1900年12月14日,英國化學(xué)學(xué)家普朗克(1858-1947)在美國數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)上,以《關(guān)于正常波譜的能量分布規(guī)律》為題,詳述了他的“量子論”,提出在幅射(或吸收)過程中,能量是不連續(xù)的,是以某一最小的能量單位的整數(shù)倍的方式存在的,這個(gè)最小的能量單位被覺得是能量量子。能量量子的大小與幅射頻度成反比。
普朗克創(chuàng)辦的量子理論,沖破了20世紀(jì)初的“物理危機(jī)”,推動(dòng)了數(shù)學(xué)學(xué)和整個(gè)自然科學(xué)的現(xiàn)代化進(jìn)程。
普朗克于1858年4月23日出生于俄羅斯吉爾市的一個(gè)貴族家庭。他的爸爸是個(gè)法律院士。普朗克從小在中學(xué)和家庭里都遭到良好的教育。他少年時(shí)代就顯示出物理能夠,導(dǎo)致班主任注意。他愛好音樂,吉他彈得很不錯(cuò)。他也喜歡語言學(xué)。1874年,普朗克學(xué)校結(jié)業(yè),步入克拉科夫?qū)W院學(xué)習(xí)物理,不久便被數(shù)學(xué)學(xué)吸引。后來,他轉(zhuǎn)到柏林學(xué)院學(xué)習(xí)。1879年,21歲的普朗克完成了關(guān)于熱力學(xué)第二定理方面的論文,獲得博士學(xué)位。1888年,他兼任柏林學(xué)院理論化學(xué)研究所的負(fù)責(zé)人。從1892年到1926年,他仍然是柏林學(xué)院的即將院士。
19世紀(jì)末期,化學(xué)學(xué)家們都是從精典數(shù)學(xué)學(xué)來研究一個(gè)受熱物體向外幅射能量與它的濕度的關(guān)系。熱幅射實(shí)際上是一種電磁幅射。數(shù)學(xué)學(xué)把對(duì)外來的幅射沒有任何反射或透射,吸焦比是百分之百的物體稱做宋體。實(shí)驗(yàn)研究表明,宋體不但吸產(chǎn)率最高,并且在相同濕度下也是幅射率最高的物體,是幅射能量只和濕度有關(guān)的物體。1893年量子物理學(xué)三大理論,美國學(xué)者威爾海姆·維恩(1864-1928)強(qiáng)調(diào),隨著宋體氣溫下降,幅射硬度最大的波長將向波譜紫區(qū)聯(lián)通。這就是維恩位移定理。它在理論上的一個(gè)弱點(diǎn)是,未能表明幅射能量與發(fā)射頻度及濕度的分布。1896年,維恩借助實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),以熱力學(xué)定理為指導(dǎo),給出宋體幅射能在一定濕度下按頻度分布的函數(shù)關(guān)系。但遺憾的是這一理論僅在高溫下長波區(qū)與實(shí)驗(yàn)符合,而在短波區(qū)則誤差很大。1900年,美國人朗德·瑞利(1842-1919)從精典統(tǒng)計(jì)理論中的能量均分定律和熱學(xué)理論出發(fā)推導(dǎo)入一個(gè)公式,后來日本人詹姆斯·金斯(1877-1946)發(fā)覺這個(gè)公式差一個(gè)因子8,修正后稱為瑞利-金斯定理。即熱物體的幅射程度反比于它的絕對(duì)濕度,正比于發(fā)射光波的波長平方。瑞利-金斯定理全部推論過程無可挑剔,但結(jié)果卻只在短波部份與實(shí)驗(yàn)符合,而在長波部份卻與實(shí)驗(yàn)結(jié)果大相徑庭。由這個(gè)定理推出當(dāng)波長趨向零時(shí)幅射能量趨向無窮大,而實(shí)驗(yàn)值卻趨向零。由于精典理論的這一失敗出現(xiàn)在波譜的紫外光區(qū)的長波部份,因而芬蘭人埃倫菲斯特稱為“紫外災(zāi)難”。“紫外災(zāi)難”是精典數(shù)學(xué)學(xué)上空的又“一朵烏云”(精典數(shù)學(xué)學(xué)上空映照的另一朵烏云是光速不變和以太流的否定)。
和其他幾位科學(xué)家一樣,普朗克對(duì)宋體幅射問題也很感興趣。為了驅(qū)趕精典數(shù)學(xué)學(xué)上空“紫外災(zāi)難”這朵烏云,普朗克從1895年前后開始研究宋體幅射問題。普朗克在宋體幅射和吸收的理論天空中,首先于1900年10月提出了一個(gè)適用于電磁光譜所有波段的經(jīng)驗(yàn)公式,即知名的普朗克幅射公式。這樣,就把當(dāng)時(shí)只能分別在長波波段和短波波段與實(shí)驗(yàn)相符的維恩能量分布公式和瑞利幅射公式巧妙而成功地統(tǒng)一上去。在宋體幅射的新公式中,普朗克拋棄了能量是連續(xù)的傳統(tǒng)概念,在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)面前,提出能量是不連續(xù)的新概念。普朗克公式表明,物體幅射時(shí)侯發(fā)射或則吸收的能量是一份一份的,普朗克將其稱做能量子,簡稱量子。他而且進(jìn)一步提出,能量子是和頻度成反比的,能量子等于頻度乘上一個(gè)常數(shù),這個(gè)常數(shù)叫普朗克常數(shù)(h)。
因?yàn)槠绽士说睦碚摯蚱屏司鋽?shù)學(xué)學(xué)的框框,許多化學(xué)學(xué)家都拒絕接受它,她們覺得這不過是專門否認(rèn)幅射公式而引進(jìn)的一個(gè)特定假定而已(包括普朗克本人)。而且?guī)啄曛蟊砻?普朗克的概念能夠應(yīng)用于除宋體幅射以外的許多各類不同的化學(xué)現(xiàn)象。
