第4節(jié)初識(shí)光量子與量子世界
光是電磁波的學(xué)說(shuō)得到承認(rèn)后，幾乎所有光的現(xiàn)象都能夠用光的電磁理論進(jìn)行解釋。然而，這一似乎完美的理論在解釋某些光的現(xiàn)象時(shí)，卻遇到一些困難。這引發(fā)了人們對(duì)光的電磁波說(shuō)的再認(rèn)識(shí)，開(kāi)創(chuàng)了量子理論的新時(shí)代。本節(jié)將學(xué)習(xí)量子理論的一些初步知識(shí)。
光的本質(zhì)是什么？ 人們對(duì)該問(wèn)題的研究由來(lái)已久，最早有光的微粒學(xué)說(shuō)和光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)。牛頓主張光的微粒學(xué)說(shuō)，他認(rèn)為，光是從光源射出的具有高速度的粒子流。光的微粒學(xué)說(shuō)可以解釋光的反射、光的顏色等。因此，在 18 世紀(jì)，微粒學(xué)說(shuō)得到許多人的認(rèn)可。 但是，微粒學(xué)說(shuō)不能解釋光的干涉現(xiàn)象等。荷蘭物理學(xué)家惠更斯（C. Huygens，1629—1695）認(rèn)為，光像水波一樣，也是一種波，叫光波。光的干涉、衍射、偏振（ 這些將在選擇性必修課程中學(xué)習(xí) ）等現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)后，光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)才得到廣泛承認(rèn)。19 世紀(jì) 60 年代，英國(guó)物理學(xué)家麥克斯韋創(chuàng)立的經(jīng)典電磁場(chǎng)理論揭示出“ 光是一種電磁波 ”。
19 世紀(jì)末，人們發(fā)現(xiàn)用光照射金屬會(huì)使金屬發(fā)射出電子，這種現(xiàn)象叫光電效應(yīng)。而用電磁波來(lái)解釋光電效應(yīng)遇到了困難，這觸發(fā)了人們對(duì)光的本質(zhì)的再認(rèn)識(shí)。愛(ài)因斯坦在解釋光電效應(yīng)時(shí)，受普朗克量子假說(shuō)的啟發(fā)提出了光量子假說(shuō)，認(rèn)為光的發(fā)射、傳播和接收都是以一份份光子的形式進(jìn)行的，由此很好地解釋了光電效應(yīng)。人們當(dāng)時(shí)并未充分意識(shí)到能量量子化假說(shuō)與麥克斯韋經(jīng)典電磁場(chǎng)理論是不相容的，而光量子假說(shuō)卻將這種不相容性表現(xiàn)得更為明顯。因此，即使是普朗克都拒絕接受光量子概念。1916 年，美國(guó)物理學(xué)家密立根雖用實(shí)驗(yàn)精確證實(shí)了愛(ài)因斯坦給出的光電效應(yīng)定律，但他卻并不相信光量子的存在。直到 1923 年，康普頓效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)才最終令人信服光量子假說(shuō)的正確性，光量子概念開(kāi)始為人們所接受。隨后，光量子被正式命名為光子（phtn）。
這使人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到光既具有波動(dòng)特性，又具有粒子特性，即具有波粒二象性。光在一定的條件下，突出地表現(xiàn)出微粒性，實(shí)質(zhì)為不連續(xù)性；在另一些條件下，又突出地表現(xiàn)出波動(dòng)性。
德國(guó)物理學(xué)家普朗克最早提出量子假說(shuō)，開(kāi)創(chuàng)了量子理論的新時(shí)代。普朗克從 1894 年起投入對(duì)黑體輻射的探索和研究之中。在用經(jīng)典理論無(wú)法解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果的情況下，他提出了嶄新的量子假說(shuō)。
量子假說(shuō)認(rèn)為，物質(zhì)輻射（ 或吸收 ）的能量 E 只能是某一最小能量單位的整數(shù)倍。
E = nε（ n = 1，2，3，...）
輻射是由一份份的能量組成的，就像物質(zhì)是由一個(gè)個(gè)原子組成的一樣。一份能量就是一個(gè)能量子，能量子的能量 ε 與頻率 v 成正比。
一個(gè)物理量如果存在最小的不可分割的基本單位，那么該物理量是量子化的，并把這個(gè)最小的基本單位稱(chēng)為量子。在宏觀領(lǐng)域，量子化通?？珊雎圆挥?jì)。例如，沿山坡滾下的石頭，其動(dòng)能和勢(shì)能都是連續(xù)變化，不會(huì)從一個(gè)數(shù)值躍變到另一個(gè)數(shù)值。在微觀世界里，量子化則是顯著的。
量子理論不僅改變了人類(lèi)對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其相互作用的理解，還為電子掃描隧道顯微鏡、量子保密通信等現(xiàn)代技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。量子理論應(yīng)用于計(jì)算機(jī)技術(shù)，還使計(jì)算機(jī)朝著更小更快的方向發(fā)展，進(jìn)一步拓展了人們對(duì)大千世界的認(rèn)識(shí)。
知道光是一種電磁波，知道光的能量是不連續(xù)的，初步了解微觀世界的量子化特征。具有與光的量子化有關(guān)的能量觀念。通過(guò)對(duì)場(chǎng)的認(rèn)識(shí)，能體會(huì)人類(lèi)對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)是不斷發(fā)展的。 ——物理觀念，科學(xué)態(tài)度與責(zé)任
普朗克（ 圖 5-38），德國(guó)物理學(xué)家，量子論的奠基人。他 在少年時(shí)代酷愛(ài)科學(xué)與藝術(shù)，由于啟蒙老師的影響，他志趣轉(zhuǎn)向了自然科學(xué)。 19 世紀(jì)末，為了從理論上解釋黑體輻射，物理學(xué)家作出了很多努力。其中，維恩公式在短波區(qū)與實(shí)驗(yàn)較吻合，但在長(zhǎng)波區(qū)偏離較大；瑞利—金斯公式在長(zhǎng)波區(qū)與實(shí)驗(yàn)比較符合，但在短波區(qū)域與實(shí)驗(yàn)不符：隨著波長(zhǎng)變短，即向紫外區(qū)域延伸時(shí)，從公式推出的輻射能量無(wú)限大，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻趨于零。這個(gè)非?；闹嚨慕Y(jié)果出現(xiàn)在紫外區(qū)，因此被稱(chēng)為“ 紫外災(zāi)難 ”。
普朗克在前人研究的基礎(chǔ)上，提出了符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果的普朗克輻射定律。但普朗克并不滿(mǎn)足于此，而是致力于找出這個(gè)公式的真正物理學(xué)意義。由此，普朗克提出了量子假說(shuō)，從理論上推導(dǎo)出了普朗克輻射定律。量子假說(shuō)的提出，不同于經(jīng)典物理學(xué)的連續(xù)性觀念，為量子力學(xué)的建立奠定了基礎(chǔ)。他因此榮獲 1918 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
1. 普朗克在 1900 年提出了量子假說(shuō)，開(kāi)創(chuàng)了物理學(xué)的新紀(jì)元。在下列宏觀概念中，具有量子化特征的是 A. 人的個(gè)數(shù) B. 物體所受的重力 C. 物體的動(dòng)能 D. 物體的長(zhǎng)度
2. 下列說(shuō)法正確的是 A. 在微觀世界，物體的能量是連續(xù)變化的 B. 光子的能量 ε = hv C. 光既具有波動(dòng)特性，又具有粒子特性 D. 不論是宏觀物體還是微觀粒子，經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)都是適用的

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