第四章 量子課件

第四章

物質(zhì)觀的革命—量子理論

第一節(jié)

打開(kāi)微觀世界研究大門(mén)的三大發(fā)現(xiàn)

一、X射線的發(fā)現(xiàn)

二、放射性的發(fā)現(xiàn)

三、電子的發(fā)現(xiàn)

第二節(jié)

量子論和量子力學(xué)的誕生

一、量子論的初期

二、量子論的建立2024/12/61第四章量子

物理學(xué)作為一門(mén)科學(xué)，它的形成和發(fā)展經(jīng)歷了近四、五百年的歷史，到19世紀(jì)末，經(jīng)典物理學(xué)理論體系的大廈巍然聳立，使人們普遍產(chǎn)生了一種錯(cuò)覺(jué)，認(rèn)為物理學(xué)的發(fā)展已經(jīng)完成，人們對(duì)物理世界的解釋已經(jīng)達(dá)到了終點(diǎn)，宇宙萬(wàn)物必然按照由精美的數(shù)學(xué)方程所表達(dá)的物理學(xué)定律永遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)下去。著名德國(guó)物理學(xué)家基爾霍夫曾表示：“物理學(xué)將無(wú)所作為了，至多只能在已知規(guī)律的公式的小數(shù)點(diǎn)后面加幾個(gè)數(shù)字罷了?！?024/12/62第四章量子

在剛剛跨入20世紀(jì)的第一天，英國(guó)著名的物理學(xué)家開(kāi)爾文在《元旦獻(xiàn)詞》中曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：

“在已經(jīng)建成的大廈中，后輩物理學(xué)家只能做一些零碎的修補(bǔ)工作。”與眾不同的是他又敏銳地發(fā)現(xiàn)，在物理學(xué)晴朗的天空里，還有兩朵小小的令人不安的烏云，這兩朵烏云指的是當(dāng)時(shí)物理學(xué)無(wú)法解釋的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，一個(gè)是熱輻射實(shí)驗(yàn)另一個(gè)是邁克爾遜–莫雷實(shí)驗(yàn)。

X射線、放射性和電子的三個(gè)發(fā)現(xiàn)，揭開(kāi)了近代物理的序幕。當(dāng)物理學(xué)進(jìn)入20世紀(jì)，就誕生了量子論和相對(duì)論，開(kāi)創(chuàng)了近代物理學(xué)。2024/12/63第四章量子

自古到今，人們就在不斷地思索，世界萬(wàn)物由什么構(gòu)成的？它有最小結(jié)構(gòu)嗎哲學(xué)家亞里士多德等人則認(rèn)為物質(zhì)是連續(xù)的，世界萬(wàn)物由土、空氣、水、火這四種元素組成的，而天則是第五種元素“以太”所組成的古希臘哲學(xué)家德謨克利特等人認(rèn)為，物質(zhì)是不連續(xù)的，分到最后將由一些不可再分的東西所組成，他把這種物質(zhì)的基元命名為“a–toms（“原子”）”，古希臘文的意思是“不可再分的東西”。2024/12/64第四章量子英國(guó)科學(xué)家道爾頓是科學(xué)原子論的創(chuàng)始人，1807年他依據(jù)一系列實(shí)驗(yàn)，提出“氣體、液體和固體都是由該物質(zhì)的不可分割的原子組成的”，“同種元素的原子，其大小、質(zhì)量及各種性質(zhì)都相同”，此后，大量實(shí)驗(yàn)事實(shí)證明了原子論的正確性。1895年德國(guó)物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)X射線，1896年，法國(guó)物理學(xué)家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)放射性，1897年英國(guó)物理學(xué)家湯姆遜，發(fā)現(xiàn)了電子，這三大發(fā)現(xiàn)揭開(kāi)了原子存在內(nèi)部結(jié)構(gòu)，三大發(fā)現(xiàn)揭開(kāi)了研究微觀世界的序幕。2024/12/65第四章量子第一節(jié)打開(kāi)微觀世界研究大門(mén)的三大發(fā)現(xiàn)

一、X射線的發(fā)現(xiàn)1、陰極射線的發(fā)現(xiàn)及其本性的爭(zhēng)論

1858年，德國(guó)的蓋斯勒制成了低壓氣體放電管。1859年，德國(guó)的普呂克爾利用蓋斯勒管進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)，他注意到，從鉑陰極發(fā)出的粒子飛向玻璃管，粒子流打在管壁上發(fā)出螢光，螢光斑能夠被磁力偏轉(zhuǎn)。1876年，德國(guó)的戈?duì)柶澨固岢觯ＡП谏系妮x光是由陰極產(chǎn)生的某種射線所引起的，他把這種射線命名為陰極射線。并且認(rèn)為陰極射線應(yīng)該是一種類(lèi)似于紫外線的以太波。該思想得到了以赫茲為首的本國(guó)科學(xué)家的贊成，形成了德國(guó)學(xué)派。

1871年英國(guó)科學(xué)家瓦爾利從陰極射線在磁場(chǎng)中受到偏轉(zhuǎn)與帶電粒子很相近的事實(shí)，提出這一射線是由帶負(fù)電粒子所組成。該思想得到本國(guó)克魯克斯、J.J.湯姆生等人的贊同，形成了英國(guó)學(xué)派。

2024/12/66第四章量子2、X射線的發(fā)現(xiàn)

德國(guó)維爾茨堡大學(xué)校長(zhǎng)、物理學(xué)家倫琴于1895年11月8日，在做放電管實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了避免可見(jiàn)光的影響，他用黑紙將放電管包起來(lái)，而且在暗室中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，他意外地發(fā)現(xiàn)在離管一米以外的涂有熒光物質(zhì)的屏上閃耀著微弱的青綠色的熒光。2024/12/67第四章量子

