量子力學(xué)是怎樣產(chǎn)生的

金仲輝

讀者李強問：“八年級下學(xué)期我們學(xué)習(xí)了力學(xué)，老師告訴我們.目前所學(xué)的力學(xué)知識都屬于經(jīng)典力學(xué)的范疇，在經(jīng)典力學(xué)之外還有量子力學(xué)，我想了解一下.量子力學(xué)是怎樣產(chǎn)生的？它都有哪些應(yīng)用？”

量子力學(xué)是高等教育階段物理專業(yè)課程.但是利用我們初中所學(xué)的物理知識也可以初步理解其中的內(nèi)容.這對提高我們物理學(xué)習(xí)的興趣大有幫助，本期我們介紹一下量子力學(xué)是怎樣產(chǎn)生的.下一期我們將介紹量子力學(xué)的典型應(yīng)用.

量子力學(xué)產(chǎn)生的前奏是關(guān)于黑體輻射的研究，我們首先來了解熱輻射現(xiàn)象和黑體的概念.將一根鐵條放入爐火中.起初溫度不太高時，我們看不到鐵條發(fā)光.卻可以感受到它輻射出來的熱量：當溫度達到500℃左右時，鐵條開始發(fā)出可見光：隨著溫度逐漸升高，不但光的強度逐漸增大.光的顏色也由暗紅變?yōu)槌壬?我們在課堂上學(xué)過可見光是由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種色光組成，它們的波長逐漸變短.鐵條發(fā)出光的顏色變化.說明隨著鐵條溫度的升高.它所發(fā)出的可見光的波長逐漸變短.如同加熱鐵條這種由于物體自身具有一定的溫度而輻射出電磁波的現(xiàn)象被稱為熱輻射.需要指出的是，熱輻射不一定需要高溫.實際上，任何溫度（室溫或更低）的物體都可以發(fā)出熱輻射，只不過在低溫下熱輻射不強，且輻射出的主要是紅外線.紅外夜視儀就是利用了這個原理，

所謂黑體，是一種理想的吸收體，它能吸收照射到其上的一切輻射能，黑體在自然界并不存在，它和推導(dǎo)牛頓第一定律所引入的光滑水平面概念一樣，只是一種理想化的模型，但我們可以制造出接近于黑體的模擬物.用任何物體做成一個有很小開口的空腔（圖1）就是一個相當理想的黑體，這是因為.光線進入這個小孔后.在空腔內(nèi)壁不斷反射.重新從小孔射出的機會極小，即使有機會從小孔射出，由于經(jīng)歷了多次反射也幾乎損失了全部能量.對空腔外的觀察者來說.小孔幾乎吸收了照射到其上所有波長的輻射能，故整個空腔可看作黑體，理想黑體可以吸收所有照射到它表面的電磁輻射.并將這些輻射轉(zhuǎn)化為熱輻射.黑體所輻射出的電磁波波長只和溫度有關(guān)，而與黑體的材質(zhì)無關(guān).

19世紀末，德國和英國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展.大大促進了對黑體輻射的研究.并將研究成果應(yīng)用于生產(chǎn)，如通過測量鋼水所發(fā)出光的波長可以測量鋼水的溫度.就像我們研究物體運動規(guī)律所作出的速度，時間曲線一樣，不少物理學(xué)家通過實驗作出了波長.溫度曲線.并提出自己的理論對曲線進行解釋.其中科學(xué)家維恩所提出的維恩公式在短波波段與實驗結(jié)果吻合較好，但在長波波段偏離較大，而科學(xué)家瑞利和金斯提出的瑞利.金斯公式卻相反，在長波波段符合得很好.但在短波波段偏離極大.總之，從已知的物理學(xué)角度出發(fā)得出的理論.無法完全解釋黑體輻射實驗曲線.

德國物理學(xué)家普朗克對黑體輻射的研究非常實際.他利用數(shù)學(xué)方法將適用于短波波段的維恩公式和適用于長波波段的瑞利.金斯公式銜接起來，得到了一個完全符合觀測數(shù)據(jù)的經(jīng)驗公式，但是普朗克并不滿足于他僥幸揣測出來的經(jīng)驗公式，立即致力于尋求這個公式的真正物理意義，最終他發(fā)現(xiàn)，不跳出已有的物理學(xué)框架是無法解決這個問題的.為此.他提出了能量量子假設(shè)，普朗克認為黑體吸收發(fā)射的電磁輻射能量是不連續(xù)的，每次能量改變值也只能是占的整數(shù)倍，ε和輻射電磁波頻率"有如下關(guān)系ε=hv，式中h≈ 6.626x10^-34J.s.稱為普朗克常數(shù).普朗克常數(shù)已成為現(xiàn)代物理學(xué)的重要常數(shù)之一.在普朗克和之后科學(xué)家的不斷深入研究下.充分證明了能量量子假設(shè)的正確性，

普朗克能量量子假設(shè)是一個偉大發(fā)現(xiàn).但是這個偉大發(fā)現(xiàn)的真正意義在較長時間內(nèi)沒有被人理解，因為從傳統(tǒng)物理學(xué)的觀點來看，能量量子假設(shè)簡直是不可思議的，能量取值怎么可能是不連續(xù)的呢？例如，在力學(xué)中，一個力由小變大.力的取值就是連續(xù)的.總之.在物理學(xué)這個偉大變革面前人們還沒有做好充分思想準備.就連普朗克本人也一度對能量量子假設(shè)抱懷疑的態(tài)度.想盡量縮小與經(jīng)典物理學(xué)之間的矛盾，但他的種種努力都失敗了，最后普朗克不得不承認：“我企圖設(shè)法使這個基本作用量子與經(jīng)典物理學(xué)理論相適應(yīng).我這種徒勞無益的企圖曾經(jīng)持續(xù)了許多年.花費了我很多心血，”

普朗克的能量量子假設(shè)將現(xiàn)代物理學(xué)舞臺的帷幕拉開.從此物理學(xué)經(jīng)歷了一場極為深刻的變化.尤其是上世紀20～30年代量子力學(xué)的建立，為許多領(lǐng)域帶來豐碩的成果.這些成果大大影響了人類的生活.可以毫不夸張地說.沒有量子理論就沒有我們今天的便利生活，所以將普朗克稱為“量子力學(xué)之父”是不為過的，普朗克憑借他的能量量子假設(shè)成為1918年諾貝爾物理學(xué)獎的獲得者，

責(zé)任編輯 林洋