文档介绍：从量子论到量子力学
文研3班陈斌惠
什么是量子力学
量子力学是描述微观世界结构、运动与变化规律的物理科学。1925年,德国物理学家海森伯和玻尔,建立了量子理论第一个数学描述———矩阵力学。1926年,奥地利科学家提出了描述物质波连续时空演化的偏微分方程———薛定愕方程,给出了量子论的另一个数学描述——波动力学。后来,物理学家把二者将矩阵力学与波动力学统一起来,统称量子力学。
参考书目
《科学技术史》王玉仓著
中国人民大学出版社 1993年
《一代神话--哥本哈根学派》关洪著
武汉出版社 2002年
量子概念德提出与发展
一:普朗克提出能量子假设。
二:爱因斯坦提出光量子假说。
普朗克提出能量子假设。
量子论是由研究黑体辐射问题引起的。
维恩公式(1896年)在频率高,温度低时与试验事实相符。瑞利-金斯公式(1900 年)则正好相反。因为后者在高频紫外范围内与试验差距甚大。且随着频率的增加,能量密度也单调地增加,以至于趋向无穷,即在频率较高地紫外一端发散。这一结果是荒唐的。经典物理学无法解释这一现象,称之为“紫外灾难。
德国物理学家普朗克(1859-1974)长期从事热力学的研究工作。1894年他开始研究黑体辐射问题。1900年10月19 日普朗克在德国物理学会上宣读了《维恩辐射定律的改进》首次公布了他的新的辐射公式。这个新的公式是用内插法建立的,它在高频部分与维恩定律符合,在低频部分则与瑞利定律一致,从而解决了“紫外灾难”问题。
当时普朗克的公式只是根据试验数据凑出来的半经验定律,得不到合理的理论解释。普朗克决定寻找这个公式真正的物理意义。经过两个月的紧张工作,普朗克终于发现,必须放弃经典的能量均分原理,并提出一个革命的大胆的假设,才能对其作出合理的解释。
1900年12月14日普朗克向德国物理学会宣读了一篇题为《关于正常光谱的能量分布定律的理论》后人把这一天称为量子论的诞生日。
普朗克报告后,他的黑体辐射公式受到欢迎,但他的量子假说却遭到了冷遇。普朗克本人也想从经典物理学理论中寻找对新公式的解释。他还认为爱因斯坦的光量子假说是在思辩中迷失了方向。普朗克一再后退,1914年甚至认为振子的吸收和发射都是连续的。直到1915年他才认识到量子论的伟大意义。
普朗克提出的能量子概念是近代物理学中最重要的概念之一。他第一次把能量不连续的思想引入物理学,使经典物理学碰到的许多疑难问题都迎刃而解。在量子概念的引导下,微观物理学迅速发展为20世纪物理学的主流。
爱因斯坦提出光量子假说
爱因斯坦在1905年3月写的《关于光的产生和转化的一个推测性观点》中指出,光是由能量子组成的。他把这种能量子称为“光量子”。每个光子的动量为:
P=h/λ
其中,P是光子的动量, h是普朗克常数, λ是光波的波长。
验证光量子假说的三个经验事实
一:光电效应
1902年赫兹用各种频率的光照射钠汞合金时发现,只有频率高于一定下限的光才能放逐出电子,电子的速率只与光的频率有关,而与光的强度无关。对于这种现象,麦克思韦理论根本无法解释。爱因斯坦却用光量子理论轻而易举地给予了完美的说明。并给出了爱因斯坦光电效应方程式。
½ mv²=hv-w
爱因斯坦认为对于统计现象光表现为波动,对于瞬时的涨落现象光表现为粒子。人类在认识自然的历史上第一次揭示了微观客体波动性和粒子性的对立统一。
第二:比热问题
爱因斯坦把能量不连续的思想运用于固体中原子的振动问题上,成功地论证了当温度趋近于绝对零度时,所有固体的比热都应当趋近于零。德国物理学家能斯特(1886-1941)以非常精密的试验测量,证实了爱因斯坦论断的正确性。
第三康普顿效应
1923年康普顿研究X射线在金属中的散射问题时发现在散射光中除了与入射光波长相同的光线外,还有波长大于入射光的射线。并且出射方向也有所偏离。康普顿认为这是由于X射线的光子与电子碰撞产生的。并用光量子理论计算了散射波长与散射角之间的关系,记算结果与试验值完全一致。康普顿效应被物理学家公认为光量子存在的确凿证据。