第七章 量子理论发展史

这是人类认识自然界的历史上第一次揭示了微观客体的
波动性和粒子性的对立统一。
光量子概念的实验检验

1915年，怀疑光量子论的美国实验物理学家密立根，通过
检验光量子论的推论：爱因斯坦的光电效应公式，不得不
宣布“它的无歧义的实验证实”。

首先把光看作是某种以光速c在真空中运动的粒子亦即光量 子的是爱因斯坦。正式赋予光子这一名称的是康普顿。
稳定性问题。正在他日夜苦思之际，他在一位朋友汉森 (H.M.Hansen)向他提到氢光谱的巴耳末公式，劝他认真考 虑这个事实。 同时，斯塔克(J.Stark)的著作中有关价电子跃迁产生辐射的

思想也对他有启发。

他把这些事情联系到了一起，突然头脑里出现了一个飞跃。

后来，玻尔回忆到：“当我一看到巴耳末公式，我对整个

不过，爱因斯坦并不是简单地回到了牛顿的微粒论，对 波动论采取排斥态度，而认为两者各自反映了光的本质 的一个侧面：对于统计的平均现象，光表现为波动，对
于瞬时的涨落现象，光表现为粒子。
光的波粒二象性的提出

换言之，爱因斯坦的粒子不同于牛顿的粒子，而是既具
有能量又具有动量的粒子，这就使得的光不仅具有波动 性，而且具有粒子性，是波动性和粒子性的辩证统一， 即光具有“波粒二象性”。

但是，光子虽然能被认为是粒子，但又是波，因为它们 具有确定的振荡频率，又有实验上所完全确立的波动现
象，如绕射、干涉等效应。

由微粒而波动，由波动而波粒二象性的认识的历史发展 表明：人的认识的确是一个“正、反、合”的过程，或 者说符合唯物辩证法所揭示的“否定之否定”的规律。
3、玻尔的原子结构理论

随着量子论的提出和发展，人们对原子的结构也有了新认识。 1903年J.J.汤姆逊用一个类似葡萄干面包的原子模型来解释 原子的各种性质。然而这一模型与粒子透过金属箔的散射

分布不相符合，因为实验观测到散射角远远大于按照汤姆逊
模型所作的理论预测。

1911年，关于原子结构的研究，卢瑟福在他的α粒子散射实 验的基础上，提出一个由电子绕原子核而旋转的原子模型， 即有核原子模型。
第七讲 量子理论的发展史
量子论的建立和发展大体上经历了5个阶段：1、“紫外灾 难”的出现和普朗克量子论的提出；2、爱因斯坦的光量 子论和光的波粒二象性的提出；3、玻尔的原子结构理论 的提出；4、旧量子论的困难和物质波的发现；5、量子力 学的建立。
量子理论的创建

20世纪初，物理学的另一项重大的创新是量子论的建立。 1900年普朗克(Max Planck)为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困 难，引入了能量子概念，为量子理论奠定了基石。
普朗克的量子假说的出台

也就是说，在辐射的发射或吸收过程中，能量不是无限可 分的，而是有一最小的单元。这个不可分的能量单元，普 朗克称之为“能量子”或“量子”，它的数值是h，其中 是辐射的频率，h叫做“作用量子”，是一个普适常数，以
后人们称之为“普朗克常数”。

1900年12月14日，普朗克向德国物理学会报告了他的这一 大胆假说，这就是量子论的诞生。

玻尔参加了射线散射的实验工作，帮助他们整理数据和撰
写论文。玻尔就这样在关键的时刻参加到卢瑟福的工作之 中，成为这个集体的理论核心人物。

玻尔坚信卢瑟福的有核原子模型是符合客观事实的，也很 了解他的理论所面临的困难，他认为要解决原子的稳定性 问题，唯有靠量子理论，即要描述原子现象，就必须对经 典概念进行一番彻底的改造。
2、爱因斯坦的光量子理论

1905年，爱因斯坦继承了普朗克所提出的这一革命性的观 念，用以解释当时的电磁理论所不能完全解释的光电效应， 亦即在光的照射下，由金属逸出的电子的能量和光的强度
无关，但和波长有关。

爱因斯坦指出，如果接受了普朗克的量子假说，那么将能 很自然地解释光电效应。爱因斯坦由此而获得了诺贝尔奖。

玻尔注意到，如果光辐射具有量子性，也就是说光辐射
时并不像经典电磁学所预期的那样，连续地释放出带电 粒子所具有的能量，而以不连续的形式，即至少以某种 “最小”的能量单元，亦即hv的形式释放能量，那么这一 量子性的起源，必定来自原子结构所具有的某些特点。

1912年底，玻尔已返回丹麦，他仍在研究有核原子模型的
普朗克和爱因斯坦
从能量子到光量子

但爱因斯坦不满足普朗克把能量不连续性只局限于辐射的发
射和吸收过程，而认为即使在空间的传播过程中，辐射也是 不连续的，是由不可分割的能量子组成的。

于是在“关于光的产生和转化的一个推测性观点”的论文中， 指出关于光的产生和转化的瞬时现象，波动论的结论同经验 不相符，要解释这类现象，只能假设光是由能量子所组成。

