量子理论

量子理论

19世纪末20世纪初，物理学处于新旧交替的时期。生产的发展和技术的提高，导致了物理实验上一系列重大发现，使当时的经典物理理论大厦越发牢固，欣欣向荣，而唯一不协调的只是物理学天空上小小的"两朵乌云"。但是正是这两朵乌云却揭开了物理学革命的序幕：一朵乌云下降生了量子论，紧接着从另一朵乌云下降生了相对论。量子论和相对论的诞生，使整个物理学面貌为之一新。

中文名量子论外文名Quantum theory别称量子力学提出者普朗克提出时间1900年应用学科物理学适用领域范围黑体辐射数学基础微分几何、线性代数目录1简介2量子理论的发展与建立

▪历史的孕育

▪旧量子论的建立1简介编辑量子论是现代物理学的两大基石之一。量子论给我们提供了新的关于自然界的表述

方法和思考方法。量子论揭示了微观物质世界的基本规律，为原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学奠定了理论基础。它能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收与辐射等。

2量子理论的发展与建立编辑该文回顾了从量子理论提出到量子力学建立的一段历史,详细叙述了在量子理论发展过程中每一种新的思想提出的曲折经过.

19世纪末20世纪初,物理学处于新旧交替的时期.生产的发展和技术的提高,导致了物理实验上一系列重大发现,使当时的经典物理理论大厦越发牢固，欣欣向荣，而唯一不协调的只是物理学天空上小小的"两朵乌云"。但是正是这两朵乌云却揭开了物理学革命的序幕:一朵乌云下降生了量子论,紧接着从另一朵乌云下降生了相对论.量子论和相对论的诞生,使整个物理学面貌为之一新.

马克思有句名言:"历史上有惊人的相似之处."正处于新的世纪之交的20世纪的物理学硕果累累,但也遇到两大困惑----夸克禁闭和对称性破缺.这预示着物理学正面临新的挑战.重温百年前量子论建立与发展的那段历史,也许会使我们受到新的启迪.

历史的孕育

在19世纪末,经典物理学理论已经发展到相当完备的阶段.几个主要部门----力学,热力学和分子运动论,电磁学以及光学,都已经建立了完整的理论体系,在应用上也取得了巨大成果.其主要标志是:物体的机械运动在其速度远小于光速的情况下,严格遵守牛顿力学的规律;电磁现象总结为麦克斯韦方程组;光现象有光的波动理论,最后也归结为麦克斯韦方程组;热现象有热力学和统计物理的理论.在当时看来,物理学的发展似乎已

达到了颠峰.于是,多数物理学家认为物理学的重要定律均已找到,伟大的发现不会再有了,理论已相当完善了.以后的工作无非是在提高实验精度和理论细节上作些补充和修正,使常数测得更精确而已.英国著名物理学家开尔文在一篇瞻望20世纪物理学的文章中,就曾谈到:"在已经基本建成的科学大厦中,后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了."然而,正当物理学界沉浸在满足的欢乐之中的时候,从实验上陆续出现了一系列重大发现.如固体比热,黑体辐射,光电效应,原子结构cdots cdots这些新现象都涉及物质内部的微观过程,用已经建立起来的经典理论进行解释显得无能为力.特别是关于黑体辐射的实验规律,运用经典理论得出的瑞利-金斯公式,虽然在低频部分与实验结果符合得比较好,但是,随着频率的增

加,辐射能量单调地增加,在高频部分趋于无限大,即在紫色一端发散,这一情况被埃伦菲斯特称为"紫外灾难";对迈克尔逊-莫雷实验所得出的"零结果"更是令人费解,实验结果表明,根本不存在"以太漂移".这引起了物理学家的震惊,反映出经典物理学面临着严峻的挑战.这两件事被当时物理学界的权威称为"在物理学晴朗的天空的远处还有两朵小小的,令人不安的乌云".然而就是这两朵小小的乌云,给物理学带来了一场深刻的革命.

下表列出了世纪之交，物理学上有重大意义的实验发现：

eginmbox{年代}& mbox{人物}& mbox{贡献}1895 & mbox{伦琴} & mbox{发现X射线}1896 &mbox{贝克勒尔}& mbox{发现放射性}1896 &mbox{塞曼} & mbox{发现磁场使光谱线分裂}1897 &mbox{J.J汤姆生} &mbox{发现电子}1898 &mbox{卢瑟福} & mbox{发现}alpha.

eta mbox{射线}----1898 &mbox{居里夫妇} &mbox{发现放射性元素钋和镭}1899--1900 &mbox{卢梅尔和鲁本斯等人} &mbox{发现热辐射能量分布曲线偏离维恩分布率}--1900 &mbox{维拉德}

&mbox{发现了}gammambox{射线}1901 &mbox{考夫曼} &mbox{发现电子的质量随速度增加}1902 &mbox{勒那德} &mbox{发现光电效应基本规律}1902 &mbox{里查森} &mbox{发现热电子发射规律}1903 &mbox{卢瑟福} &mbox{发现放射性元素的蜕变规律}end

这些新的物理现象,打破了沉闷的空气,把人们的注意力引向更深入,更广阔的天地;这一系列新发现,跟经典物理学的理论体系产生了尖锐的矛盾,暴露了经典物理理论中的隐患,指出了经典物理学的局限.物理学只有从观念上,从基本假设上以及从理论体系上来一番彻底的变革,才能适应新的形势.

由于这些新发现,物理学面临大发展的局面:

1.电子的发现,打破了原子不可分的传统观念,开辟了原子研究的崭新领域;

2.放射性的发现,导致了放射学的研究,为原子核物理学作好必要的准备;

3.以太漂移的探索,使以太理论处于重重矛盾之中.为从根本上抛开以太存在的假设,创立狭义相对论提供了重要依据;

4.黑体辐射的研究导致了普朗克黑体辐射定律的发现.由此提出了能量子假说,为量子理论的建立打响了第一炮.

总之,在世纪之交的年代里,物理学处于新旧交替的阶段.这个时期,是物理学发展史上不平凡的时期.经典理论的完整大厦,与晴朗天空的远方漂浮着两朵乌云,构成了19世纪末的画卷;20世纪初,新现象,新理论如雨后春笋般不断涌现,物理学界思想异常活跃,堪称物理学的黄金时代.这些新现象与经典理论之间的矛盾,迫使人们冲破原有理论的框架,摆脱经典理论的束缚,在微观理论方面探索新的规律,建立新的理论.

旧量子论的建立

20世纪初,新的实验事实不断发现,经典物理学在解释一些现象时出现了困难,其中表现最为明显和突出的是以下三个问题:

黑体辐射问题;

光电效应问题;

原子稳定性和原子光谱.