2exp 1B M T hc hc kT λπλλ-=⎛⎫- ⎪⎝⎭ （3）

当λ→0时,上式趋近于(1)式,在λ→∞时,上式趋近于(2)式,普朗克于1900年10月19日将它发表于柏林物理学会的一次集会上。当晚,鲁本斯将(3)式与实验数据进行比较,发现它们在任何情况下都令人满意地相符。

普朗克接下来的工作是如何从理论上推导出(3)式,搜索(3)式真正的物理意义。在经历了他一生中最紧张的几个星期的工作之后,云开雾散,柳暗花明。1900年12月14日,普朗克再次在物理学会会议上宣读了一篇题为“关于光谱能量分布规律的理论”的论文。在该文中,普朗克提出:如果假设辐射体中频率为ν的谐振子所具有的能量以及与外界交换的能量只能为某一能量h ν的整数倍,再运用经典统计理论,就可以导出(3)式,他把h ν称为能量子。这与经典物理理论格格不入,经典理论认为:谐振子可具有一切可能的连续能量,而这里谐振子的能量是分离的。

普朗克的能量量子化假设,不仅为解释黑体辐射的实验规律提出了理论依据,更重要的是打破了经典理论对人们头脑的束缚。从此以后,各种新思想、新观点层出不穷。最终导致量子力学这门学科的诞生。因此, 1900年12月14日公认是量子力学的诞生之日。

3、普朗克的困惑

普朗克的能量量子假设与经典物理学能量连续分布的理论完全背离,这使得他心存不安。经典理论给人们的思想打下的烙印太深了,即使对普朗克这么伟大的物理学家也不例外。他的假设成功以后,他为不能为该假设找到一个符合经典