1900年12月14日,英国化学学家普朗克(1858-1947)在美国数学学会上,以《关于正常波谱的能量分布规律》为题,详述了他的“量子论”,提出在幅射(或吸收)过程中,能量是不连续的,是以某一最小的能量单位的整数倍的方式存在的,这个最小的能量单位被觉得是能量量子。能量量子的大小与幅射频度成反比。
普朗克创办的量子理论,冲破了20世纪初的“物理危机”,推动了数学学和整个自然科学的现代化进程。
普朗克于1858年4月23日出生于俄罗斯吉尔市的一个贵族家庭。他的爸爸是个法律院士。普朗克从小在中学和家庭里都遭到良好的教育。他少年时代就显示出物理能够,导致班主任注意。他爱好音乐,吉他弹得很不错。他也喜欢语言学。1874年,普朗克学校结业,步入克拉科夫学院学习物理,不久便被数学学吸引。后来,他转到柏林学院学习。1879年,21岁的普朗克完成了关于热力学第二定理方面的论文,获得博士学位。1888年,他兼任柏林学院理论化学研究所的负责人。从1892年到1926年,他仍然是柏林学院的即将院士。
19世纪末期,化学学家们都是从精典数学学来研究一个受热物体向外幅射能量与它的湿度的关系。热幅射实际上是一种电磁幅射。数学学把对外来的幅射没有任何反射或透射,吸焦比是百分之百的物体称做宋体。实验研究表明,宋体不但吸产率最高,并且在相同湿度下也是幅射率最高的物体,是幅射能量只和湿度有关的物体。1893年量子物理学三大理论,美国学者威尔海姆·维恩(1864-1928)强调,随着宋体气温下降,幅射硬度最大的波长将向波谱紫区联通。这就是维恩位移定理。它在理论上的一个弱点是,未能表明幅射能量与发射频度及湿度的分布。1896年,维恩借助实验数据,以热力学定理为指导,给出宋体幅射能在一定湿度下按频度分布的函数关系。但遗憾的是这一理论仅在高温下长波区与实验符合,而在短波区则误差很大。1900年,美国人朗德·瑞利(1842-1919)从精典统计理论中的能量均分定律和热学理论出发推导入一个公式,后来日本人詹姆斯·金斯(1877-1946)发觉这个公式差一个因子8,修正后称为瑞利-金斯定理。即热物体的幅射程度反比于它的绝对湿度,正比于发射光波的波长平方。瑞利-金斯定理全部推论过程无可挑剔,但结果却只在短波部份与实验符合,而在长波部份却与实验结果大相径庭。由这个定理推出当波长趋向零时幅射能量趋向无穷大,而实验值却趋向零。由于精典理论的这一失败出现在波谱的紫外光区的长波部份,因而芬兰人埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。“紫外灾难”是精典数学学上空的又“一朵乌云”(精典数学学上空映照的另一朵乌云是光速不变和以太流的否定)。
和其他几位科学家一样,普朗克对宋体幅射问题也很感兴趣。为了驱赶精典数学学上空“紫外灾难”这朵乌云,普朗克从1895年前后开始研究宋体幅射问题。普朗克在宋体幅射和吸收的理论天空中,首先于1900年10月提出了一个适用于电磁光谱所有波段的经验公式,即知名的普朗克幅射公式。这样,就把当时只能分别在长波波段和短波波段与实验相符的维恩能量分布公式和瑞利幅射公式巧妙而成功地统一上去。在宋体幅射的新公式中,普朗克抛弃了能量是连续的传统概念,在实验数据面前,提出能量是不连续的新概念。普朗克公式表明,物体幅射时侯发射或则吸收的能量是一份一份的,普朗克将其称做能量子,简称量子。他而且进一步提出,能量子是和频度成反比的,能量子等于频度乘上一个常数,这个常数叫普朗克常数(h)。
因为普朗克的理论打破了精典数学学的框框,许多化学学家都拒绝接受它,她们觉得这不过是专门否认幅射公式而引进的一个特定假定而已(包括普朗克本人)。而且几年之后表明,普朗克的概念能够应用于除宋体幅射以外的许多各类不同的化学现象。