12月22日，倫琴的夫人來(lái)到實(shí)驗(yàn)室，倫琴讓夫人把左手放在用黑紙包著的照相底片上，然后用X射線照射，為她拍攝了一張帶著戒子的左手手指骨骼照片，這是歷史上第一張X光照片。倫琴夫人手的X片2024/12/68第四章量子

1895年12月28日倫琴寫(xiě)出了一篇論文《論一種新的射線》，文章詳細(xì)總結(jié)了新射線的性質(zhì)：新射線來(lái)自于被陰極射線擊中的固體，固體元素越重，產(chǎn)生出來(lái)的新射線越強(qiáng)；新射線是直線傳播的，不被棱鏡反射和折射，也不被磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)；新射線對(duì)所有物體幾乎都是透明的；

新射線可使熒光物質(zhì)發(fā)光，使照相底片感光，當(dāng)把手放在放電管和熒光屏之間時(shí)，由于肌肉對(duì)新射線的吸收比骨質(zhì)弱得多，屏上便可看到手指的骨骼。2024/12/69第四章量子

X射線這個(gè)名稱(chēng)也是倫琴最先采用的，他在給孔特的信中說(shuō)：“我終于發(fā)現(xiàn)了一種光，我不知道是什么光，無(wú)以名之，就把它叫做X光吧”，后人為了紀(jì)念他，又把它稱(chēng)為“倫琴射線”。

倫琴的發(fā)現(xiàn)震驚了整個(gè)科學(xué)界，許多物理學(xué)家轉(zhuǎn)向研究X射線，反應(yīng)之迅速和強(qiáng)烈是物理學(xué)史上罕見(jiàn)的，僅1896年一年內(nèi)，關(guān)于X射線研究的論文達(dá)1000多篇。

2024/12/610第四章量子在X射線發(fā)現(xiàn)3個(gè)月后，維也納醫(yī)院中首次利用X射線對(duì)人體進(jìn)行拍片;半年后，英國(guó)出版了第一本研究X射線的專(zhuān)業(yè)雜志——《Ｘ射線臨床攝影資料》;此后，J.J.湯姆遜和盧瑟福證實(shí)X射線能使氣體電離；1912年德國(guó)物理學(xué)家勞厄用晶體作光柵，得到X射線衍射圖，證明X射線是一種波長(zhǎng)很短（約在10–10–2?之間）的電磁波，同時(shí)證明了晶體具有空間點(diǎn)陣，勞厄因此獲得了1914年度諾貝爾物理獎(jiǎng)。2024/12/611第四章量子

X射線的發(fā)現(xiàn)使人們認(rèn)識(shí)的“電磁波譜”朝著短波方向拓廣了一大段；1906年，英國(guó)物理學(xué)家巴克拉發(fā)現(xiàn)每種金屬都有自己的“特征X射線”，用它可以確定元素在周期表上的排位，巴拉克因此而獲得了1917年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；1915年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國(guó)物理學(xué)家布拉格父子，表彰他們?cè)趧诙蚬ぷ鞯幕A(chǔ)上，提出了布拉格公式，可以用它精確測(cè)定晶體的原子結(jié)構(gòu)；2024/12/612第四章量子1913年，英國(guó)年輕的物理學(xué)家莫斯萊發(fā)現(xiàn)一個(gè)重要的規(guī)律：各種元素的波長(zhǎng)非常有規(guī)律地隨著它們?cè)谥芷诒碇械呐帕许樞蚨f減，利用此規(guī)律可以準(zhǔn)確地確定各元素的原子序數(shù)，并且發(fā)現(xiàn)它們恰好與核電荷數(shù)相等，他的發(fā)現(xiàn)對(duì)認(rèn)識(shí)原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)有很大的意義；瑞典物理學(xué)家西格本進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了一系列新的X射線，并精確測(cè)定了各種元素的Ｘ射線譜，建立了Ｘ射線光譜學(xué)，西格本的工作對(duì)于揭開(kāi)原子內(nèi)電子殼層結(jié)構(gòu)狀況有重要的作用，他因此而榮獲了1924年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2024/12/613第四章量子3、X射線分析法的應(yīng)用：1953—1959年，小布拉格的兩位助手佩魯茨和肯德羅，用改進(jìn)了的X射線分析法測(cè)定了肌紅蛋白及血紅蛋白的分子結(jié)構(gòu)，為此獲得1962年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1962年諾貝爾生理學(xué)獎(jiǎng)及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予英國(guó)生物物理學(xué)家克里克、威爾金森、美國(guó)生物學(xué)家沃森，表彰他們發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，這是20世紀(jì)生物學(xué)的最偉大成就，他們依靠的也是X射線分析法。2024/12/614第四章量子因使用X射線分析法研究蛋白質(zhì)、核糖核酸、青霉素、維生素等生物大分子、有機(jī)高分子結(jié)構(gòu)而獲諾貝爾化學(xué)、生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家多達(dá)數(shù)10位。X射線也用于軍事?！靶乔虼髴?zhàn)”中核心武器是高能X射線激光器，將它裝在軍事衛(wèi)星上能遠(yuǎn)距離摧毀對(duì)方的洲際導(dǎo)彈。20世紀(jì)60年代，美國(guó)物理學(xué)家科馬克和英國(guó)電氣工程師洪斯菲爾德提出用計(jì)算機(jī)控制X射線斷層掃描原理，并發(fā)明X射線斷層掃描儀，使醫(yī)生能看到人體內(nèi)臟器官橫斷面圖象，從而準(zhǔn)確診斷病癥，他們兩人共享了1979年諾貝爾生物學(xué)及醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。2024/12/615第四章量子