卢瑟福有核原子模型认为，原子里面绝大部分是虚空的，原 子中间有一个原子核，该模型得到了实验的验证，也取得了 多方面的成功。

但是，卢瑟福模型也有一个原则性的理论上的困难，那就按
照电磁学的理论，外围电子在围绕原子核旋转亦即做加速运
动时，将不断辐射出电磁波，而最后却将掉到原子核里面， 为原子核所俘获，成为其半径只有10-13厘米大小的原子。然 而，当时所有测到的原子的半径，却至少有10－8厘米


普朗克的量子假说的出台

1900年10月7日，鲁本斯夫妇访问普朗克，告诉他，瑞利 的辐射定律在长波部分同他的实验结果一致。普朗克受到 启发，立即尝试去寻找新的辐射定律，使它在长波部分渐
近于瑞利定律，而在短波部分则渐近于维恩定律。

当天晚上他把自己1899年的公式加以修改，就得到了合乎
上述要求的辐射定律。1900年10月19日他在德国物理学
事情就豁然开朗了。”于是玻尔很快就写出了著名的“三 部曲”，题名“原子构造和分子构造”——I、II、III的三 篇论文，经卢瑟福推荐，发表在1913年《哲学杂志》上。 玻尔的原子理论取得了巨大的成功， 完满地解释了氢光谱
会上报告了这一结果。鲁本斯当天晚上做实验检验，证明 普朗克的新的辐射定律同实验结果完全相符。
普朗克的量子假说的出台

但是，当时普朗克的辐射公式是根据实验数据凑出来的半
经验定律，得不到合理的理论解释。


为了寻找这个公式的理论根据，普朗克紧张地工作了两个 月，终于发现，要对这个公式作出合理的解释，惟一可能 的出路是假设：物体在发射辐射和吸收辐射时，能量不是 连续变化的，而是以一定数量值的整数倍跳跃式地变化的。
为“紫外灾难”。
物理天空的第二乌云：“黑体辐射”

黑体（“绝对黑体”）是指在任何温度下都能全都吸收落在
它上面的一切辐射而没有反射和透射的理想物体，是用来 研究热辐射的。

黑体辐射的特点是：各种波长(颜色)的辐射能量的分布形 式只取决于黑体的温度，而同组成黑体的物质成分无关。
对“黑体辐射”的研究导致“紫外灾难”
家尼尔斯· 玻尔的杰出工作，迅 速得到科学界的公认。
1922年）也是一个物理学家，因发
现原子核的非对称性而获1975年的 诺贝尔奖.
玻尔提出定态轨道原子模型始末

1911年，玻尔到英国剑桥大学卡文迪什实验室学习和工作， 正好这时曼彻斯特大学的卢瑟福发现了原子核。

卢瑟福也曾是卡文迪什实验室的研究生。一天，卢瑟福回

19世纪末期，实验已经能对热辐射所产生的光谱及其强度
的分布进行精密的测定。 1893年，德国物理学家维恩发现黑体的温度(绝对温度)同 所发射能量最大的波长成反比(维恩位移定律)。1896年维 恩通过半理论半经验的办法，找到了一个可用来描述能量

分布曲线的辐射定律。

这个定律或说公式，在短波部分同实验很符合，但在长波 部分却偏离很大。

1923年，康普顿发现康普顿效应，成为光量子论的判决性 实验，被物理学家公认为光量子存在的确凿证据。
康普顿实验的确证

1923年，康普顿在测量X射线和某些物质的散射时，发现某 些散射后的X射线的波长变长了。康普顿为了解释这一现象， 就除了假定光子的能量：E＝hv以外，还吸收了在1917年由 爱因斯坦对光子还具有动量p的假定，亦即p=hv/c
1、“紫外灾难”的出现和普朗克量 子论的提出

物理天空的第二朵乌云：“黑体辐射”→ “紫外灾难” 量子论的产生是由黑体辐射问题引起的。根据经典物理学，

可以得到：辐射的能量与频率的平方成正比。所以，当辐
射频率极高时，能量必然趋于无穷大，即在紫色端发散。
对于由经典物理学解决热辐射问题导致的这一结果，被称


随后，爱因斯坦针对光电效应实验与经典理论的矛盾，提出了光量子
假说，并在固体比热问题上成功地运用了能量子概念，为量子理论的 发展打开了局面。

1913年，玻尔在卢瑟福有核模型的基础上运用量子化概念，对氢光谱 作出了满意 的解释，使量子论取得了初步胜利。 旧量子论
波粒二象性新思想的提出

以后，玻尔、索末菲(A.J.Sommerfeld)和其他许多物理学家为发展量子
理论花了很大力气，却遇到了严重困难。要从根本上解决问题，有待 于新的思想，那就是波粒二象性。

光的波粒二象性早在1905年和1916年就已由爱因斯坦提出，并于1916
年和1923年先后得到密立根光电效应实验和康普顿X射线散射实验证实。

物质粒子的波粒二象性却是晚至1923年才由德布罗意(Lous de Broglie) 提 出 ， 这 以 后 经 过 海 森 伯 (W.Heisenberg,1901~1976) 、 薛 定 谔 (E.Schrodinger,1887~1961) 、 玻 恩 (Max Born,1882~1970) 和 狄 拉 克 (P.A.Dirac)等人的开创性工作，终于在1925~1928年形成完整的量子力 学理论，与爱因斯坦相对论并肩形成现代物理学的两大理论支柱。