普朗克提出能量不连续的量子概念,竖起了对精典数学学进行革命的大旗。普朗克在竖起量子论的革命大旗之后,首先来到这杆大旗下边的是爱因斯坦(1879-1955)。他应用量子概念解释了光电效应,发展了光的微粒说。19世纪早期,因为对光的干涉、衍射等现象的研究量子物理学三大理论,光学理论中的波动说打败了牛顿时代流行的微粒说。麦克斯韦理论也把光看做是一种电磁波。19世纪末期发觉了光电效应,即一束光照到金属上可以引起电子。依照传统的波动说,光的硬度越大表示光的能量越高,因而传递给金属的能量也越多,也就越容易引起电子。波动说难以解释光电效应和光的硬度无关。爱因斯坦觉得光是由具有粒子性的光子组成的,根据量子论,光子的能量应该等于光频度除以普朗克量子数。光的硬度只表明光粒子的多少,并不表明光粒子的能量高低。某种频度的光才能造成金属发射电子,是由于光子能量超过了导致电子发射所须要的能量。假如光子能量不够,就是光子再多也没有用。这样,爱因斯坦解释了光电效应为何和光的硬度无关而和频度有关。
在爱因斯坦之后,在对精典化学学这场大革命的挺进高潮中,荷兰化学学家玻尔(1885—1962)成为风云人物和主力军之一。他在早期便出席了用量子论解释原子结构的战斗。
在波尔之前,科学家早已提出,原子结构类似太阳系结构、电子围绕原子核运转的模型,但这个模型不能说明原子的稳定性。1911年,波尔研究金属中电子运动的理论。1913年,28岁的波尔把普朗克的量子论引入到原子结构中来,对卢瑟福关于原子结构的模型,作了更改和重大发展。提出电子只能沿一些固定轨道绕原子核运动,因而构建起更好的定态原子模型,成功地解释了氢原子等的波谱等特点。关于原子结构的这个模型,称做卢瑟福一玻尔模型,简称玻尔模型。根据这个模型,x射线和原子核外外层电子基态的变化有关;可见光、红外光和紫外光起源于内层电子基态的变化;放射现象和原子核的变化有关。
原子结构的玻尔模型,是量子论开拓的一个新领域。普朗克提出的量子论早已超出幅射问题的领域,步入蓬勃发展的原子化学学。玻尔满意地解释了氢波谱现象,开辟了新的研究途径。波谱学在几六年里积累起大量实验资料,如今可用以关于原子里电子运动的信息了。波尔关于原子结构的模型,解释了物理元素周期律。
量子论只是量子热学革命中的帷幕。在这出帷幕中,诞生了普朗克、爱因斯坦和玻尔这三位伟大的革命先驱和科学巨匠;量子论把精典化学学中能量是连续的这个基本概念打破了,它在光电效应、原子结构等方面显示了非凡的生命力。在量子论革命的帷幕打开,于1925年前后,量子热学的革命高潮来到了。
这场高潮,彻底清不仅精典热学在微观世界的影响,清不仅把粒子和波互相对立的传统观念;统一了敌对几百年的波动说和微粒说,微观粒子即有波动性,又有微粒性;构建了描述微观粒子运动的新的物理方式和体系;确定了描述粒子运动的特点量(能量和动量)和描述波的特点量(波长和频度)之间的定量关系。这样,在微观粒子世界中构建了全新的秩序,奠定了量子热学统治的基础。
在这场高潮中,同样诞生了几位叱吒风云的人物。她们是德布罗意(1892—)和薛定谔(1887-1961),海森堡和狄拉克。
日本科学家德布罗意受爱因斯坦相对论的影响,他觉得物质具有能量,能量与波相联系,因而物质和波相关。1923年,31岁的德布罗意首先发表了关于粒子波动性的论文,他的论据后来被电子衍射实验所否认,原先电子也能形成和光波相类似的衍射现象。1925年,德布罗意的看法造成慕尼黑学院青年化学学家薛定谔的注意。薛定谔在波粒二重性思想的指导下,导入量子热学的波动热学体系,就是薛定谔多项式。