值得一提的是在倫琴發(fā)現(xiàn)X射線之前，人們已在實(shí)驗(yàn)室操作陰極射線管達(dá)30多年之久，也有一些人如克魯克斯、勒納德都曾碰到過(guò)陰極射線管附近的照片底片感光或物體發(fā)出熒光的現(xiàn)象，但是，他們都沒(méi)有仔細(xì)審查這個(gè)奇怪的現(xiàn)象而失去了“機(jī)遇”，正如恩格斯所描述的：“當(dāng)真理碰到鼻子尖上的時(shí)候還是沒(méi)有得到真理”，在科學(xué)發(fā)展史上這類(lèi)事實(shí)是屢見(jiàn)不鮮的。但是倫琴——1869年蘇黎世大學(xué)獲博士學(xué)位，他治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，一貫重視基本實(shí)驗(yàn)，從不放過(guò)任何一個(gè)可疑現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)苗子反復(fù)試驗(yàn)，終于發(fā)現(xiàn)了X射線。倫琴榮獲1901年諾貝爾物理獎(jiǎng)，成為諾貝爾物理獎(jiǎng)的第一個(gè)獲獎(jiǎng)?wù)撸钱?dāng)之無(wú)愧的。2024/12/616第四章量子第一張諾貝爾物理獎(jiǎng)(1901年倫琴)2024/12/617第四章量子二、放射性的發(fā)現(xiàn)1、貝克勒爾的驚人發(fā)現(xiàn)

在X射線發(fā)現(xiàn)不久，貝克勒爾對(duì)一種稱(chēng)為硫酸雙氧鈾鉀的熒光物質(zhì)進(jìn)行了研究，他把這種鈾化合物放在用黑紙包起來(lái)的照相底片上，然后放在太陽(yáng)光下曝曬幾小時(shí)，把底片取出來(lái)進(jìn)行沖洗，他發(fā)現(xiàn)了“熒光物質(zhì)在底片上的黑色輪廓”，他又在熒光物質(zhì)和紙之間放一塊玻璃，繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)，也得到了同樣的結(jié)果。這就是最早發(fā)現(xiàn)的放射性現(xiàn)象，鈾是貝克勒爾發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)放射性元素。2024/12/618第四章量子

法國(guó)科學(xué)泰斗彭加勒在閱讀倫琴發(fā)現(xiàn)X射線的實(shí)驗(yàn)報(bào)告后，腦子里浮現(xiàn)出一種想法：既然X射線發(fā)生在熒光現(xiàn)象特別強(qiáng)烈的地方，那么，一切強(qiáng)烈的熒光物質(zhì)都可能發(fā)射X射線。

貝克勒爾是在這種情況下去做實(shí)驗(yàn)的，但是，他不迷信權(quán)威，通過(guò)實(shí)驗(yàn)他發(fā)現(xiàn)彭加勒關(guān)于熒光物質(zhì)產(chǎn)生X射線的理論是錯(cuò)誤的。自然現(xiàn)象紛紜復(fù)雜，假象和真象交織，現(xiàn)象合本質(zhì)對(duì)立，原因合結(jié)果互變，要探索它的規(guī)律，怎能一點(diǎn)也不犯錯(cuò)誤？貝克勒爾的初衷也是證實(shí)彭加勒的設(shè)想，后來(lái)卻否定了它。因此，從錯(cuò)誤的理論出發(fā)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，揭示錯(cuò)誤，走向真理也是科學(xué)研究的一種正常模式。2024/12/619第四章量子2、貝克勒爾的“先驗(yàn)觀念”和居里夫人的新的突破

放射性發(fā)現(xiàn)公布后不久，瑪麗

居里很快投入了這一新的研究領(lǐng)域，她發(fā)現(xiàn)瀝青鈾礦中的放射性比已測(cè)得的鈾的放射性強(qiáng)得多。她大膽假定瀝青鈾礦中存在一種比鈾放射性強(qiáng)得多的未知元素。為了尋找這個(gè)未知元素，她的丈夫皮埃爾

居里通過(guò)繁重的勞動(dòng)，從大量的瀝青礦渣中去提取那個(gè)未知元素，最后發(fā)現(xiàn)了兩種新的放射性元素，一種取名為“釙”（Polorium），以紀(jì)念自己的祖國(guó)——波蘭，另一種取名為“鐳”。2024/12/620第四章量子

居里夫婦繼續(xù)奮斗了近四年，在簡(jiǎn)陋的工棚里，在原始的條件下，歷盡千辛萬(wàn)苦，終于在1902年3月，從數(shù)以噸計(jì)的瀝青鈾礦殘?jiān)刑釤挸?.12克氯化鐳，并測(cè)得了鐳的原子量為225（現(xiàn)公認(rèn)為226），其放射性比鈾強(qiáng)200萬(wàn)倍。1903年，居里夫婦和貝克勒爾共享了諾貝爾物理獎(jiǎng)。1910年完成了她的名著《論放射性》，由于她的杰出貢獻(xiàn)，1911年又榮獲了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。居里夫人成了第一個(gè)兩次獲諾貝爾獎(jiǎng)殊榮的人物。2024/12/621第四章量子射線、

射線和

射線發(fā)現(xiàn)：放射性發(fā)現(xiàn)后不久，英國(guó)劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的研究生盧瑟福也投入了對(duì)放射性的研究，在科學(xué)家的共同努力下，沒(méi)幾年就發(fā)現(xiàn)了天然放射性核素能夠自發(fā)地放出各種射線，從而衰變?yōu)榱硪环N核素，衰變方式很多，放出的射線也有多種，主要的有射線是帶兩個(gè)正電荷的氦核（）；射線是帶負(fù)電荷的高速電子流；

射線是從原子核內(nèi)放出來(lái)的電磁波，它實(shí)際上是一束能量極高的光子流，它的波長(zhǎng)比X射線還要短，穿透本領(lǐng)比X射線更強(qiáng)。

