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量子力学有哪些关键现象?

2011-08-09 16:07:16 本文行家:魏小莱

量子力学是研究微观粒子的运动规律的物理学分支学科,它主要研究原子、分子、凝聚态物质,以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论,它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。


量子力学量子力学

光与物质的相互作用

       黑体辐射

  氢原子的电子云的概率密度:从上向下为主量子数n(1、2、3),从左向右为方位角量子数l(s、p、d)

  19世纪末,许多物理学家对黑体辐射非常感兴趣。黑体是一个理想化了的物体,它可以吸收,所有照射到它上面的辐射,并将这些辐射转化为热辐射,这个热辐射的光谱特征仅与该黑体的温度有关。使用经典物理这个关系无法被解释。通过将物体中的原子看作微小的谐振子,马克斯·普朗克得以获得了一个黑体辐射的普朗克公式。但是在引导这个公式时,他不得不假设这些原子谐振子的能量,不是连续的(这是经典物理学的观点),而是离散的:

  En=nhν

  这里n是一个整数,h是一个自然常数。(后来证明正确的公式,应该以n+1/2来代替n,参见零点能量)。1900年,普朗克在描述他的辐射能量子化的时候非常地小心,他仅假设被吸收和放射的辐射能是量子化的。今天这个新的自然常数被称为普朗克常数来纪念普朗克的贡献。

  光电效应

  1905年,阿尔伯特·爱因斯坦通过扩展普朗克的量子理论,提出不仅仅物质与电磁辐射之间的相互作用是量子化的,而且量子化是一个基本物理特性的理论。通过这个新理论,他得以解释光电效应。海因里希·鲁道夫·赫兹和菲利普·莱纳德等人的实验,发现通过光照,可以从金属中打出电子来。同时他们可以测量这些电子的动能。不论入射光的强度,只有当光的频率,超过一个临限值后,才会有电子被射出。此后被打出的电子的动能,随光的频率线性升高,而光的强度仅决定射出的电子的数量。爱因斯坦提出了光的量子(光子这个名称后来才出现)的理论,来解释这个现象。光的量子的能量为

  在光电效应中这个能量被用来将金属中的电子射出(逸出功)和加速电子(动能):E=hv

  这里m是电子的质量,v是其速度。假如光的频率太小的话,那么它无法使得电子越过逸出功,不论光强有多大。

  原子结构

  20世纪初卢瑟福模型是当时被认为正确的原子模型。这个模型假设带负电荷的电子,像行星围绕太阳运转一样,围绕带正电荷的原子核运转。在这个过程中库仑力与离心力必须平衡。但是这个模型有两个问题无法解决。

  首先,按照经典电磁学,这个模型不稳定。按照电磁学,电子不断地在它的运转过程中被加速,同时应该通过放射电磁波丧失其能量,这样它很快就会坠入原子核。其次原子的发射光谱,由一系列离散的发射线组成,比如氢原子的发射光谱由一个紫外线系列(赖曼系)、一个可见光系列(巴耳末系)和其它的红外线系列组成。按照经典理论原子的发射谱应该是连续的。

  1913年,尼尔斯·玻尔提出了以他命名的玻尔模型,这个模型为原子结构和光谱线,给出了一个理论原理。玻尔认为电子只能在一定能量En的轨道上运转。假如一个电子,从一个能量比较高的轨道(En),跃到一个能量比较低的轨道(Em)上时,它发射的光的频率为力学。

  通过吸收同样频率的光子,可以从低能的轨道,跃到高能的轨道上。

  玻尔模型可以解释氢原子,改善的玻尔模型,还可以解释只有一个电子的离子,即He+,Li2+,Be3+等。但无法准确地解释其它原子的物理现象。

  物质衍射

  1919年克林顿·戴维森等人,首次成功地使用电子进行了衍射试验,路易斯·德布罗意由此提出粒子拥有波性,其波长与其动量相关力学 。

  简单起见这里不详细描写戴维森等人的试验,而是描写电子的双缝实验。通过这个试验,可以非常生动地体现出多种不同的量子力学现象。

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