物理学史讲稿量子力学

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1、量子力学发展概况主讲人:新尼根副教授内蒙古民族大学物理与机电学院一、早期量子论的发展经典物理学大约经过近三百年的发展，到十九世纪末已经建立起了完整的理论。这就是以牛顿三定律和万有引力定律为基础的经典力学；以麦克斯韦方程组和洛仑兹公式表述的电磁场理论；而对于热现象则有以热力学三大定律为基础的宏观理论，又有用统计物理学所描写的微观理论。因此到十九世纪末，不少物理学家认为，物理学理论的骨架已经完成，今后的工作，只不过是扩大这些理论的应用范围以及提高实验的精确度。开尔文说：“十九世纪已将物理大厦全部建成，今后物理学家的任务就是修饰、完美这所大厦了”。但这位绝对温标创始人在欢庆物理大厦

2、完成的同时，仍为当时已发现的一些与经典物理结论矛盾的实验事实担忧。他在贺词中又提到，在物理学的天边，还有两朵小小的令人不安的乌云，一朵是热辐射的“紫外灾难”，另一朵是迈克尔逊—莫雷实验。1.普朗克的能量子假说所谓“紫外灾难”是指按经典理论研究黑体辐射时会得到在短波长区域辐射无限大能量的困难。这与实验结果也是矛盾的。对黑体辐射的研究得到了两个实验定律。第一个是斯特藩（1835—1893）—玻耳兹曼（1844－1906）定律。这个定律表明一个黑体每秒所发射的电磁辐射能量与它的温度四次方成正比。第二个是维恩（1864－1928）位移定律。这个定律表明，随着黑体温度T的升高，它所发射

3、的辐射中最强波长λm将会变短。1900年，英国物理学家瑞利（1842—1919）和琼斯（1877—1946），根据经典物理学中能量按自由度均分原理，利用经典电磁理论和统计物理得到一个黑体辐射能量密度的公式普朗克公式1900年德国物理学家普朗克（1858—1947）为了与实验结果相符，在维恩和琼斯公式之间利用内插法建立一个普遍公式解决了“紫外灾难”的困难。1900年10月19日普朗克在德国物理学会上报告了所得到的公式，得到了与会者普遍承认。普朗克明白：“即使这个新的辐射公式能证明是绝对精确的，但是如果仅仅是一个侥幸猜测出来的内插公式，那末它的价值也是有限的。”1900年12月2

4、4日德国物理学会上提出了如下能量子假说：（1）黑体的腔壁是由无数带电谐振子组成。这些谐振子不断吸收和辐射电磁波与腔内辐射场交换能量。（2）这些谐振子具有的能量是分立的，它们只能取…当振子与腔内辐射场交换能量时，能量改变值也只能是的整数倍。普朗克的能量子假说是对经典物理学的一个巨大突破，竖起了量子革命的旗帜。宣告了量子物理的诞生。他是量子理论的奠基人，为此，荣获1918年的诺贝尔物理学奖。普朗克提出能量子假说时已经42岁。他受过严格的经典物理学教育，对经典物理学的思想是根深蒂固的。他是不愿意作出违背经典物理学的假说的。正如他自己所说：“经典理论给了我们这样多有用的东西，因此必须

5、从最大谨慎对待它，维护它。”他之所以提出与经典物理不相容的能量子假说，是迫于实验事实从“形式上引入的假设”，而并没有意识到能量子是一个现实的客观存在；十年之后，普朗克还试图将能量子概念纳入经典物理学的轨道。他提出了振子发射电磁辐射是量子过程，而其吸收则是连续的等等。因而使他对量子论的认识经历了一条曲折道路，未能对量子理论的创立作出更多贡献。但无论如何，普朗克的功绩是不应抹杀的，他的名字将与量子论的诞生联在一起。二、爱因斯坦的光量子理论1887年，赫兹（公元1857—1894）首先发现了光电效应现象。勒纳德（公元1862—1947）等人又进行了深入的研究，发现：当X射线照到金属

6、表面时，有电子从表面逸出。但仅当光的频率大于一定值时，才会产生光电效应；从金属中逸出的电子能量只与光的频率有关，而与光的强度无关；光的强度只影响逸出的电子的数目。这些实验结果，经典理论是无法解释的。爱因斯坦从普朗克能量子假说中受到了启发。但普朗克认为腔内辐射场在本质上仍是连续的，仅在与腔壁发生能量交换时才显出量子性，他用的是经典麦克斯韦理论。爱因斯坦在1905年发表了题为《关于光的产生和转换的一个启发性观点》的论文。他指出：“运用连续三维函数的光的波动理论极其圆满地解释了各种纯光学现象”。“可是我们应当记住，光学观测所得出的是对时间的平均值，而不是瞬时值”。“当运用三维函数的

7、光的理论到光的产生和转化等现象时，它势必导致与经验相矛盾。”因此他明确提出光量子概念：光波是由一个个光量子组成的，每个光量子不仅具有能量ε，也有动量p，并满足关系：ε＝hν这就是爱因斯坦光量子理论。1926年，刘易斯（1875－1946）将光量子命名为“光子”。按照光量子理论，当光照射到金属表面时，光的能量被金属中的电子吸收。电子从全属表面逸出，一部分能量用来克服表面逸出功W，另一部分则成为电子动能。由能量守恒，有关系式：这就是爱因斯坦方程。由此，爱因斯坦成功地解释了光电效应。并主要因此获得1921年诺