2024/12/622第四章量子放射性應(yīng)用：利用放射性鈷源（60Co）的

射線輻照，可以進(jìn)行食品（如肉類(lèi)、水果等）保鮮、輻照消毒（如對(duì)醫(yī)療器械、流通貨幣等）以及輻照育種等。尤其在醫(yī)藥上利用它來(lái)殺傷人體內(nèi)的腫瘤細(xì)胞，這是目前治療腫瘤的一種常用方法。在發(fā)達(dá)國(guó)家中放射性藥物使用已相當(dāng)普及。在發(fā)展中國(guó)家中，我國(guó)的核醫(yī)藥水平名列前茅。國(guó)內(nèi)已有1000多家醫(yī)院開(kāi)展了放射性藥物的診治工作。影視資料片：放射性2024/12/623第四章量子三、電子的發(fā)現(xiàn)1858年德國(guó)物理學(xué)家普魯克利用蓋斯勒放電管研究氣體放電時(shí)發(fā)現(xiàn)了對(duì)著陰極的管壁上出現(xiàn)了美麗的綠色光輝；1876年德國(guó)物理學(xué)家哥爾德斯坦證實(shí)這種綠色光輝是由陰極上所產(chǎn)生的某種射線射到玻璃上產(chǎn)生的，他把這種射線命名為“陰極射線”。

法國(guó)物理學(xué)家大多認(rèn)為陰極射線是一種電磁波，英國(guó)物理學(xué)家則認(rèn)為是一種帶電粒子流，這一爭(zhēng)論持續(xù)了一、二十年，促使許多物理學(xué)家進(jìn)行很有意義的實(shí)驗(yàn)，推動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展，這場(chǎng)爭(zhēng)論最后由J.J.湯姆遜解決了。2024/12/624第四章量子

J.J.湯姆遜，1856年12月18日生于英國(guó)，1884年任卡文迪許實(shí)驗(yàn)室教授，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室在他的領(lǐng)導(dǎo)下，成了全世界引人注目的物理實(shí)驗(yàn)中心，世界各地的科學(xué)家常來(lái)這里開(kāi)展研究工作，其中有八位后來(lái)獲得諾貝爾獎(jiǎng)，如盧瑟福、威爾遜、巴克拉）、G.P.湯姆遜等，如后表所示，這八位獲獎(jiǎng)?wù)呤撬苯优囵B(yǎng)過(guò)的，

卡文迪許實(shí)驗(yàn)室獲得諾貝爾獎(jiǎng)的共有25人次。2024/12/625第四章量子獲獎(jiǎng)?wù)攉@獎(jiǎng)時(shí)間和獎(jiǎng)項(xiàng)獲獎(jiǎng)原因E.盧瑟福1908化學(xué)獎(jiǎng)研究元素蛻變和放射性化學(xué)W.H.布拉格1915物理學(xué)獎(jiǎng)用X射線法分析晶體結(jié)構(gòu)W.L.布拉格C.G.巴爾克拉1917物理學(xué)獎(jiǎng)發(fā)現(xiàn)元素的特征X射線輻射F.W.阿斯頓1922化學(xué)獎(jiǎng)研究原子的結(jié)構(gòu)和輻射C.T.R.威爾遜1927物理學(xué)獎(jiǎng)用蒸汽凝聚使帶電粒子可見(jiàn)的方法O.W.里查森1928物理學(xué)獎(jiǎng)發(fā)現(xiàn)電子放射決定于溫度的里查森定律G.P.湯姆遜1937物理學(xué)獎(jiǎng)用電子照射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)晶體內(nèi)的干涉現(xiàn)象2024/12/626第四章量子

1897年，J.J.湯姆遜發(fā)現(xiàn)，不管怎樣改變放電管中的氣體的種類(lèi)，也不管怎樣改變電極的材料，陰極射線粒子的荷質(zhì)比始終保持不變，這就意味著陰極射線是一種荷質(zhì)比完全確定的粒子流所組成的，由此斷定，這種粒子應(yīng)是電極材料原子的基本組成部分。1897年8月，J.J.湯姆遜把他的發(fā)現(xiàn)寫(xiě)成論文“陰極射線”，10月發(fā)表在《哲學(xué)雜志》上。2024/12/627第四章量子

1909–1917年間美國(guó)科學(xué)家羅伯特

密立根在利用有名的油滴實(shí)驗(yàn)測(cè)定電子電荷量e值，他以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和追求精確的測(cè)量而受到人們的贊譽(yù)。

1909年密立根油滴實(shí)驗(yàn)證明一切荷電物質(zhì)都只能帶有e的整數(shù)倍的電量，而一個(gè)陰極射線粒子所帶的電量（–e）是負(fù)電荷的最小單位，e/m是不變的，e也不變，表示陰極射線粒子的質(zhì)量m也是確定的，這種粒子便稱(chēng)為電子，因此陰極射線就是高速電子流。2024/12/628第四章量子

電子的發(fā)現(xiàn)再一次否定了原子不可分的觀念，電子是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的微觀粒子，電子的發(fā)現(xiàn)對(duì)原子組成的了解起了極為重要的作用。

J.J.湯姆遜由于發(fā)現(xiàn)電子而于1906年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，J.J.湯姆遜被譽(yù)為“一位最先打開(kāi)通向基本粒子物理學(xué)大門(mén)的偉人”。電子的發(fā)現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)上誘發(fā)了電子時(shí)代的來(lái)臨，1904年，A.弗萊明發(fā)明了二極電子管，1906年，L.德弗萊斯特(L.deForest)發(fā)明了三極管。真空管的發(fā)明，使電力通訊、控制合自動(dòng)化生產(chǎn)很快發(fā)展。晶體管集成電路的發(fā)明，使人類(lèi)進(jìn)入微電子科技時(shí)代。2024/12/629第四章量子三大發(fā)現(xiàn)，使物理學(xué)發(fā)生了深刻的變化：電子比最輕的原子——?dú)湓舆€要輕1836倍；電磁波除有無(wú)線電波、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線，還有波長(zhǎng)更短的X射線；一個(gè)原子在化學(xué)變化中釋放出來(lái)的能量只有幾個(gè)電子伏特eV（），而天然放射性現(xiàn)象中一個(gè)原子放出的能量竟可達(dá)到幾百萬(wàn)電子伏特MeV（）；化學(xué)變化不會(huì)引起原子性質(zhì)的根本變化，然而原子經(jīng)過(guò)放射

