量子诞生的时代背景
量子热学诞生之前,牛顿还是神一样的存在。在牛顿的光辉下所有非电磁都可以使劲F=ma和第一、第三定理来解决,一切变化都是连续的。而量子热学的诞生的最主要诱因是出现了四个问题,宋体幅射、光电效应、原子的线状波谱、原子的稳定结构,牛顿热学解决不了。用老的办法解决不了新的问题,那新的理论自然应运而生。
宋体幅射
宋体幅射是一个实验,简单说一下原理。假如有一个东西它能把传播给它的电磁幅射全吃了,一点都不反射,之后只拉下来热幅射,这么这个东西就叫绝对宋体,绝对个宋体只存在于理想状态,主要是为了厘清楚能量。
科学家维恩制造了一个十分近似于绝对宋体的东西,之后给这个东西电磁波吃,观察拉出的热幅射,然杂记录成一个一个小点,把这种小点连在一起就得到了一个能量、温度与电磁波频度相关的曲线。
各路大鳄解多项式
曲线有了,接出来把多项式解下来,能够辨明楚电磁幅射和能量的关系。如何解?小时候,你们画曲线写x,y多项式没少做吧?直线多项式、曲线多项式……
下边动图出现的名子的大鳄都是解得比较成功的。可以看见,维恩早已很接近了,最后的那一点让普朗克补充上了。
普朗克的公式两个字”完美“。
日本化学学家,量子热学的创始人:马克斯·卡尔·恩斯特·路德维希·普朗克。普朗克能推导入宋体幅射曲线的公式,并非其原意。其中经历了各类诡异坎坷,这儿不赘言了。他于1900年10月发表了第一次敲开“量子热学”大门的论文——《论维恩波谱多项式的建立》,并且当时他自己并不晓得这个意味着哪些,只是算下来公式,并没有完全厘清楚原理。
从图中可以见到维恩的公式曲线,他的公式早已十分接近宋体幅射曲线了,普朗克的公式是在维恩的基础上加以更改。普朗克此次的论文也是第一次提出了完美的宋体幅射公式。他在发表这个论文时,自己是懵逼的,还非常在最后补上一句:大家瞧瞧即使了,我随意算下来的量子物理公式,别当真。为哪些会这样?由于这个事颠覆了你们的认知。违反了科学家们仍然遵守的、神圣不可侵害的传统精典牛顿热学——变换是连续的。
历史何其相像,这儿多说一句,当初洛伦兹在发表出洛伦兹变换,明明早已否认了牛顿热学所基于的“以太”并不存在,却要说:这只是物理的一种估算方式,是物理方法,当不得真,以太还是存在的,牛顿还是我们心里的大鳄。
没过几个月,1900年末,英国的数学讨论会上,普朗克做了个即将的报告《论正常波谱中的能量分布》。作报告时,他阐明了为了从理论上得出完美的幅射公式,而不是只是从物理公式入手,必须作出一个假定:能量的变化不是连续地、而是一份一份的降低,一份一份降低,而能量是有最小值的,每一份就是能量的最小值,这个最小数值就叫能量子,自此量子诞生了。
公式
下边普朗克公式推论这儿不说,太复杂涉及的化学知识太多了。
维恩的公式
普朗克定理
最终的普朗克公式:
我们通过普朗克公式可以得到下边:
重点:普朗克的量子假说——能量的最小数值是ε=hv
电磁幅射的能量是:
其中ε为能量、v是幅射频度是ν量子物理公式,h为一个常数,当时普朗克把它称作基本作用量子,后来被命名为普朗克常数,n只能为整数(1、2、3……n)
由于n不能等于0.5,也不能等于0.25,也就是不能来半份,不能来四分之一份,由此能量是一份一份的理论就下来了。
插播:爱因斯坦的光量子假说——E=hv
是不是发觉和前面那种假说有点像,历史又相像了,那位白天不爱写作业的朋友抄完洛伦兹变换弄出了狭义相对论,又来抄普朗克的,得出了光电效应,因而拿了诺贝尔。
量子热学的房门被踢烂了
普朗克这个推论等于是抛弃了牛顿朋友——变换是连续的理论,这是一个新的理论框架,渐渐反应过来的科学家们都看明白了一个“事实”,但凡变化都存在着一个最小的单位。于是科学家门通过普朗克的推论,又得出了宇宙中最小的间隔时间——普朗克时间,10^-43秒。宇宙空间中最小的可测尺度——普朗克尺度1.6x10^(-35)米。这更说明:这个世界的变化不是连续的,有个挺好的词叫跃迁,很形象地形容了这些变化的形式。
举个反例说明一下:
假如说牛顿的传统精典热学是在走斜坡,那量子热学如同是在走台阶。牛顿热学化学量变化时,如同是从斜坡上渐渐的连续的滚下去的,而那量子热学里的变化是一个台阶一个台阶往下跳。
牛顿搞定了传统精典热学、爱因斯坦搞定了时空、麦克斯韦搞定了电和磁。而量子现今谁都没有完全搞明白,假如谁能搞定量子力学,那这个人的贡献将不亚于牛顿。