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    5.3.1 初期量子理论

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    这是一份5.3.1 初期量子理论,共3页。

    第三讲  有关量子的初步知识

    §3. 1、初期量子理论

    20世纪之初,物理学家为解释一些经典物理所不能解释的实验规律,提出了量子理论。量子理论经过进一步发展,形成了量子力学,使量子力学成为近代物理学的两大支柱之一。

    311                         普朗克量子论 

     一切物体都发射并吸收电磁波。物体发射电磁波又称热辐射,温度越高,辐射的能量越多,辐射中短波成份比例越大。完全吸收电磁辐射的物体发射电磁辐射的本领也最强,称这种理想的物体为黑体。研究黑体辐射电磁波长的能量与黑体温度以及电磁波波长的关系,从实验上得出了著名的黑体辐射定律。

    假设电磁辐射是组成黑体的谐振子所发出,按照经典理论,谐振子的能量可以连续地变化,电磁波的能量也是可以连续变化的,但是理论结果与实验定律相矛盾。1900年,德国物理学家普朗克提出了量子理论:黑体中的振子具有的能量是不连续的,从而,他们发射或吸收的电磁波的能量也是不连续的。如果发射或吸收的电磁辐射的频率为v,则发射或吸收的辐射能量只能是hv的整倍数,h为一普适常量,称为普朗克常量,普朗克的量子理论成功地解释了黑体辐射定律,这种能量不连续变化的概念,是对经典物理概念的革命,普朗克的理论预示着物理观念上革命的开端。

    312                         爱因斯坦光子理论  

     因为电磁波理论也不能解释光电效应,在普朗克量子论的基础上,爱因斯坦于1905年提出了光子概念。他认为光的传播能量也是不连续的,而是一份一份的,每一份能量称为一个光子,即光是由光子组成的,频率为v光的光子能量等于hvh为普朗克常量。光子理论圆满地解释了光电效应。人们对光本性的认识前进了一步:光具有波粒二象性。在经典物理中,波是连续的,粒子是分立的,二者不相容。所以,不能把光看作经典物理中的波,也不能把光看作经典物理中的粒子。故此,有了爱因斯坦光电方程:

    W为逸出功,V为光子频率, m为光电子质量。

    313                         电子及其他粒子的波动性  

    我们已经了解到,玻尔把普朗克的量子论和爱因斯坦的光子理论,应用到原子系统上,于1913年提出了原子理论。按照玻尔理论,原子中存在着分立的能级,电子从某一能级向另一能级跃迁时,发射或吸收一个光子。这与经典物理的概念也迥然不同。这就启发人们:组成原子的粒子,如电子,必然不是经典意义下的粒子,所遵从的规律也不同于经典物理的规律。在光具有波粒二象性的启发下,法国物理学家德布罗意提出一个问题:在光学中,比起波的研究方法来,如果说过于忽视粒子的研究方法的话,那么,在粒子的理论上,是不是发生了相反的错误,把粒子的图象想得太过分,而过分忽视了波的图象呢?接着,他在1924年提出了一个假说,认为波粒二象性不只是光子才有,一切微观粒子,包括电子、质子和中子,都有波粒二象性。他指出:具有质量m和速度v的运动粒子也具有波动性,这种波长等于普朗克恒量h 与粒子mv动量的比,即λ=h/mv。这个关系式称做德布罗意公式。根据德布罗意公式,很容易算出运动粒子的波长。后来又用原子射线和分子射线做类似的实验,同样得到了衍射图样。质子和中子的衍射实验也做成功了。这就证明了一切运动的微观粒子都具有波粒二象性,其波长与动量的关系都符合德布罗意公式。粒子的波动性又称为德布罗意波或物质波。我们不能把电子等微观粒子视为经典的粒子,也不能把物质波视为经典的波。试验和论理的进一步研究发现,电子等微观粒子的波动性与声波或电磁波的特性并不完全相同,它们遵从的规律也不一样,这就导致了量子力学的诞生。

     

     

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