量子力学是怎样产生的

金仲辉

读者李强问：“八年级下学期我们学习了力学，老师告诉我们.目前所学的力学知识都属于经典力学的范畴，在经典力学之外还有量子力学，我想了解一下.量子力学是怎样产生的？它都有哪些应用？”

量子力学是高等教育阶段物理专业课程.但是利用我们初中所学的物理知识也可以初步理解其中的内容.这对提高我们物理学习的兴趣大有帮助，本期我们介绍一下量子力学是怎样产生的.下一期我们将介绍量子力学的典型应用.

量子力学产生的前奏是关于黑体辐射的研究，我们首先来了解热辐射现象和黑体的概念.将一根铁条放入炉火中.起初温度不太高时，我们看不到铁条发光.却可以感受到它辐射出来的热量：当温度达到500℃左右时，铁条开始发出可见光：随着温度逐渐升高，不但光的强度逐渐增大.光的颜色也由暗红变为橙色.我们在课堂上学过可见光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种色光组成，它们的波长逐渐变短.铁条发出光的颜色变化.说明随着铁条温度的升高.它所发出的可见光的波长逐渐变短.如同加热铁条这种由于物体自身具有一定的温度而辐射出电磁波的现象被称为热辐射.需要指出的是，热辐射不一定需要高温.实际上，任何温度（室温或更低）的物体都可以发出热辐射，只不过在低温下热辐射不强，且辐射出的主要是红外线.红外夜视仪就是利用了这个原理，

所谓黑体，是一种理想的吸收体，它能吸收照射到其上的一切辐射能，黑体在自然界并不存在，它和推导牛顿第一定律所引入的光滑水平面概念一样，只是一种理想化的模型，但我们可以制造出接近于黑体的模拟物.用任何物体做成一个有很小开口的空腔（图1）就是一个相当理想的黑体，这是因为.光线进入这个小孔后.在空腔内壁不断反射.重新从小孔射出的机会极小，即使有机会从小孔射出，由于经历了多次反射也几乎损失了全部能量.对空腔外的观察者来说.小孔几乎吸收了照射到其上所有波长的辐射能，故整个空腔可看作黑体，理想黑体可以吸收所有照射到它表面的电磁辐射.并将这些辐射转化为热辐射.黑体所辐射出的电磁波波长只和温度有关，而与黑体的材质无关.

19世纪末，德国和英国钢铁工业的发展.大大促进了对黑体辐射的研究.并将研究成果应用于生产，如通过测量钢水所发出光的波长可以测量钢水的温度.就像我们研究物体运动规律所作出的速度，时间曲线一样，不少物理学家通过实验作出了波长.温度曲线.并提出自己的理论对曲线进行解释.其中科学家维恩所提出的维恩公式在短波波段与实验结果吻合较好，但在长波波段偏离较大，而科学家瑞利和金斯提出的瑞利.金斯公式却相反，在长波波段符合得很好.但在短波波段偏离极大.总之，从已知的物理学角度出发得出的理论.无法完全解释黑体辐射实验曲线.

德国物理学家普朗克对黑体辐射的研究非常实际.他利用数学方法将适用于短波波段的维恩公式和适用于长波波段的瑞利.金斯公式衔接起来，得到了一个完全符合观测数据的经验公式，但是普朗克并不满足于他侥幸揣测出来的经验公式，立即致力于寻求这个公式的真正物理意义，最终他发现，不跳出已有的物理学框架是无法解决这个问题的.为此.他提出了能量量子假设，普朗克认为黑体吸收发射的电磁辐射能量是不连续的，每次能量改变值也只能是占的整数倍，ε和辐射电磁波频率"有如下关系ε=hv，式中h≈ 6.626x10^-34J.s.称为普朗克常数.普朗克常数已成为现代物理学的重要常数之一.在普朗克和之后科学家的不断深入研究下.充分证明了能量量子假设的正确性，

普朗克能量量子假设是一个伟大发现.但是这个伟大发现的真正意义在较长时间内没有被人理解，因为从传统物理学的观点来看，能量量子假设简直是不可思议的，能量取值怎么可能是不连续的呢？例如，在力学中，一个力由小变大.力的取值就是连续的.总之.在物理学这个伟大变革面前人们还没有做好充分思想准备.就连普朗克本人也一度对能量量子假设抱怀疑的态度.想尽量缩小与经典物理学之间的矛盾，但他的种种努力都失败了，最后普朗克不得不承认：“我企图设法使这个基本作用量子与经典物理学理论相适应.我这种徒劳无益的企图曾经持续了许多年.花费了我很多心血，”

普朗克的能量量子假设将现代物理学舞台的帷幕拉开.从此物理学经历了一场极为深刻的变化.尤其是上世纪20～30年代量子力学的建立，为许多领域带来丰硕的成果.这些成果大大影响了人类的生活.可以毫不夸张地说.没有量子理论就没有我们今天的便利生活，所以将普朗克称为“量子力学之父”是不为过的，普朗克憑借他的能量量子假设成为1918年诺贝尔物理学奖的获得者，

责任编辑 林洋