量子论的诞生

太空中的一朵乌云

——量子论的诞生

1900 年12 月14 日, 德国物理学家普朗克向柏林物理学会提出了能量子假说, 冲击了经典物理学的基本概念

, 使人类对微观领域的奇特本质有了进一步的认识, 对现代物理学的发展产生了重大的革命性的影响. 110过去了, 人类即将进入更加辉煌灿烂的21 世纪, 此时我

们回顾能量子的诞生过程, 来表达对普朗克这位伟大的、正直的、饱经忧患的卓越物理学家无限的崇敬和仰慕之情。

19 世纪末,人们用经典物理学解释黑体辐射实验的时候,出现了著名的所谓“紫外灾难”。 虽然瑞利、金斯和维恩分别提出了两个公式，企图弄清黑体辐射的规律，但是和实验相比，瑞利-金斯公式只在低频范围符合,而维恩公式只在高频范围符合。 普朗克从1896 年开始对热辐射

1911年诺贝尔物理学奖授予德国乌尔兹堡大学的维恩，以表彰他发现了热辐射定律（ ）

量子论冲破了经典理论的束缚

令人困惑的“紫外灾难”

进行了系统的研究。他经过几年艰苦努力，终于导出了一个和实验相符的公式。他于1900 年10 月下旬在《德国物理学会通报》上发表一篇只有三页纸的论文，题目是《论维恩光谱方程的完善》,第一次提出了黑体辐射公式。12 月14 日在德国物理学会的例会上，普朗克

作了《论正常光谱中的能量分布》的报告。在这个报告中, 他激动地阐述了自己最惊人的发现。他说，为了从理论上得出正确的辐射公式，必须假定物质辐射(或吸收) 的能量

不是连续地、而是一份一份地进行的，只能取某个最小数值的整数倍，这个最小数值就叫能量子,辐射频率是ν的能量的最小数值ε= h ν，这就是著名的能量子假说。其中h ,普朗克当时把它叫做基本作用量

子，现在叫做普朗克常量。普朗克常量是现代物理学中最重要的物理常数,它标志着物理学从“经典幼虫”变成“现代蝴蝶”。 12 月14 日这一天，后来被人们认为是量子论的“生日”。由于量子概念随后成了理解原子壳层和原子核一切性能的关键,这一天也被看作原子物理学的生日和自然科学新纪元的开端。 当然，提出能量子假说的普朗克也被人们尊称为“量子论

的奠基人”。1906 年普朗克在《热辐射讲义》一书中,系统地总结了他的工作。能量子假说的提出具有划时代意义，标志了物理学的新纪元，为现代物理学，特别是为量子论的发展奠

普朗克被人们尊称为“量子论的奠基人”

定了基础。

量子理论现已成为现代理论和实验的不可缺少的基本理论，普朗克由于创立了量子理论而获得了1918年诺贝尔物理学奖。

1910 年,普朗克提出了一个理论, 认为发射过程在时间上是不连续的, 但吸收则是连续的. 这是一次公开的倒退。1914 年,他又提出一个理论, 干脆撤消了能量子假说,认为发射过程也应假定是连续发生的,这又是一次大倒退。在普朗克犹豫徘徊甚至倒退的时候,量子论却有了很大的发展。1905 年,爱因斯坦提出光量子假说，成功地解释了光电效应；1906 年，他又将量子理论运用到固体比热问题，获得成功；1912 年，玻尔将量子理论引入到原子结构理论中，克服了经典理论解释原子稳定性的困难，建立了他的原子结构模型，取得了原子物理学划时代的进展；1922 年，美国物理学家康普顿采用单个光子和自由电子的简单碰撞理论，对这个效应做出了满意的理论解释。康普顿效应是近代

物理学的一大发现，它进一步证实了爱因斯坦的光子理论，揭示出光的二象性，从而导致了近代量子物理学的诞生和发展；另一方面康普顿效应也阐明了电磁辐射与物质相互作用的基本规律。因此，无论从理论或实验上，它都具有极其深远的意义。康普顿通过实验最终使物理学家们确认光量子图景的实在性,从而使量子理论得到科学界的普遍承认。

轶闻趣事——倒退的普朗克

康普顿获得1927年度诺贝尔物理学奖

（/）

普朗克的量子假说提出后的几年内，并未引起人们的兴趣，爱因斯坦却看到了它的重要性。他赞成能量子假说，并从中得到了重要启示：在现有的物理理论中，物体是由一个一个原子组成的，是不连续的，而光

（电磁波）却是连续的。在原子的不连续性和光波的连续性之间有深刻的矛盾。为了解释光电效应， 1905年爱因斯坦在普朗克能量子假

说的基础上提出了光量子假说。

爱因斯坦大胆假设：光和原

子电子一样也具有粒子性，光就是以光速C 运动着的粒子流，他把这种粒子叫光量子。同普朗克的能量子一样，每个光量子的能量也是E ＝hν，根据相对论的质能关系式，每个光子的动量为p ＝E/c ＝h/λ。

光量子假说成功地解释了光电效应。当紫外线这一类的波长较短的光线照射金属表面时，金属中便有电子逸出，这种现象被称为光电效应。它是由赫兹和勒纳德发现的。光电效应的实验

表明：微弱的紫光能从金属表面打出电子，而很强的红光却不能打出电子，就是说光电效应的产生只取决于光的频率而与光的强度无关。这个现象用光的波动说是解释不了的。因为光的波动说认为光是一种波，它的能量是连续的，和光波的振幅即强度有关，而和光的频率即颜色无关，如

光电效应示意图（http://physweb.bgu.ac ）

著名物理学家——爱因斯坦

光电效应与光量子假说

果微弱的紫光能从金属表面打出电子来，则很强的红光应更能打出电子来，而事实却与此相反。利用光量子假说可以圆满地解释光电效应。按照光量子假说，光是由光量子组成的，光的能量是不连续的，每个光量子的能量要达到一定数值才能克服电子的逸出功，从金属表面打出电子来。微弱的紫光虽然数目比较少，但是每个光量子的能量却足够大，所以能从金属表面打出电子来；很强的红光，光量子的数目虽然很多，但每

个光量子的能量不够大，不足以克服电子的逸出动，所以不能打出电子来。

爱因斯坦的狭义相对论成功地揭示了能量与质量之间的关系，解决了长期存在的恒星能源来源的难题。近年来发现越来越多的高能物理现象，狭义相对论已成为解释这种现象的一种最基本的理论工具。其广义相对论也解决了一个天文学上多年的不解之谜——水星近日点的近动。这是牛顿引力理论无法解释的，并推断出后来被验证了的光线弯曲现象，还成为后来许多天文概念的理论基础。

小知识——

爱因斯坦开创性的相对论手稿（ ）