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经典力学的局限打开了量子力学的大门

物理学是一门艺术,也是一门哲学,在人类社会的历史进程中她扮演者重要的角色,小到衣食住行,大到星际探索,她的身影无处不在。

然而就在上个世纪,当那些物理界的前辈们沉浸在物理学大厦已经建造完备的喜悦中时,两朵乌云却遮住了物理学的万丈光芒,而在这两朵乌云后面又是无数大大小小的乌云!

尽管从经典物理学的角度来看,这几朵乌云并不能带来倾盆大雨,但正是这几朵乌云掀开了物理学新的一页,一种完全不同于经典物理学的量子物理应运而生!

在新的理论框架诞生之前,经典物理在解决实际问题时出现了新的问题,有些理论和饰演完全不符合,正是这些新的问题指引着我们去探索新的世界,那么到底经典物理在处理问题的时候遇到了哪些局限呢,且听我慢慢道来!

首先就是经典物理理论无法解释的对光电效应,实验证明:只有光的频率大于一定值时,表面才会有光子溢出,如果光的频率小于这个,则无论光强有多大,照射时间有多长都不会有光子溢出。

光电子的能量只与光的频率有关,而与光的强度无关,光的频率越高,光电子的能量就越大,光的强度只影响光电子的数目,强度增大,光电子数目就增加。按照经典物理理论,即光的电磁理论,光的能量只取决于光的强度而与光的频率无关,显然经典物理理论不能解释上述光电效应。

但是爱因斯坦却用量子理论成功解释了光电效应,按照爱因斯坦的观点,当光照射到金属表面上时,能量为hv的光子被电子吸收,电子获得这部分能量有两个用途。

第一个用途就是客服金属表面对它的吸引,可用w来表示,另一部就是他离开金属表面时的动能,根据能量守恒,这里可以列出一个简单的公式:hv=w+动能。

由上面这个公式可知,如果电子吸收的能量hv小于w,则电子不能脱离金属表面,从而不会产生光子,光的频率只取决于光的能量w,光的强度取决于光子的数目,这样,经典理论所不能解释的光电效应就得到了很好的解释!

其次,经典物理学不能解释黑体辐射能量的分布规律,在黑体辐射实验中得出的平衡时辐射能量密度按波长分布的曲线,其形状和位置只与黑体的绝对温度有关,而与空腔的形状及组成无关。

很多人企图用经典物理学来解释这种能力分布规律,推导与实验结果符合的公式,但是都以失败告终,这个问题直到1900年普朗克引进量子概念后才得以解决。

普朗克假定,黑体以hv为单位不连续地吸收和发送频率为v的辐射,而不是像经典理论所要求的那样可以连续地发射和吸收辐射能能量,普朗克的理论开始突破了经典物理学在微观领域的舒服,为人们认识微观粒子开启一扇新的大门!

后来在康普顿效应的研究和原子结构的研究中,人们依然遵循着普朗克的这一个思想理论,从一些理论的缺陷中,科学家发现不能把微观粒子同经典力学中的质点等同的看待,人们的思想也为之解放。

再到1924年德布罗意揭示出微观粒子具有根本不同于宏观质点的性质——波粒二象性后,一个较完整的描述微观粒子运动规律的理论——量子力学才逐步建立起来。

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