文档介绍：量子力学
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1927年第五次索尔维会议,此次会议主题为“电子和光子”,世界上最主要的物理学家聚集在一起讨论新近表述的量子理论。
量子力学是描写微观物质的一个物理学分支,与相对论一起被认为是现代物理学的两大基本支柱,许多物理学理论和科学,如原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学以及其它相关的学科,都是以量子力学为基础。
19世纪末,经典力学和经典电动力学在描述微观系统时的不足越来越明显。量子力学是在20世纪初由马克斯·普朗克、尼尔斯·玻尔、沃纳·海森堡、埃尔温·薛定谔、沃尔夫冈·泡利、路易·德布罗意、马克斯·玻恩、恩里科·费米、保罗·狄拉克、阿尔伯特·爱因斯坦等一大批物理学家共同创立的。通过量子力学的发展,人们对物质的结构以及其相互作用的见解被革命化地改变,同时,许多现象也得以真正地被解释。借助量子力学,以往经典理论无法直接预测的现象,可以被精确地计算出来,并能在之后的实验中得到验证。除通过广义相对论描写的引力外,迄今所有其它物理基本相互作用均可以在量子力学的框架内描写(量子场论)。
关键现象
黑体辐射
普朗克定律(绿)、维恩定律(蓝)和瑞利-金斯定律(红)在频域下的比较,可见维恩定律在高频区域和普朗克定律相符,瑞利-金斯定律在低频区域和普朗克定律相符。
主条目:黑体辐射
理想黑体可以吸收所有照射到它表面的电磁辐射,并将这些辐射转化为热辐射,其光谱特征仅与该黑体的温度有关,与黑体的材质无关。从经典物理学出发推导出的维恩定律在低频区域与实验数据不相符,而在高频区域,从经典物理学的能量均分定理推导出瑞利-金斯定律又与实验数据不相符,在辐射频率趋向无穷大时,能量也会变得无穷大,这结果被称作“ 紫外灾变”。1900年10月,马克斯·普朗克将维恩定律加以改良,又将玻尔兹曼熵公式(Boltzmann's entropy formula)重新诠释,得出了一个与实验数据完全吻合普朗克公式来描述黑体辐射。但是在诠释这个公式时,通过将物体中的原子看作微小的量子谐振子,他不得不假设这些量子谐振子的总能量不是连续的,即总能量只能是离散的数值(经典物理学的观点恰好相反):
这里,  是一个整数, 是普朗克常数。
后来,普朗克进一步假设单独量子谐振子吸收和放射的辐射能是量子化的。
光电效应
光电效应示意图:来自左上方的光子冲击到金属板,将电子逐出金属板,并且向右上方移去。
主条目:光电效应
海因里希·赫兹于1887年做实验发现,假设照射紫外光于金属表面,则电子会从金属表面被发射出来,他因此发现了光电效应。1905年,爱因斯坦提出了光量子的理论来解释这个现象。他认为,光束是由一群离散的光量子所组成,而不是连续性波动。这些光量子现今被称为光子,其能量为
这里, 是频率。
爱因斯坦大胆地预言,假若光子的频率高于金属的极线频率,则这光子可以给予足够能量来使得金属表面的一个电子逃逸,造成光电效应。电子获得的能量中,一部分被用来将金属中的电子射出,这部分能量叫逸出功,用哪个表示),另一部分成为了逃逸电子的动能:
这里  是电子的质量, 是其速度。
假若光的频率低于金属的极线频率,那么它无法使得电子获得足够的逸出功。这时,不论辐照度有多大,照射时间有多长,都不会发生光电效应。而当入射光的频率高于极限频率时,即使光不够强,当它射到金属表面时也会观察到光电子发射。罗伯特·密立根后来做实验证明这些理论与预言属实。
爱因斯坦将普朗克的量子理论加以延伸扩展,他提出不仅仅物质与电磁辐射之间的相互作用是量子化的,而且量子化是一个基本物理特性的理论。通过这个新理论,他得以解释光电效应。
原子结构
按照氢原子或类氢原子的玻尔模型,带负价的电子被局限于原子壳层,它们环绕着尺寸很小的带正价原子核。电子从一个能量较高的轨道跃迁到能量较低的轨道时,会以电磁波的形式将能量差释出。
20世纪初,卢瑟福模型被公认为正确的原子模型。这个模型假设带负电荷的电子,像行星围绕太阳运转一样,围绕带正电荷的原子核运转。在这个过程中库仑力与离心力必须平衡。
但是这个模型有两个问题无法解决。首先,按照经典电磁学,这个模型不稳定,由于电子不断地在它的运转过程中被加速,它应该会通过发射电磁波丧失能量,这样它很快就会坠入原子核。其次,实验结果显示,原子的发射光谱是由一系列离散的发射线组成,比如氢原子的发射光谱是由一个紫外线系列(来曼系)、一个可见光系列(巴耳麦系)和其它的红外线系列组成;而按照经典理论原子的发射谱应该是连续的。
1913年,尼尔斯·玻尔提出了的玻尔模型,这个模型引入量子化的概念来解释原子结构和光谱线。玻尔认为,电子只能在对应某些特定能量值的