或

射線后卻完全變了。2024/12/630第四章量子第二節(jié)量子論和量子力學(xué)的誕生量子論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基石之一。量子論給我們提供了新的關(guān)于自然界的表述方法和思考方法。量子論揭示了微觀物質(zhì)世界的基本規(guī)律，為原子物理學(xué)、固體物理學(xué)、核物理學(xué)和粒子物理學(xué)奠定了理論基礎(chǔ)。它能很好地解釋原子結(jié)構(gòu)、原子光譜的規(guī)律性、化學(xué)元素的性質(zhì)、光的吸收與輻射等。2024/12/631第四章量子一、量子論的初期

1、“量子”概念的提出

熱輻射是19世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新學(xué)科，實(shí)際上就是紅外輻射。這門(mén)學(xué)科發(fā)展的非?？?。美國(guó)人蘭利對(duì)熱輻射做過(guò)很多工作。1881年，他發(fā)明了熱輻射計(jì)，可以很靈敏地測(cè)量輻射能量。1886年，他測(cè)到了相當(dāng)精確的熱輻射能量分布曲線。1859年，德國(guó)物理學(xué)家基爾霍夫證明熱輻射的發(fā)射本領(lǐng)和吸收本領(lǐng)的比值與輻射物體的性質(zhì)無(wú)關(guān)，并提出了黑體輻射的概念。

2024/12/632第四章量子1895年，維恩首先指出，絕對(duì)黑體可以用一個(gè)帶有小孔的輻射空腔（右圖)來(lái)實(shí)現(xiàn)黑體：理想的熱輻射體是“絕對(duì)黑體”，簡(jiǎn)稱(chēng)“黑體”，它是在任何溫度下都能全部吸收落在它上面的一切輻射的理想物體。2024/12/633第四章量子右圖是黑體的單色發(fā)射本領(lǐng)與

、

T關(guān)系的實(shí)驗(yàn)曲線。為了從理論上導(dǎo)出符合實(shí)驗(yàn)曲線的函數(shù)式，19世紀(jì)末，許多物理學(xué)家在經(jīng)典物理的基礎(chǔ)上作了相當(dāng)大的努力，但是他們都遭到了失敗，理論公式和實(shí)驗(yàn)結(jié)果不相符合、其中最典型的是維恩公式和瑞利一金斯公式：2024/12/634第四章量子（1）維恩公式1896年，維恩通過(guò)半理論半經(jīng)驗(yàn)的方法，得到一個(gè)黑體輻射的理論公式為

維恩公式在短波方面與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得很好，但是在長(zhǎng)波方面則理論與實(shí)驗(yàn)不一致。

（2）瑞利–金斯公式1900年，瑞利和金斯根據(jù)經(jīng)典物理中能量按自由度均分原則導(dǎo)出了黑體輻射的理論公式 2024/12/635第四章量子

這公式在波長(zhǎng)很長(zhǎng)的情況下與實(shí)驗(yàn)曲線還比較相近，但是在短波紫外光區(qū)方面，按公式看來(lái)，將趨向無(wú)窮大，完全與實(shí)驗(yàn)曲線不符，這就是物理學(xué)史上著名的“紫外光災(zāi)難”。下圖表示出這兩個(gè)公式（虛曲線）與實(shí)驗(yàn)值（用表示）的比較。2024/12/636第四章量子黑體輻射經(jīng)驗(yàn)定律導(dǎo)致“紫外災(zāi)難”由于瑞利–金斯公式完全是根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)的連續(xù)性原理推導(dǎo)出來(lái)的（經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為熱的輻射和吸收都是完全連續(xù)的過(guò)程），因此，“紫外光災(zāi)難”說(shuō)明經(jīng)典物理學(xué)理論應(yīng)用于熱輻射問(wèn)題上的失敗并不是什么局部的失敗，而預(yù)示著整個(gè)經(jīng)典物理學(xué)連續(xù)性的災(zāi)難，因此，開(kāi)爾文把“黑體輻射實(shí)驗(yàn)看作經(jīng)典物理學(xué)晴朗天空中第二朵烏云”是很恰當(dāng)?shù)摹?024/12/637第四章量子普朗克的能量子德國(guó)著名物理學(xué)家麥克斯

普朗克少年時(shí)就酷愛(ài)科學(xué)和藝術(shù)，中學(xué)畢業(yè)后對(duì)于人生道路的選擇舉棋不定，究竟是為科學(xué)奮斗終身呢，還是獻(xiàn)身于音樂(lè)？普朗克幾度徘徊，反復(fù)思考，最終還是選定了科學(xué)。

2024/12/638第四章量子

1900年10月19日，普朗克在德國(guó)物理學(xué)會(huì)上以《維恩輻射定律的改進(jìn)》為題的論文中提出了新的輻射公式，稱(chēng)為普朗克公式，公式如下：

式中c是光速，k是玻耳茲曼常數(shù)，其值為

h為普朗克常數(shù)，其值為

普朗克公式與實(shí)驗(yàn)完全符合，而且它在短波區(qū)域可以近似化為維恩公式，而在長(zhǎng)波區(qū)域則近似化為瑞利–金斯公式。2024/12/639第四章量子

圖中的熱輻射曲線就是依照普朗克計(jì)及能量子假設(shè)而導(dǎo)出的輻射公式畫(huà)成的，與黑體輻射實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。2024/12/640第四章量子

1900年12月24日，普朗克在法國(guó)物理學(xué)會(huì)的圣誕會(huì)上宣讀了題為《關(guān)于正常光譜的能量分布定律》的論文，提出了與經(jīng)典物理學(xué)格格不入的能量量子化假設(shè)：輻射黑體是由帶電的諧振子組成，這些諧振子的能量只能處于能量子

