光量子的发现与能量子在物理学中的关键作用

能量子的发现

革命性影响现代物理学的发展

普朗克能量子假说对物理学的发展有着不可估量的重大意义，正如爱因斯坦所评价的：“这一发现成为20世纪整个物理学研究的基础，从那个时候起几乎完全决定了物理学的发展。要是没有这一发现，那就不可能建立起分子、原子以及支配它们变化的能量过程的有用理论。”

量子原子结构

普朗克

能量子是指携带能量而没有质量的基本微粒，比如可以看到的光子和看不到的辐射微波等，而能量也是反映能量子运动能力的量度。能量子的积聚组合形成了新的“超重能量子”，并出现了质量，比如夸克的凝聚，在形成“超重能量子”时出现了结构“缺陷”，所以有了物质与“反物质”，比如像正电子、负电子、中微子等粒子。1900年12月14日，德国物理学家普朗克向柏林物理学会提出了能量子假说，冲击了经典物理学的基本概念，使人类对微观领域的奇特本质有了进一步的认识，对现代物理学的发展产生了重大的革命性的影响。普朗克从孩提时代就热爱物理。在小学时，他的老师说：“想象一下，一个工人举起一块重石，奋力顶住它，把它放在屋顶上，他做功的能量没有消失。多年以后，也许有一天，石头掉下来砸了某人的头。”还是孩子的普朗克被这个物理中能量守恒定律的例子震惊了，就像某个人被落下的石头砸着了那样令人难忘，这使他萌生了以后成为一个物理学家的想法。1867年普朗克考入古典马可西米连大学预科学校。在数学家赫尔曼·米勒尔的悉心指导下，普朗克显露了数学方面的才能。19世纪，由于冶金以及照明设备制造等的需要，人们急需找到黑体辐射强度和辐射频率的关系。1889年卢默与鲁本斯通过研究空腔辐射得出了黑体辐射光谱的实验数据。但是，单使用实验数据找对应点的方法十分不便，于是，人们开始了寻找一般的公式，但推出的诸多公式都于实验数据相违背。1900年，瑞利根据经典统计力学推出了一个公式，即瑞利—金斯公式，但是这种用于计算黑体辐射强度的瑞利—金斯定律在辐射频率趋向于无穷大时，计算结果和实验数据无法吻合。1911年奥地利物理学家埃伦费斯特用“紫外灾难”来形容经典理论的困境。解开令人困惑的“紫外灾难”之谜的就是物理学家普朗克。他自1894年开始研究黑体辐射问题，起初只是一个简单的想法支配他：如果能像瑞利—金斯那样通过另一途径把玻尔兹曼定律和维恩公式结合起来，也许会获得一些合理的东西。普朗克是理论物理学家，但他并不闭门造车，而是密切注意实验的进展，并保持与实验物理学家的联系。正当他准备重新研究维恩分布定律时，他的好友实验物理学家鲁本斯告诉他，自己新近红外测量的结果，确证长波方向能量密度ρ与绝对温度T有正比关系，并且告诉普朗克说,“对于最长波长，瑞利提出的定律是正确的。”这个消息是在1900年德国物理学会开会前几天才告诉普朗克的。它立刻引起了普朗克的重视。他试图找到一个公式，把代表短波方向的维恩公式和代表长波方向的实验结果综合在一起，他应用娴熟的数学技巧，借助内插法，经过一系列的推导，得到以后非常著名的新公式即普朗克辐射定律，和维恩公式相比，仅在指数后面多了一个（-1）。普朗克在物理学的会议上公布了这一结果。鲁本斯连夜做实验，发现在任何情况下这一公式都与实验结果符合的相当好。他满心喜悦地把这个振奋人心的消息告诉了普朗克。普朗克感到欢欣鼓舞，他没有想到：这个靠内插法“侥幸揣测出来”的公式，竟然取得如此巨大的成功！普朗克并没有满足。他深信，在这个公式的背后一定蕴涵着深刻的物理意义。普朗克后来回忆说:“即使这个新的辐射公式证明是绝对精确的，如果仅仅是一个揣测出来的内插公式，它的价值也只能是有限的。因此，从1900年10月19日提出这个公式开始，我就致力于找出这个公式的真正物理意义。”普朗克面临的考验是：作为旧理论体系的奴隶呢，还是尊重事实，大胆创新呢？普朗克后来说“经过一生中最紧张的几星期的工作”自然规律迫使他做出“孤注一掷的行动”，他采用了玻尔兹曼建立熵与几率联系的统计方法，得到主要结果。1900年12月14日，普朗克在德国物理学会上宣读了论文《关于正常光谱的能量分布定律的理论》，提出了令人惊讶的能量子假说。(www.xing528.com)

1905年爱因斯坦提出光量子假说成功地解释了光电效应。1906年他又将量子理论运用到固体比热问题，获得成功。1913年玻尔将量子理论引入原子结构理论中，克服经典物理学解释原子稳定性的困难，建立了他的原子结构模型，取得了原子物理的进展。1922年康普顿通过实验最终使物理学家们确认光量子图景的实在性。量子论得到科学家的普遍认可。

普朗克曲线图

普朗克提出量子假说具有划时代的意义，它冲击了经典物理学长期信奉的一切自然过程都是连续的这条原理。量子论是现代物理学的两大基石之一，它为我们提供了新的关于自然界的表述方法和思考方法，揭示了微观物质世界的基本规律，为原子物理学，固体物理学，物理学和粒子物理学奠定了理论基础，它能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收与辐射等。纵观今日的物理学，我们可以看到，几乎所有的物理学领域的发展都是在量子概念基础上衍生出来的，甚至在众多与物理学有关的相交叉的核学科领域，如量子化学、量子生物、量子宇宙学等无一不是立足于量子这块奠基石上的建筑。整个20世纪物理学的发展确切无疑地证明了普朗克当年所提出的“能量子将在物理学中起根本性的作用”这一断言。

能量子的应用

丹麦物理学家玻尔首次将量子假设应用到原子中，并对原子光谱的不连续性做出了解释。他认为，电子只在一些特定的圆轨道上绕核运行。在这些轨道上运行时并不发射能量，只当它从一个较高能量的轨道向一个较低轨道跃迁时才发射辐射，反之吸收辐射。这个理论不仅在卢瑟福模型的基础上解决了原子的稳定性问题，而且用于氢原子时与光谱分析所得的实验结果完全符合，因此引起了物理学界的震动。玻尔指导了19世纪20年代的物理学家理解量子理论听起来自相矛盾的基本结构。