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量子力学诞生的历史背景

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量子力学诞生的历史背景

雪花又一年 2018-05-04 13:47:00 浏览154 评论0

摘要: 19世纪末20世纪初,经典物理已经发展到了相当完善的地步,其中经典物理学的成功可以简单归纳为: (1) 应用牛顿方程成功地讨论了从天体到地上各种尺度的力学客体体的运动。 (2) 甚至将其用于分子运动上,气体分子运动论,取得有益的结果。

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19世纪末20世纪初,经典物理已经发展到了相当完善的地步,其中经典物理学的成功可以简单归纳为:


(1) 应用牛顿方程成功地讨论了从天体到地上各种尺度的力学客体体的运动。
(2) 甚至将其用于分子运动上,气体分子运动论,取得有益的结果。
(3) 1897年汤姆森发现了电子,这个发现表明电子的行为类似于一个牛顿粒子。
(4) 光的波动性在1803年由杨的衍射实验有力揭示出来,麦克斯韦在1864年发现的光和电磁现象之间的联系把光的波动性置于更加坚实的基础之上。


但在实验方面又遇到了一些严重的困难,这些困难被看作是“晴朗天空的几朵乌云”,正是这几朵乌云引发了物理界的变革。下面简述几个关于量子力学的困难,详细的介绍见本主题的具体系列:


黑体辐射问题

19世纪末,许多物理学家对黑体辐射非常感兴趣。黑体是一个理想化了的物体,它可以吸收,所有照射到它上面的辐射,并将这些辐射转化为热辐射,这个热辐射的光谱特征仅与该黑体的温度有关。使用经典物理这个关系无法被解释。

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早期的维恩(W. Wien)从热力学的普适定理,结合实验数学,给出半经典的公式,在高频部分非常吻合,但是在低频略有差别,维恩因此得了诺贝尔奖。而瑞利(J.W.Rayleigh)通过热力学公式的推导,得到瑞利-金斯公式,发现在低频符合的非常高,但是不幸的是这个公式会发生紫外灾难。


光电效应实验

由于紫外线照射,大量电子从金属表面逸出。经研究发现,光电效应呈现以下几个特点:

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a. 有一个确定的临界频率,只有入射光的频率大于临界频率,才会有光电子逸出。

b. 每个光电子的能量只与照射光的频率有关。

c. 入射光频率大于临界频率时,只要光一照上,几乎立刻观测到光电子。

以上3个特点,c是定量上的问题,而a、b在原则上无法用经典物理来解释。


原子光谱学

光谱分析积累了相当丰富的资料,不少科学家对它们进行了整理与分析,发现原子光谱是呈分立的线状光谱而不是连续分布。谱线的波长也有一个很简单的规律。


原子核稳定问题

经典物理学不能建立一个稳定的原子模型。根据经典电动力学,电子环绕原子核运动是加速运动,因而不断以辐射方式发射出能量,电子的能量变得越来越小,因此绕原子核运动的电子,终究会因大量损失能量而“掉到”原子核中去,原子就“崩溃”了,但是,现实世界表明,原子稳定的存在着。


除此之外,还有一些其它实验现象在经典理论看来是难以解释的,这里不再累述。 我们回头看,在量子论的故事后面,我们会看见很多意外的发现。这些意外,为科学史添加了一份绚丽的传奇色彩,也使人们对神秘的自然更加兴致勃勃。那也是科学给我们带来的快乐之一。 


原文发布时间为:2016-03-17
本文作者:罗恩·考恩
本文来源:量子趣谈,如需转载请联系原作者。

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