物理学史小论文

量子力学的发展-从量子论到量子力学 摘要：量子论,量子力学,一对相近的名字,也许很多人会说它们是同一个概念,因 为我刚听到这两个词的时候就是这么认为的,但是经过了将近半个学期的学习,我 慢慢发现它们并不是相同的,我也开始对量子力学有了更加清楚的认识,至少它不 是无法理解的,虽然还有很多很多的问题有待我们解决,但是量子力学已深入到物 理学中了,并成功解释了许许多多经典物理无法解决的问题.而量子力学究竟是如 何发展起来的呢? 正文：1900 年，普朗克针对经典物理学解释黑体辐射的困难，提出辐射能量量 子化的概念,发表了著名的量子假说；然而当时很少有人注意他的文章,更不要说 理解它了.而爱因斯坦却认真对待这一革命性的观念,1905 年，他针对光电效应 的实验事实与经典观念的矛盾，提出光量子的概念；无独有偶, 爱因斯坦的论 文同样不受名人重视.在 1913 年，波尔把普朗克爱因斯坦的量子化概念用到 卢瑟福模型，提出了量子态的观念。不过，这时的量子论在逻辑和对实际问题 的处理都有严重的缺陷，而“物质粒子的波粒两象性”使之更严密。在此基础 之上，海森伯、波恩和薛定谔等人建立了量子力学。 关键词：黑体辐射，光电效应，波粒两象性，薛定谔方程 一 基本理论分析 1、黑体辐射的提出 黑体是指能将入射的任何频率的电磁波全都吸收的理想物体，当黑体受热 后以电磁波的形式向外辐射能量称为黑体辐射。1859 年，基尔霍夫 （G.R.Kirchhoff）证明：黑体与热辐射达到 平衡时，辐射能量密度 E（，T）随频率 变化曲线的形状与位置只与黑体的绝对温度 T 有关，而与空腔的形状及组成的物质无关。 1893 年，维恩（W.Wien）测得黑体辐射本 领 R(，T)在不同温度 T 下，随 的变化规 律，如左边的图。1900 年普朗克在维恩、 瑞利和金斯的公式之上提出了普朗克公式， 而普朗克在研究和分析普朗克公式的形成机制时发现，必须引入不可思议的量 子假说才能从理论上推出普朗克公式，量子假说是指辐射黑体中的分子、原子 振动可看作线性谐振子，它和周围电磁场交换能量的能量值只能为某一最小能 量（称为能量子）的整数倍。 2、爱因斯坦的光电效应 1905 年，爱因斯坦发展了普朗克的量子说，他认为光在空间传播时正像粒 子那样运动，这种粒子后来被称为光量子，由此，爱因斯坦成功地解释了光电 效应。光电效应有如下规律：任何一种金属都有一个极限频率，入射光频率 必须大于这个极限频率，才能产生光电效应，低于这个频率的光不能发生光电 效应，能否发生光电效应，不取决于光强，只取决于频率。光电子最大初动 能与入射光的强度无关，只随入射光频率的增大而增大。入射光照射到金属 上时，光电子的发射几乎是瞬时的，一般不超过 109s。当入射光的频率大 于极限频率时，单位时间从金属表面逸出的光电子数目与入射光的强度成正比。 3、光的波粒两象性理论 光的波动性和粒子性是对立统一的，我们可以从 4 点可以看出：大量光子产 生的效果显示出波动性，个别光子产生的效果显示出粒子性。光子和电子、 质子等实物粒子一样，具有能量和动量。和其他物质相互作用时，粒子性起主 导作用；在光的传播过程中，光子在空间各点出现的可能性的大小（概率）， 由波动性起主导作用，因此称光波为概率波。光子的能量与其对应的频率成 正比，而频率是波动性特征的物理量，因此 E，揭示了光的粒子性和波动 性之间的密切联系。对不同频率的光，频率低、波长长的光，波动性特性显 著；而频率高、波长短的光，粒子性特征显著。综上所述，光的粒子性和波动 性组成一个有机的统一体，相互间并不是独立存在。光既表现出波动性又表现 出粒子性，很难用宏观世界的观念来认识，必须从微观的角度建立起光的行为 图景，认识光的波粒二象性，需要明确的是：爱因斯坦光子说中的“粒子”和 牛顿微粒中的“粒子”是两个完全不相同的概念；同样，麦克斯韦电磁说中的 “波”与惠更斯波动说中的“波”也是不同理论领域中完全不同的概念，其本 质区别在于微观世界的认识论与宏观世界的认识论的区别。 3 4、薛定谔方程的提出与应用 薛定谔方程是量子力学的基本方程，它揭示了微观物理世界物质运动的基 本规律，就像牛顿定律在经典力学中所起的作用一样，它是原子物理学中处理 一切非相对论问题的有力工具。而用它来描述波函数时应该满足下面条件标 准条件： (x)必须 单值、有限、连续，因为粒子的概率在任何地方只能有一 个值，不可能无限大且不可能在某处发生突变。归一化条件：粒子在空间各 点的概率总和应为 l。 在这一系列的基础上,经过几年的努力,终