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大道至简——写给孩子看的近代物理学

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  • 作者:陟云子 时间:2018-08-08 06:05
    (正文)

    第二个实例来自赫兹于1887年发现的光电效应。赫兹发现,当用特定波长的光照射在金属上时,会有电子逸出现象,即产生了电流,这就是光生电现象。不过选用的入射光的频率有一特定取值范围,当低于极限值时吗,不管光照多强,都不再有电子逸出,而高于这一极限值,很微弱的光照也能产生电子逸出。这一现象同样无法用经典物理学去解释。

    因为按照经典物理学中的电磁场理论,光照越强,电磁场的能量越大,作用在金属中电子的力越大,这样产生的电子应该越多,而且电子的速度也越大。但这和实验现象完全不符合,经典物理不能解释为什么电子的速度和光照强度无关,而和光波频率相关。

    第三个实例来自于气体比热的计算。我们都有过这样的生活体验,夏天不能将自行车车胎中的气打得过满,否则容易发生爆胎。这是因为随着气体温度的升高,内部的气体分子运动得越来越激烈,气体分子和车胎碰撞也越来越频繁,从宏观上就表现为压强的增大。当压强超过车胎所能承受的极限时,车胎就发生爆裂。由这一事例可以看到,气体的温度是表现它内部分子运动剧烈与否的物理量。要想使气体分子运动得更加剧烈一些,就需要从外界传递给气体一些能量,这些能量可以是机械能,比如对气体做功;也可以是热能,比如把气体加热;还可以通过光照或者电磁波的形式给气体能量,都可以让气体温度升高。对于固定的某种气体来说,可以将它的温度升高一摄氏度所对应的能量称之为它的比热。按照经典物理学理论,气体的比热是不随着温度的变化而变化的,也就是说同一种气体从零度加热到一度,和从一千度加热到一千零一度,所需的能量并没有差别。然而事实却并非如此。气体的比热比经典物理学的预言要小一些,并且随着温度的变化误差也会发生一些差别。 来自 | | 231楼 | | | |
    作者:陟云子 时间:2018-08-09 07:12
    (正文)

    经典物理学还不能解释原子光谱的分立现象。在20世纪初,人们已经发现了大量的原子光谱,而所有这些光谱所对应的谱线都不是连续分布的,谱线的波长也满足简单的规律。如果按照经典的电动力学进行解释,则加速运动的带电粒子将会因为不断辐射而丧失能量,因此围绕原子核运动的电子终究会因为大量丧失能量而掉回原子核中去,并和原子核中的质子发生中和,进而引发原子的崩溃。然而我们现实世界中对应着大量稳定存在的原子,上述现象并没有发生。所以这一事实同样无法用经典物理学予以解释。

    以上所列举的几个实例仅仅是经典物理学所遇到的困难的一部分。事实上,当时反复经过验证的大量实验现象都证明,经典物理学虽然能够解释很多传统物理问题,但是在微观领域中原有结论并不适用,这就说明经典物理学并不是一个普适的理论,而是有它自己的适用范围。要研究更微观的物质世界,一定需要有一种新的理论来进行阐释。

    在这个问题的研究上,我们前面介绍过的完全黑体辐射提供了一个很好的切入窗口。维恩在1894年从实验数据中得到了一个描述完全黑体辐射的经验公式,称之为维恩公式,这个公式表征了黑体辐射中能量和温度以及频率之间的关系。除了频率较低的部分,维恩公式与实验数据符合得很好。而在稍后的1900年,瑞利用经典电磁学和统计物理学也可以得到公式,称之为瑞利—金斯公式,该公式在低频部分与实验数据还比较符合,但是在高频部分会出现数据发散而趋于无穷大,这就是所谓的紫外灾难,与实验结果严重不符。
    来自 | | 232楼 | | | |
    作者:陟云子 时间:2018-08-10 09:23
    (正文)

