浅谈量子力学的发展

物理学史论文论文题目浅谈量子力学的发展

引言

量子力学诞生至今一百年。经过一百年的发展，它由原子层次的动力学理论，已经向物理学和其他学科以及高新技术延伸。建立在量子概念的量子力学及其物理诠释，促使人类的思想观念产生根本性转变；虽然这新概念很抽象，但就目前文明的空前繁荣而言，量子力学所产生的影响是相当广泛的。而看看量子力学的前沿性进展新貌，则会感到心驰神往。

量子力学的发展

19世纪末20世纪初，人们认为经典物理发展很完美的时候，一系列经典理论无法解释的现象一个接一个的发现了。经典力学时期物理学所探讨的主要是用比较直接的实验研究就可以接触到的物理现象的定理和理论。牛顿定理和麦克斯韦电磁理论在宏观和慢速的世界中是很好的自然规律。而对于微观世界的物理现象，经典物理学就显得无能为力，很多现象没发解释。这些困难被看做是“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。下面简述这几个困难：

⑴黑体辐射

完全黑体在与热辐射达到平衡时，辐射能量密度随频率变化会有一个曲线。韦恩从热力学普遍理论考虑以及分析实验数据的得出一个半经验公式。但是韦恩公式并不是与所有实验数据吻合的很好。在长波波段，韦恩公式与实验有严重偏离。瑞利和金斯根据经典电动力学和统计物理学也得出黑体辐射能量分布公式。他们得出的公式在长波部分与实验结果比较符合，而在短波部分则完全不符。这促使普朗克在韦恩公式和瑞利-金斯的公式之间寻求协调统一，结果得出一个两参数的普朗克公式，此公式不仅与实验符合的最好，而且形式最简单（韦恩公式除外）。

普朗克提出这个公式后，许多实验物理学家立即用它去分析了当时最精确的实验数据，发现符合的非常好。他们认为，这样简单的一个公式与实验如此符合，绝非偶然，在这公式中一定蕴藏着一个非常重要但尚为被人们揭示出的科学原理。

⑵光电效应

直到电子发现后，人们才认识到光电效应是由于紫外线照射，大量电子从金属表面逸出的现象。经过实验研究，发现光电效应呈现下列几个特点：

① 对于任何一种金属都有一个确定的临界频率。照射光频率必须大于临界频率时，才能观测到光电子从电极上逸出。

② 光电子的能量与照射光的频率有关，而与光强度无关。光强度只影响到光电流的强度即单位时间从金属电极单位面积上逸出的电子的数目。

③ 当入射光频率大于临界频率时，不管光多微弱，只要光一照上，几乎立刻观测到光电子。

这些都与经典电磁理论是不相符的，经典的电磁理论是无法解释这些特点的。

⑶ 原子的线状光谱及其规律

人们拥有很多关于光谱的资料，对这些资料进行整理与分析后，发现光谱线波长有一定的规律且原子光谱是呈分离的线状光谱而不是连续分布。这样人们自然会提出疑问：原子的线状光谱产生的机制是什么？这些谱线的波长为什么有这样简单的规律？

⑷ 原子的稳定性

卢瑟福的原子模型成功的解释∂粒子的大角度偏转，但它也是不完美的，还存在着一些问题：

关于原子的稳定性问题。由经典电动力学，电子绕核做的是加速运动，电子的能量会越来越少从而电子减速，轨道半径会不断缩小，最后就会掉到原子核上去，并相应发射出一个很宽的连续辐射谱，这与观测到的原子的线状光谱矛盾。此外，卢瑟福模型原子对于外界粒子的碰撞也是很不稳定的。但现实世界表明，众多原子稳定地存在于自然界。

⑸ 固体与分子的比热问题

在温度很低的时候能量均分定理不使用。

量子理论就是在解决这些生产实践和科学实验同经典物理学的矛盾中逐步建立起来的。

早期量子论

普朗克的量子假说

1900年，普朗克推导出一个关于黑体辐射的公式：33811

hv kT hv c e πμ=- 。这个公式称为普朗克公式。此后他致力于找出这个公式的真正的物理意义，他根据玻尔兹曼的思想，作了如下假设：黑体是由带电谐振子组成，这些谐振子的能量不能连续变化，只能取一些分立值。谐振子的最小能量为h εν=，这个最小能量称为能量子，h 称为普朗克常数。谐振子的能量是能量子的整数倍。能量子概念的提出，实在是很震撼人心，它打破了经典物

理连续、平滑的概念。人们是很难接受的，连普朗克本人都感到困惑，它会带来革命性的变革。

爱因斯坦的光量子理论

普朗克早期量子论文章的知音很少，其中之一就是在伯尔尼专利局工作的一个年轻的专利审查员阿尔伯特·爱因斯坦。爱因斯坦觉得，能量元素的假设是生动，实在的，也令人惊骇，“似乎脚下的地板被拖走了，悬在那里，望哪里都看不见任何能建立它的基础。”此后，爱因斯坦一生都致力于寻找“坚实的基础”。没等从概念上找到令人满意的基础，爱因斯坦便着手继普朗克工作之后，发现再次使量子理论跨出伟大一步的原理了。

爱因斯坦用同普朗克1900年文章类似的风格，简短，聪明，多方面地讨论，发展了光子的概念。熵概念和热力学基本方程再次打开了通向量子王国之门，辐射场熵方程使得场就像是一个包含大量但是有限数目个独立粒子的理想气体，每个辐射量子——按现在的说法就是光子携带着总量由普朗克能量元素hν给出的能量，其中v现在表示辐射频率，

=。从这一方程，爱因斯坦得出结论，辐射场就如果有N个光子，那么总能量就是E Nhν

像理想气体一样，包含N个独立粒子——光子，每个单独光子的能量为hν。毫无疑问，爱因斯坦确信这一思辨，但不知道世界上是不是还有人赞成他。这是1905年，普朗克的量子假说仍然还没什么人注意，爱因斯坦却将它用到了光和其他辐射场，跨出了普朗克自己十年之久都不愿意迈出的一步。

爱因斯坦引用的最重要的实验证据就是“光电效应”，即明亮的紫外光照到真空中制备的纯净金属表面会产生电流。爱因斯坦认为，只要认为实验中的照明光就是粒子型光子的集合，光电效应的这种奇特性质就可以理解如下：他假设了光子向金属中电子转移能量的一个简单机制：“根据入射光由大小hν组成的观点，可以设想光用以下方式发射电子，由于光子穿透金属体的表面层，他们的能量也转换，至少部分地转换成电子的动能。最简单的方式是设想这是一个光子将全部能量释放给一个电子的过程，我们也就假设这就是真实发生的事件。爱因斯坦就是这样利用普朗克的量子假说提出光量子概念从而解决了光电效应问题。

玻尔的原子量子论

1911年，英国物理学家卢瑟福提出了一个崭新的原子结构模型：原子内部的大部分空间都是空虚的，它的中心有一个体积小，质量很大，带正电荷的核，带负电的电子则以某种方式运动于核外的空间中。这个原子模型看起来更像一个微型的太阳系，原子核是太阳，