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量子力学原理与基本定律

量子力学原理与基本定律

更新时间:2023-06-29 01:42:38

量子力学原理与基本定律

量子力学其实描述的是物质的行为,特别是发生在原子尺度范围内的事件。在极小尺度下事物的行为与我们有着直接经验的任何事物都不相同。它们既不像波动,又不像粒子,也不像云雾,或悬挂在弹簧上的重物,总之不像我们曾经见过的任何东西。

量子论的起源来自一个大家熟悉的现象,这一现象并不属于原子物理学的核心部分。任何一块物质在被加热时都会发光,并在高温度下达到红热和白热,发光的亮度与材料的表面关系不大,而对于黑体,只与温度有关。因此,黑体在髙温下发出的辐射作为物理学研究的适当对象,被认为应该可以根据已知的辐射和热学定律找到一个简单的解释。但是物理学家瑞利和金斯在十九世纪末的努力却以失败告终,揭示了黑体辐射问题的严重性。

难以置信的是这个公式已经触动了我们描述自然的基础,我感到,我可能已经完成了一个第一流的发现,或许只有牛顿的发现才能和它相比。——普朗克

普朗克大胆舍弃了“能量均分定理”,代之以“量子假设”——能量只能以分立的能量子的形式发射或吸收,这在概念上是一次革命性的突破,以致它不再适合于物理学的传统框架。

频率为v的电磁波和原子、分子等物质发生能量转换时候,能量不能连续变化,只能一份一份的跳变,且每份“能量子”为:

ε=hv=ℏω,其中约化普朗克常数ℏ=h/(2π)

普朗克公式

普朗克根据能量的量子化,得出角频率为ω的电磁振动模式在温度T下的平均能量不再取“能量均分定理”给出的KT,而是:

E(ω)=ℏω/(e^(ℏω/kT)-1)

利用热力学和物理统计理论,导出了著名的(描述电磁波能量和角频率关系)的普朗克公式:

ρ (ω)=(ℏω³/π²c³)/(e^(ℏω/kT)-1)

光和其他物质发生相互作用时,基元过程通常表现为光子—电子作用,作用电子的能量与光的强度无关,而只与光频率有关。因此,爱因斯坦假设,光本身是由穿过空间的能量子组成的,一个光量子的能量应当等于光的频率乘以普朗克常数:

E=hv

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