    德国物理学家普朗克在总结维恩公式和瑞利—金斯公式的基础上,提出了可以将两者结合来解释黑体辐射,为此他提出了一个新的经验公式,即普朗克公式。这个经验公式提出之后,在实验验证中表现出了精准的吻合。普朗克敏锐地认识到,之所以出现这样的结果,里面一定蕴藏着更深刻的原理。于是在综合了前人数据的基础上,两个月后他首次提出了“量子”的概念,认为任何物体发射和吸收电磁波的时候,都应该以量子为单位。量子所携带的能量与电磁波的频率成正比,比例系数是一个普适常数,我们把它叫做普朗克常数,今天我们得到的数值为6.626196×10-34 焦耳秒。

    普朗克的这种分立化理论是对经典物理学的一个重大突破,不过尽管与数据符合得很好,但在当时并未引发太多关注。然而人类却从此开始,迈入了量子力学描述的时代。

    2.抖尽祖龙囊底智,咸阳回首亦成尘——量子力学的创立

    爱因斯坦是最早注意到量子假设有可能解决经典物理学困难的科学家。他用量子假设去解释光电效应问题,提出了光量子的概念,认为光束也是由光量子所组成,且光量子的能量也等于普朗克常数乘以它的频率。因此,光电效应的问题便可以迎刃而解了。电子逸出金属表面所对应的动能大小等于光量子的能量减去逸出功A,只有光量子的能量超出逸出功A才有电子逸出。这个方程被称之为光电效应方程,被看成是经典物理学向量子力学过渡的重要步骤。稍后玻尔运用光量子理论成功解释了氢原子的光谱。1916年,密立根从实验上确定爱因斯坦光电效应方程中的h正是普朗克常数。

    到这时为止,人们发现了光既具有波动性,又具有粒子性,波粒二象性的存在是确定无疑的。但是如何将波动性和粒子性两种截然不同的物理表征纳入同一理论体系之中,则让物理学家们大费神思。
    来自 | | 235楼 | | | |
    作者:陟云子 时间:2018-08-11 07:45
    (正文)

    1924年,德布罗意首先提出粒子也具有波动性的假设。他认为传统的几何光学是波动光学的近似,几何光学的规律可以归纳到费马的最小光程原理,而在经典力学中,同样存在着最小作用原理,二者在形式上十分近似。如果能将传统的经典力学也看成是“波动力学”的近似,那么就可以得到适用于原子体系的全新力学体系。因为光子的动量p等于普朗克常数除以波长,相应的波数k等于2π除以波长,所以德布罗意假设一个具有动量p的粒子伴随着波数为k的波,那么p和k的关系也和光子所满足的关系式一致。德布罗意提出的这个假设,在当时来说并没有实验依据,属于依据头脑风暴得到的结果。不过若将这种假设代入氢原子中定态轨道上的电子,用以计算它的波长时,那么就会发现电子按照玻尔理论在轨道上运动时,轨道周长正好是波长的整数倍,这样就能保证电子在轨道绕行一周之后,回到初始位置时和原来保持相同的相位,也就是说电子在轨道上是稳定运动的,不会出现经典力学中原子不稳定的结果。

    在随后的实验之中,物理学家们开始对德布罗意假设进行验证,并且在1927年由戴维森、革末、汤姆孙等人用电子束进行了晶体上的衍射实验,得到了电子具有波动性的结论,证实了德布罗意关系。随后一些能够表征光子具有波动性的经典实验,例如菲涅耳圆屏衍射、杨氏双缝干涉、圆形障碍阴影中心的泊松亮点等都可以用电子束实现。因为这一成就,德布罗意和戴维森、汤姆孙共同获得了1937年的诺贝尔物理学奖。德布罗意的理论,为俩字力学的建立奠定了最直接的基础。爱因斯坦就曾评价德布罗意:“揭开了巨大的帷幕的一角”。
    来自 | | 236楼 | | | |
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    • 作者:陟云子
    • 来自:天涯-天涯杂谈 前往来源
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    • 开贴:2018-06-01 10:02
    • 更新:2018-09-18 11:56
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