量子力学的产生与发展

1．量子力学的产生与发展

19世纪末期，经典物理学已经发展得相当完善，取得了一系列重大成果。就在这时，相继出现了许多经典理论无法解释的现象。为此，德国物理学家维恩通过热辐射能谱的测量，发现了热辐射定理。德国物理学家普朗克为了更好地解释热辐射能谱，作出了一个大胆的假设：在热辐射的产生与吸收过程中，能量是以hγ为最小单位一份一份交换的。实际上，这个能量量子化的假设，虽然强调了热辐射能量的不连续性，但是与辐射能量和频率无关的由振幅确定的基本概念互相矛盾，所以很难纳入任何一个经典范畴。当时，仅仅有极少数科学家对这个问题进行了深入研究。

普朗克

1905年，著名科学家爱因斯坦以“能量子”概念为基础提出，辐射能量本来就是一份一份的，每一份都有一个物质承担者——光量子，并给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长的关系，从而成功地解释了光电效应。美国物理学家密立根于1916年发表了光电效应实验结果，进一步验证了爱因斯坦的光量子说。

1912年，玻尔根据普朗克的量子论、爱因斯坦的光子学说及卢瑟福原子核式模型，成功地推导出了能够满足氢原子光谱线的公式。后来，丹麦物理学家玻尔于1913年建立了原子的量子量论。他以量子论为根据，发现原子中的电子只能在分离的轨道上运动，原子具有确定的能量，其所处的这种状态叫做“定态”，再加上原子只能从一个定态到另一个定态，才能吸收或辐射能量。

爱因斯坦

由于量子论具有深刻的内涵，为此，以玻尔为代表的哥本哈根学派对它进一步地深入研究。他们的贡献非常大。例如，矩阵力学、对应原理、不相容原理、测不准关系、互补原理等等。

美国物理学家康普顿于1923年4月发表了关于X射线被电子散射所引起的频率变小现象的研究成果，也就是所谓的康普顿效应。按照经典波动理论，静止物体对波的散射是不会改变频率的。但是如果按爱因斯坦光量子来说，这是由两个“粒子”碰撞而引起的结果。由于光量子在碰撞的时候，不仅能够传递能量，还可以将动量传递给电子。

美籍奥地利物理学家泡利于1924年发表了“不相容原理”，其内容是这样的：原子中不能有两个电子同时处于同一量子态。这一原理能够对原子中电子的壳层结构进行解释。实际上，这一原理适用于所有实体物质的基本粒子（通常称之为费米子，如质子、中子、夸克等），而且还构成了量子统计力学，即费米统计的基点。泡利为了解释光谱线的精细结构与反常塞曼效应，建议对于原子中的电子轨道态，除了已有的与经典力学量（能量、角动量及其分量）对应的三个量子数之外，还需要引进第四个量子数。后来，这一量子数被称为“自旋”，是用来表述基本粒子一种内在性质的物理量。就在这一年，法国物理学家德布罗意提出了表达波粒二象性的爱因斯坦——德布罗意关系，表达式为E＝hV，p＝h／λ，这样一来，便可以将表征粒子性的物理量能量、动量与表征波性的频率、波长通过一个常数h来变成一个等量。

泡利

德布罗意

后来，德国物理学家海森伯和玻尔于1925年建立了量子理论第一个数学描述，即矩阵力学。奥地利科学家于1926年，提出了描述物质波连续时空演化的偏微分方程，即薛定谔方程，而且还给出了量子论的另一个数学描述，也就是所谓的波动力学。费曼于1948年，创立了量子力学的路径积分形式。