的整數(shù)倍，即

,2

,3

,4

,

,n

n為正整數(shù)，稱(chēng)為量子數(shù)，對(duì)于頻率為的諧振子來(lái)說(shuō)，能量子為

=hv，式中h是為普朗克常數(shù)。2024/12/641第四章量子普朗克提出能量子假說(shuō)有劃時(shí)代的意義。但是，不論是普朗克本人還是他的同時(shí)代人當(dāng)時(shí)對(duì)這一點(diǎn)都沒(méi)有充分認(rèn)識(shí)。在20世紀(jì)的最初5年內(nèi)，普朗克的工作幾乎無(wú)人問(wèn)津，普朗克自己也感到不安，總想回到經(jīng)典理論的體系之中，企圖用連續(xù)性代替不連續(xù)性。為此，他花了許多年的精力，但最后還是證明這種企圖是徒勞的。2024/12/642第四章量子普朗克的物理思想

德國(guó)物理學(xué)家普朗克對(duì)宇宙本質(zhì)問(wèn)題有濃厚的興趣，他在《科學(xué)自傳》中談到了他從青年時(shí)期起就愛(ài)好科學(xué)的原因。他說(shuō)：“引導(dǎo)我從事科學(xué)研究和從青年時(shí)期起就愛(ài)好它的原因，是一個(gè)不十分自明的事實(shí)，這就是我們的思維規(guī)律和我們從外界接受到的自然過(guò)程的規(guī)律是符合一致的，因而使人們有可能通過(guò)純粹思維對(duì)這種規(guī)律做出解釋。對(duì)此具有重要意義的是，外部世界是我們所面對(duì)的、獨(dú)立于我們而存在的絕對(duì)所在，而探索這種絕對(duì)存在所適用的規(guī)律，我認(rèn)為就是最崇高的科學(xué)研究任務(wù)。”這些話表明了一個(gè)科學(xué)家樸素的唯物主義思想，他堅(jiān)信外部世界是獨(dú)立于我們而存在的客觀存在，他堅(jiān)信真理的客觀性，他認(rèn)為探索這種絕對(duì)存在所適用的規(guī)律是科學(xué)研究的崇高任務(wù)。2024/12/643第四章量子

普朗克早期的物理思想受到克勞修斯的深刻影響。當(dāng)他在慕尼黑大學(xué)學(xué)習(xí)物理和數(shù)學(xué)時(shí)，就以極大的熱情自學(xué)了克勞修斯的名著《熱力學(xué)》。他在1879年完成的博士論文中。對(duì)熱力學(xué)第二定律做了詳細(xì)的論述，但這篇論文并沒(méi)有引起人們的興趣。

但是，這種淡漠的態(tài)度并沒(méi)有阻止他對(duì)熵的研究。他在《科學(xué)自傳》中說(shuō)：“由于深刻體會(huì)到這個(gè)問(wèn)題的重大意義，這種態(tài)度并沒(méi)有阻止我繼續(xù)對(duì)熵進(jìn)行研究，因?yàn)槲野鸯乜醋骱湍芰俊獦?，也是物理過(guò)程最重要的特性。”2024/12/644第四章量子

從1894年起，普朗克把注意力轉(zhuǎn)向黑體輻射問(wèn)題。他為什么對(duì)這一領(lǐng)域發(fā)生興趣了呢?除了上述原因外，還有他對(duì)普適性規(guī)律的追求。通過(guò)熱輻射譜的測(cè)量，他的注意力被引向了基爾霍夫定律，他被基爾霍夫函數(shù)的普適性迷住了。他在《科學(xué)自傳》中談到他的探索動(dòng)機(jī)時(shí)說(shuō)：“這個(gè)所謂的正常的能量分布表明了某種絕對(duì)東西的存在；而且，既然在我看來(lái)對(duì)絕對(duì)事物的尋求永遠(yuǎn)是最美好的研究任務(wù)，因此我就熱心地開(kāi)始探索這個(gè)問(wèn)題?！?024/12/645第四章量子2、光電效應(yīng)（1）光的微粒說(shuō)與波動(dòng)說(shuō)的爭(zhēng)論光的波動(dòng)說(shuō)

法國(guó)哲學(xué)家、物理學(xué)家笛卡兒提出光是某種類(lèi)似壓力的東西，它從發(fā)光物體通過(guò)稀薄的媒質(zhì)傳向四面八方。他的這種思想，為關(guān)于光的波動(dòng)說(shuō)的創(chuàng)立奠定了基礎(chǔ)。意大利的格里馬第對(duì)一細(xì)束日光照射下的小物體進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)光并不嚴(yán)格走直線，因?yàn)樾∥矬w的陰影比假定光走直線預(yù)計(jì)的影子要寬一些，而且陰影的邊緣外側(cè)出現(xiàn)平行的色帶。他還從光連續(xù)通過(guò)兩個(gè)小圓孔后在屏上的影子，也發(fā)現(xiàn)類(lèi)似現(xiàn)象，屏上的亮盤(pán)也比假定光走直線畫(huà)出的直徑要大。在這些觀察的基礎(chǔ)上，他提出了光是一種能夠作波浪狀運(yùn)動(dòng)的精細(xì)流體。2024/12/646第四章量子

英國(guó)物理學(xué)家胡克在1665年出版的《顯微術(shù)》一書(shū)中，主張光是一種振動(dòng)。他寫(xiě)道：“在一種媒質(zhì)中，這一運(yùn)動(dòng)在各個(gè)方面都以相等的速度傳播。所以發(fā)光體的每一個(gè)脈動(dòng)或振動(dòng)都必將形成一個(gè)球面，這個(gè)球面將不斷增大，就如同把一石塊投入水中后在水面引起越來(lái)越大的環(huán)狀波一樣。由此可見(jiàn)，在均勻媒質(zhì)中擾動(dòng)起來(lái)的這些球面的一切部分都與射線成直角?！焙商m物理學(xué)家惠更斯是光的波動(dòng)說(shuō)的莫基人。提出了著名的“惠更斯原理”。2024/12/647第四章量子光的微粒說(shuō)：牛頓是微粒說(shuō)的代表。

