量子力学的形成与发展

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1、量子力学的形成与发展量子力学包含波动力学和矩阵力学两部分内容 ,与之相应,理论的建立过程 也沿着两条逻辑主线:一是在普朗克量子假说的启发下,爱因斯坦提出了光量子 理论,后者启发德布罗意提出物质波理论 ,由此导致薛定谔建立了波动力学 ;二 是在普朗克量子假说的启发下,玻尔提出了原子理论,在后者的启发下海森堡和 玻恩建立了矩阵力学。20 世纪之前，人们一直认为光、电、磁都是依靠以太传播的。麦克斯韦方 程组也是以电磁波波源相对以太静止为条件建立起来的。如果电磁波波源相对 以太运动，电磁波传播的速度就会变得各向异性。电磁波是横波，这就要求以 太比钢还坚固，但又比空气还稀薄，这样天体才能在以太中自由运动

2、。这种奇 特的以太究竟存在不存在呢？1887 年美国物理学家迈克耳逊和美国化学家莫雷 合作，设计了迈克耳逊-莫雷实验来寻找以太。迈克耳逊设法使一束光线分成相 互垂直的两束，经平面镜反射后，又使它们回到一起，发生干涉。由于地球的 运动，光沿不同的方向传播速度不一样，这样上述两束相互垂直的光即使经过 相同的距离，再回到同一地方，所花的时间一般是不相同的。时间的差值不同， 干涉条纹的位置也将不同。如果整个实验装置一起转过一个角度。那么，两束 光回到同一地方的时间差将变化，干涉条纹的位置也就变化了。迈克耳逊和莫 雷做了这个实验，但在整个实验过程中，他们没有看到条纹的位置有丝毫变化。 这个实验使科学家面

3、临痛苦的选择，要么承认地球不在运动，要么承认宇宙中 根本不存在以太。这个意外就是飘在 19世纪末物理学万里晴空中的一朵乌云。物理学天空中的第二朵乌云是黑体辐射问题。19 世纪末，许多科学家用经 典理论研究黑体的热辐射问题都遭到了失败。普朗克以瑞利-金斯和维恩公式为 基础，利用数学的内插法，导出了一个与实验结果非常一致的辐射公式。但普 朗克从理论上论证这个公式时，发现要得到正确的黑体辐射公式，除非黑体在 辐射或吸收能量过程中，能量是一份一份的，而不是连续的。1900 年普朗克为了解释黑体辐射问题,提出了能量子假说,由此开创了物理 学研究的新时代。1905 年爱因斯坦把热辐射的量子说推广到光现象，

4、提出了光 量子理论，指出了光的波粒二象性。爱因斯坦用光量子理论成功地解释了经典 理论无法解释的光电效应现象。普朗克（18581947年）是德国物理学家，1858年生于德国的基尔，普朗 克少年时就表现出很有天分。他对数学和音乐有特殊的爱好。据说，中学毕业 选择专业时，他曾在音乐和自然科学之间犹豫不决。1874 年普朗克考入慕尼黑 大学，初主攻数学，随后又爱上物理。他的老师约里曾劝阻他这样做。在约里 的眼里，当时的物理学已是一门高度发展的、几乎是尽善尽美的科学，似乎在 这个领域已无事可做。约里的观点实际是反映了当时物理学家的普遍想法。普 朗克一生在科学上提出了许多创见，贡献最大的就是 1900 年

5、提出的黑体辐射中 的量子假说。此项成就使他获得了1918年的诺贝尔奖。在从事科学的同时，普 朗克还从事音乐演奏和登山运动。他把音乐和登山运动看作是紧张的科研活动 后的必不可少的调剂。普朗克退休后仍经常参加物理研究所的恳谈会和举办大 众讲座。他参加会议总是十分准时，据说根据他在会场上的出现时刻可以校正 钟表！普朗克于1947年10月4日逝世，享年90岁。1913 年，玻尔引进普朗克的量子概念，建立了氢原子核外电子轨道理论， 这个理论成功地解释了氢原子光谱，建立了经典原子物理学。玻尔的经典量子 论虽然在确定原子能级的细节方面取得了许多成就，但到那时为止，即使能够 算出谱线的频率，但不能计算它们的强

6、度和解释光为什么会偏振等问题。1924 年德布罗意受光量子具有波粒二象性启发，提出了实物粒子跟光子一 样，也具有波粒二象性。后来实物粒子波叫做物质波，又称德布罗意波。德布 罗意还给出了物质波的波长跟粒子质量、运动速度等关系。1927 年戴维逊和革 麦通过电子衍射实验证实了德布罗意的假说。1925 年海森堡、玻恩等人，采用 矩阵数学的方法，抛弃了以经典轨道、坐标和动量等描述微观世界的方法，创 立了矩阵力学。1926 年，薛定谔从物质波的思想出发，采用了德布罗意提出的 波函数作为描述微观粒子的状态，建立了薛定谔方程，创立了波动力学。波动 力学和矩阵力学后来被证明为等价的学说，以后两者统称为量子力学

7、。海森堡建立矩阵力学后，于 1927年提出了“测不准关系”重要原理。测不 准原理指出了用经典力学方法描述微观粒子状态的准确性是有限度的，对其位 置测量越精确，对其速度的测量就越不精确，反之亦然。同年 9 月，在意大利 科摩市举行的国际物理学会议上，玻尔提出了互补原理。互补原理的基本含义 就是要合理地描述微观客体的本质特征，就必须把互相矛盾的经典概念结合起 来使用，两个概念既互相排斥又互相补充，二者缺一不可。量子力学用几率波、测不准关系等新概念来描述微观粒子的运动，揭 示了微观世界的许多新特点。通过解氢原子的薛定谔方程，能非常自然地导出 玻尔理论中的四个量子数和电子跃迁时的选择定则。量子力学把描述宏观现象 的牛顿力学作为一种极限情况包括在内，这是物理学发展史上又一次大的综合。 1928 年狄拉克又把量子力学与狭义相对论结合起来，创立了相对论性量子力学。由于量子力学能很好地统一说明分子、原子、电子等微观粒子运动的规律。 因此，量子力学后来被应用到化学上，产生了量子化学。随着生物学研究水平 逐渐深入到分子水平，在这个水平上研究生物学，量子力学又成了最有力的工 具，于是产生量子生物学。这样在微观世界中，物理学、化学和生物学的界限 又变得模糊起来。古代的不分学科的自然科学经过发展、分化，现在又在微观 问题的研究中又逐步趋向合并了起来。