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第4章(第1页)

量子力学是一种基础理论,在20世纪被物理学家用来描述原子和亚原子现象。它还成功地广泛运用于观察一系列宇宙图片。

虽然量子力学借鉴了牛顿力学的一些观念,即早先的物理现象,然而与牛顿力学本质上是不同的。比如,在牛顿物理学中,数量是被认为持续可变的,在一定范围内可取任何值。另一例子是角动力,即粒子被一中心吸引沿圆形轨道旋转,它与速度乘以中心距粒子的距离值成正比。因为牛顿力学中距离可以取任何值,所以角动力也是如此。另一方面,在量子力学中,角动力常常被规定成某些离散值,这些离散值的比率是简单的有理数。

量子力学和早先的物理理论更本质的区别在于用一种可能性,即用一种基本思维来解释量子力学如何来诠释这个世界。这就很明显是在用量子力学和牛顿力学来预测未来。牛顿力学中描述的一些事物,如太阳系,如果能一次性精确测量出,那么对于太阳系未来动向的精确预测是有可能的。在量子力学的描述中,甚至对一个简单的单电子原子都能精确预测出其诸多行为的可能性。对不稳定的放射性核的描述就能说明这一点。当单个的核子衰变时,量子力学就不能进行预测,尽管如此,如果搜集了许多相同的原子核,那么能指出何时这个核子会衰变。这个量子力学的新现象被一些知名物理学家,如艾伯特•爱因斯坦所抵制。不管怎样,它的出现成为原子与亚原子水平上不可忽视的一个特征。

早期发展:普朗克的成果

历经30多年的时间,量子力学蓬勃发展,期间成功地解释了多个物理现象。第一个量子理论用来分析电磁辐射是如何产生的。1900年,马克思•普朗克(axplanck)做到了。普朗克尝试研究在不同的频率下,热的物体辐射的分布,比如太远的表面。根据观察结果他得出结论,辐射不是持续发出的,就像早先认为的一样。相反,辐射是以一种被他称为量子的离散量发出的。对于这些量子、频率f和能量释放量e之间往往存在一种关系,即e=hf。这里的h就是被普朗克引入的普适常数,现在以他的名字命名。普朗克常数以时间乘以能源为单位,其数值接近663&tis;10(-34)焦耳秒。普朗克分析结果的独特之处在于,这个公式能够表达出任何频率下的物体的辐射量。这个联系,即黑体分布,和实验结果相一致。

在普朗克的理论中,量子的性质是十分神秘的。这个谜于1905年被爱因斯坦解开,他提出光本身就是一个由单个套件组合的能源,后来被称为光子。爱因斯坦还提到光的频率与光子合成的能量有关,这是根据普朗克公式得出的。爱因斯坦的光量子概化理论被许多与他同时代的科学家所排斥,其中包括普朗克。而后,被罗伯特•密立根(robertillikan)的光电效应实验证实,并且阿瑟•康普顿(arthurpton)从康普顿现象中发现了这一理论,并且用电来进行光子散热。

另一个具有代表性的早期量子运用的想法是尼尔斯•波尔(nielsbohr)提出来的,1913年他提出一个假设,氢原子的电子角动力只能有一个值,这个值即普朗克常数的整数倍除以2π,那么它可以派生出由原子发出的光的频率。波尔理论暗示了只有特定的能量值,电子才可能存在于原子中,即如果有一个最小值,那么在这种最小值的状态下,电子是无法放射能量的。这个结果帮我们解释了原子如何能够保持稳定,也说明了一个元素的所有原子如何有一样的化学性质。然后,他证明了波尔理论对于原子的拓展要比氢气复杂得多。而且,牛顿定理和量子理论的奇怪组合让物理学家很难取舍,到底该遵循哪一个物理原理。

量子力学形式

实际的量子力学的发展,即数学的理论,于1924年到1927年才开始。起初,有两种看起来不相同的途径:一是维尔纳•海森堡(wernerheisenberg)发现的矩阵力学和欧文•薛定谔(erschrodr)发现的波动力学。然而,事实表明这是一个单独理论的两个不同方面,后来被称为量子力学。这个没有被定义的现象是被保罗•狄拉克(pauldirac)发现的。在矩阵力学中,物理量如粒子的位置,不是用数字表示,而是用数学量来表示,如矩阵。矩阵力学对于处理相应能量水平的小数的情况有用,如在磁场中的定角动力。

波动力学对于能量水平的数目无限大的情况更有用,如原子中的电子。这个是建立在路易斯•德布洛意(louisdebroglie)的早期理论之上的,即粒子如电子与它们的联系成波状。波的波段(h)、伽玛(&gaa;)与质量()和速度(v)有联系,粒子与伽玛的联系是&gaa;=hv。这可以推断出电子以十分之一光速移动,如电视显像管产生的那些,波长大约10(-10)米,或者约为在透明固体中原子之间的距离。德布洛意的预测被克林顿•戴维斯森(cltondavisn)和乔治•汤姆斯(ethon)证实。他们让电子波穿过了金属球,随即产生了衍射图案,跟x射线产生的一样。

1925年,欧文•薛定谔发展了方程式,现在以他的名字命名。这个方程式描述了电子如何与波动联系起来或者其他亚原子粒子在各种不同作用力的影响在空间和时间中的运动情况。这个方程式有多种解答方式,而且薛定谔强调对于一个粒子系统,其解答结果必须满足任何位置。当遇到电子在氢原子中的情况时,薛定谔方程式能马上给出准确的能量值,像以前波尔算出的一样,这个方程式能适应更复杂的原子,甚至完全没有被原子束缚的粒子。在很多例子中发现薛定谔方程式能给出粒子行动的准确描述,也证实了粒子没有在接近光的速度下运动。

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