光的波動(dòng)說(shuō)的復(fù)興：

19世紀(jì)，由于英國(guó)物理學(xué)家托馬斯·楊和法國(guó)物理學(xué)家菲涅爾等人的工作，光的波動(dòng)說(shuō)又得以復(fù)興。解釋了托馬斯·楊兩孔干涉、牛頓環(huán)、細(xì)絲衍射、圓孔衍射、圓板衍射等現(xiàn)象。赫茲于1886～1888年，以實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在，光是電磁波的一種形式，證明電磁波確實(shí)同光一樣，能夠產(chǎn)生反射、折射、干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象。光的波動(dòng)說(shuō)進(jìn)入全盛時(shí)期，光的微粒說(shuō)走向了衰敗。2024/12/648第四章量子光的量子說(shuō)

1905年，普朗克收到了愛(ài)因斯坦的一篇論文，題目叫做《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)》，他在論文里提出了“光量子”對(duì)光電效應(yīng)的一種新解釋?zhuān)绽士丝赐暾撐闹?，立即給這位素不相識(shí)的青年人寫(xiě)信表示祝賀，愛(ài)因斯坦的論文發(fā)表后，在物理學(xué)界再次引起很大震動(dòng)。

普朗克榮獲1918年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，愛(ài)因斯坦也因此榮獲1921年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。從此，人們對(duì)普朗克的量子論也另眼相待了。2024/12/649第四章量子光電效應(yīng)：當(dāng)紫外光之類(lèi)的光照射到鋅板之類(lèi)的金屬板的表面上時(shí)，從金屬里會(huì)有電子跑出來(lái)。隨著研究的深入，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)：被紫外光照射后鋅板多少總能發(fā)射出一些電子來(lái)，不論紫外光的強(qiáng)度有多弱；同樣一塊鋅板如果用紅光去照射，不管紅光有多少?gòu)?qiáng)，也別想打出一個(gè)電子來(lái)！2024/12/650第四章量子按照經(jīng)典物理學(xué)的觀點(diǎn)，光能夠把電子從金屬原子中打出來(lái)，是因?yàn)楣鈱⒆约旱哪芰拷唤o了電子，光的能量與光的強(qiáng)度的平方成正比，按此道理，紅光比紫光強(qiáng)，它所攜帶的能量多，就應(yīng)該打出更多、更快的電子來(lái)，可是，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象完全與此相反，這可把物理學(xué)家難住了。光子學(xué)說(shuō)：愛(ài)因斯坦假定電磁場(chǎng)能量本身是量子化的，而且對(duì)于頻率為

的電磁場(chǎng)的能量單位是h

。這種一份一份的電磁輻射能，被稱(chēng)作“光子”。利用光子的能量關(guān)系式，光電效應(yīng)就很容易解釋了。光子的能量只與它的頻率有關(guān)，而與光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)，紫外光頻率高，能量大，能把電子打出來(lái)；紅光頻率低，能量小，它的光子的能量達(dá)不到打出電子的最低要求，所以紅光強(qiáng)度再大也無(wú)濟(jì)于事。影視資料片：光電效應(yīng)2024/12/651第四章量子

愛(ài)因斯坦用“光量子”成功地解釋了光電效應(yīng)，恢復(fù)了光的粒子性。但是，光量子假說(shuō)，并不是簡(jiǎn)單地回到牛頓的微粒說(shuō)，也不是對(duì)波動(dòng)說(shuō)的全盤(pán)否定。

1909年，愛(ài)因斯坦說(shuō)：“不可否認(rèn)的是，有關(guān)黑體輻射的實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，光所具有的一些基本性質(zhì)從牛頓的微粒說(shuō)去理解要比從波動(dòng)說(shuō)去理解容會(huì)的多。因此我認(rèn)為，在理論物理發(fā)展的下一階段，將會(huì)出現(xiàn)一種關(guān)于光的理論，根據(jù)這種理論，光可以被看作是波動(dòng)說(shuō)和微粒說(shuō)的融合，我們關(guān)于光的本性和光的結(jié)構(gòu)的看法將有一個(gè)深刻的改變將是不可避免的了。”

對(duì)于光的認(rèn)識(shí)，不能把粒子性和波動(dòng)性看成是此孤立的、互不相容的，應(yīng)該全面地、辯證地認(rèn)識(shí)光的本性。這也是關(guān)于光的本性爭(zhēng)論歷史所給予我們的啟示。2024/12/652第四章量子3、玻爾的氫原子理論

一般以普朗克宣布其能量子概念的1900年12月14日作為量子物理的誕生日，拉開(kāi)了量子革命的序幕。可以把量子論的發(fā)展歷史劃分成三個(gè)時(shí)期。舊量子論：1900年普朗克提出能量子概念，1905年愛(ài)因期坦發(fā)展而建立光量子理論，1913–1916年形成玻爾–索末菲原子理論。2024/12/653第四章量子（1）盧瑟福原子結(jié)構(gòu)的行星式模型湯姆生原子模型湯姆生棗糕模型：原子的正電荷是均勻分布在整個(gè)原子球體內(nèi)的，而電子是一個(gè)個(gè)嵌在其中，并保持整個(gè)原子的電中性。