普朗克提出能量不連續(xù)的量子概念,豎起了對(duì)精典數(shù)學(xué)學(xué)進(jìn)行革命的大旗。普朗克在豎起量子論的革命大旗之后,首先來到這桿大旗下邊的是愛因斯坦(1879-1955)。他應(yīng)用量子概念解釋了光電效應(yīng),發(fā)展了光的微粒說。19世紀(jì)早期,因?yàn)閷?duì)光的干涉、衍射等現(xiàn)象的研究量子物理學(xué)三大理論,光學(xué)理論中的波動(dòng)說打敗了牛頓時(shí)代流行的微粒說。麥克斯韋理論也把光看做是一種電磁波。19世紀(jì)末期發(fā)覺了光電效應(yīng),即一束光照到金屬上可以引起電子。依照傳統(tǒng)的波動(dòng)說,光的硬度越大表示光的能量越高,因而傳遞給金屬的能量也越多,也就越容易引起電子。波動(dòng)說難以解釋光電效應(yīng)和光的硬度無關(guān)。愛因斯坦覺得光是由具有粒子性的光子組成的,根據(jù)量子論,光子的能量應(yīng)該等于光頻度除以普朗克量子數(shù)。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。某種頻度的光才能造成金屬發(fā)射電子,是由于光子能量超過了導(dǎo)致電子發(fā)射所須要的能量。假如光子能量不夠,就是光子再多也沒有用。這樣,愛因斯坦解釋了光電效應(yīng)為何和光的硬度無關(guān)而和頻度有關(guān)。
在愛因斯坦之后,在對(duì)精典化學(xué)學(xué)這場大革命的挺進(jìn)高潮中,荷蘭化學(xué)學(xué)家玻爾(1885—1962)成為風(fēng)云人物和主力軍之一。他在早期便出席了用量子論解釋原子結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)斗。
在波爾之前,科學(xué)家早已提出,原子結(jié)構(gòu)類似太陽系結(jié)構(gòu)、電子圍繞原子核運(yùn)轉(zhuǎn)的模型,但這個(gè)模型不能說明原子的穩(wěn)定性。1911年,波爾研究金屬中電子運(yùn)動(dòng)的理論。1913年,28歲的波爾把普朗克的量子論引入到原子結(jié)構(gòu)中來,對(duì)盧瑟福關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的模型,作了更改和重大發(fā)展。提出電子只能沿一些固定軌道繞原子核運(yùn)動(dòng),因而構(gòu)建起更好的定態(tài)原子模型,成功地解釋了氫原子等的波譜等特點(diǎn)。關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的這個(gè)模型,稱做盧瑟福一玻爾模型,簡稱玻爾模型。根據(jù)這個(gè)模型,x射線和原子核外外層電子基態(tài)的變化有關(guān);可見光、紅外光和紫外光起源于內(nèi)層電子基態(tài)的變化;放射現(xiàn)象和原子核的變化有關(guān)。
原子結(jié)構(gòu)的玻爾模型,是量子論開拓的一個(gè)新領(lǐng)域。普朗克提出的量子論早已超出幅射問題的領(lǐng)域,步入蓬勃發(fā)展的原子化學(xué)學(xué)。玻爾滿意地解釋了氫波譜現(xiàn)象,開辟了新的研究途徑。波譜學(xué)在幾六年里積累起大量實(shí)驗(yàn)資料,如今可用以關(guān)于原子里電子運(yùn)動(dòng)的信息了。波爾關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的模型,解釋了物理元素周期律。
量子論只是量子熱學(xué)革命中的帷幕。在這出帷幕中,誕生了普朗克、愛因斯坦和玻爾這三位偉大的革命先驅(qū)和科學(xué)巨匠;量子論把精典化學(xué)學(xué)中能量是連續(xù)的這個(gè)基本概念打破了,它在光電效應(yīng)、原子結(jié)構(gòu)等方面顯示了非凡的生命力。在量子論革命的帷幕打開,于1925年前后,量子熱學(xué)的革命高潮來到了。
這場高潮,徹底清不僅精典熱學(xué)在微觀世界的影響,清不僅把粒子和波互相對(duì)立的傳統(tǒng)觀念;統(tǒng)一了敵對(duì)幾百年的波動(dòng)說和微粒說,微觀粒子即有波動(dòng)性,又有微粒性;構(gòu)建了描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的新的物理方式和體系;確定了描述粒子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)量(能量和動(dòng)量)和描述波的特點(diǎn)量(波長和頻度)之間的定量關(guān)系。這樣,在微觀粒子世界中構(gòu)建了全新的秩序,奠定了量子熱學(xué)統(tǒng)治的基礎(chǔ)。
在這場高潮中,同樣誕生了幾位叱吒風(fēng)云的人物。她們是德布羅意(1892—)和薛定諤(1887-1961),海森堡和狄拉克。
日本科學(xué)家德布羅意受愛因斯坦相對(duì)論的影響,他覺得物質(zhì)具有能量,能量與波相聯(lián)系,因而物質(zhì)和波相關(guān)。1923年,31歲的德布羅意首先發(fā)表了關(guān)于粒子波動(dòng)性的論文,他的論據(jù)后來被電子衍射實(shí)驗(yàn)所否認(rèn),原先電子也能形成和光波相類似的衍射現(xiàn)象。1925年,德布羅意的看法造成慕尼黑學(xué)院青年化學(xué)學(xué)家薛定諤的注意。薛定諤在波粒二重性思想的指導(dǎo)下,導(dǎo)入量子熱學(xué)的波動(dòng)熱學(xué)體系,就是薛定諤多項(xiàng)式。