2024/12/654第四章量子粒子散射實(shí)驗(yàn)α粒子轟擊金箔后絕大多數(shù)α粒子穿過(guò)金箔后仍沿原來(lái)的方向前進(jìn)，少數(shù)以粒子卻發(fā)生了較大的偏轉(zhuǎn)，并且有極少數(shù)粒子偏轉(zhuǎn)角超過(guò)了90度，有的甚至被彈回，偏轉(zhuǎn)角幾乎達(dá)到180度。根據(jù)湯姆遜模型計(jì)算的結(jié)果，α粒子穿過(guò)金箔后偏離原來(lái)方向的角度應(yīng)該是很小的。因?yàn)殡娮拥馁|(zhì)量很小，不到α粒子的七千分之一，α粒子碰到它，就像飛行著的子彈碰到一粒塵埃一樣，運(yùn)動(dòng)方向不會(huì)發(fā)生明顯的改變；而正電荷又是均勻分布的，α粒子穿過(guò)原子時(shí)，它受到的原子內(nèi)部?jī)蓚?cè)正電荷的斥力相當(dāng)大一部分互相抵消，使α粒于偏轉(zhuǎn)的力不會(huì)很大。

2024/12/655第四章量子盧瑟福在1911年提出了如下的原子核式結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)：在原子的中心有一個(gè)很小的核，叫做原子核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里，帶負(fù)電的電子在核外空間里繞著核旋轉(zhuǎn)。原子核所帶的單位正電荷數(shù)等于核外的電子數(shù)，所以整個(gè)原子是中性的。電子繞核旋轉(zhuǎn)所需的向心力就是核對(duì)它的庫(kù)侖引力。2024/12/656第四章量子1、原子坍塌，電子繞核做橢圓運(yùn)動(dòng)，這是一種加速運(yùn)動(dòng)，按經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)理論電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中必然輻射能量，電子能量逐漸減少，軌道半徑隨之變小，只要10-8秒，電子就會(huì)落到核上，發(fā)生坍塌；2、是在坍塌前原子連續(xù)輻射，應(yīng)得連續(xù)的原子光譜。實(shí)際上，原子沒(méi)有發(fā)生坍塌；實(shí)驗(yàn)上，原子光譜是分立的線光譜。

盧瑟福在倫敦出版的《哲學(xué)雜志》上向物理學(xué)家宣布了他的原子模型，但是當(dāng)時(shí)他的模型根本沒(méi)有引起學(xué)術(shù)界的關(guān)注，相反的，大多數(shù)理論家和實(shí)驗(yàn)家對(duì)他不以為然，因?yàn)楸R瑟福提出的原子核式模型與經(jīng)典物理理論之間存在著尖銳矛盾。矛盾有二個(gè)：

2024/12/657第四章量子

按照經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)，原子是不穩(wěn)定的，電磁輻射譜線是連續(xù)，這些都違背客觀事實(shí)。原子光譜是分立的線光譜2024/12/658第四章量子

誰(shuí)是盧瑟福瀕臨失敗的原子模型的救星呢？年輕的哥本哈根大學(xué)哲學(xué)博士尼爾斯·玻爾

玻爾玻爾著眼于原子的穩(wěn)定性，吸取了普朗克和愛(ài)因斯坦的量子概念，于1913年考慮氫原子中電子圓形軌道運(yùn)動(dòng)，提出原子結(jié)構(gòu)的玻爾理論。2024/12/659第四章量子

玻爾原子理論中有三條假定：(1)定態(tài)假定：存在一系列原子定態(tài)，處在定態(tài)中的電子雖做相應(yīng)的軌道運(yùn)動(dòng)，但不發(fā)射電磁波；(2)角動(dòng)量量子化：做定態(tài)運(yùn)動(dòng)電子的角動(dòng)量量子化了，其值只能為h／2π的整數(shù)倍；(3)頻率假定：僅當(dāng)原子中的電子從一定態(tài)躍遷到另一定態(tài)時(shí)，才能發(fā)射或吸收一個(gè)相應(yīng)的光子。

玻爾原子理論解決了困繞物理學(xué)界20年之久的原子穩(wěn)定性問(wèn)題，以及光譜規(guī)律與原子結(jié)構(gòu)的本質(zhì)聯(lián)系問(wèn)題，這是原子理論和量子理論發(fā)展中的一個(gè)重要里程碑。2024/12/660第四章量子

在玻爾量子理論取得輝煌成就的同時(shí)，遇到了越來(lái)越多的困難。困難1：玻爾量子論不能解釋氦(He)原子光譜，不能解釋反常塞曼效應(yīng)，不能解釋光譜線的亮度；困難2：玻爾量子理論帶著鮮明的經(jīng)典理論烙印，具有難以解脫的內(nèi)在軟弱性。玻爾將經(jīng)典概念──電子軌道引入原子中，卻認(rèn)為電子繞核運(yùn)動(dòng)不輻射能量，玻爾理論找不到不輻射能量的恰當(dāng)理由；它說(shuō)明了光子的起源，卻無(wú)法說(shuō)明光子的產(chǎn)生過(guò)程。玻爾量子理論的缺陷2024/12/661第四章量子二、量子論的建立

1、德布羅意與物質(zhì)波

1924年德布羅意提出物質(zhì)波假設(shè)：邏輯思維：自然界在許多方面是顯著地對(duì)稱(chēng)的→我們可以觀察到的宇宙全是有光和實(shí)物組成的→如果光具有波粒二重性，則實(shí)物或許也有這種二重性。物質(zhì)波：光：2024/12/662第四章量子

德布羅意提及按照物質(zhì)波假設(shè)，玻爾原子理論關(guān)于角動(dòng)量的量子化條件與駐波條件相等效。用駐波譬喻物質(zhì)波之行狀的方式帶有早期量子論的色彩，與玻爾原子理論一樣是半經(jīng)典的；然而，用它來(lái)表明物質(zhì)波概念綜合描述了物質(zhì)的連續(xù)性和分立性，還是相當(dāng)形象化的。2024/12/663第四章量子光的波粒二重性：光的波動(dòng)性：光波有干涉、衍射等效應(yīng)，光的粒子性：康普頓散射、光電效應(yīng)等。

愛(ài)因斯坦正因他的光量子論能夠很好地解釋光電效應(yīng)而獲得諾貝爾