《原子能級(jí)和量子躍遷》 省賽獲獎(jiǎng)

原子能級(jí)和量子躍遷量子論的誕生量子力學(xué)以一種迂回的方式，出來搭救這些自我毀滅的經(jīng)典原子。它始于一個(gè)并非存心要鬧革命的德國(guó)物理學(xué)家普朗克（MaxPlanck）。普朗克的工作實(shí)際上要比盧瑟福的原子模型早十年。當(dāng)時(shí)所有的理論都不能夠解釋一個(gè)物體的溫度和它發(fā)出的電磁輻射的量之間的關(guān)系：比如，一個(gè)燒紅了的火鉗，當(dāng)再加熱時(shí)為什么會(huì)變白。當(dāng)時(shí)的理論學(xué)家是根據(jù)一種理想的模型來作出預(yù)言的，這種模型叫做“黑體”，它百分之百地發(fā)出或吸收輻射。在輻射譜的紅端也就是低頻部分，黑體模型與實(shí)驗(yàn)符合得很好。對(duì)于高頻部分，它預(yù)言物體將發(fā)出無(wú)窮大的能量。這個(gè)荒謬的結(jié)果被戲稱為“紫外災(zāi)難”。事實(shí)上，觀測(cè)表明，輻射的密度在高頻和低頻端都很小，而在中間某個(gè)地方出現(xiàn)有一個(gè)峰，峰的位置決定于發(fā)出輻射的物體的溫度。

時(shí)間之箭---第四章時(shí)間的量子躍遷玻耳茲曼首先創(chuàng)立了一種統(tǒng)計(jì)力學(xué)方法作為熱力學(xué)的基礎(chǔ)，這種方法的根據(jù)是假設(shè)原子和分子存在。作為一個(gè)原子論的反對(duì)者，普朗克當(dāng)時(shí)拒絕用這種方法。其實(shí)早在1891年的一次偶然見面中，玻耳茲曼就曾對(duì)普朗克和奧斯特瓦爾德談到，在他看來，“沒有理由認(rèn)為，能量不是分成一個(gè)一個(gè)‘原子’的”。作為一個(gè)老派物理學(xué)家的普朗克，最終反悔而接受了玻耳茲曼的建議。他最后得到的定律對(duì)黑體譜給出了十分漂亮的描述。為了導(dǎo)出他的定律，普朗克確實(shí)不得不假定，電磁輻射所攜帶的能量是一份一份的，他把這叫做量子。他發(fā)現(xiàn)，像物質(zhì)一樣，能量也只能被分成為有限的份數(shù)，而不是無(wú)限多份。他這個(gè)工作的中心點(diǎn)是一個(gè)數(shù)學(xué)關(guān)系，它表明，量子的能量可以用輻射的頻率，乘以一個(gè)新的基本自然常數(shù)來計(jì)算，現(xiàn)在這個(gè)常數(shù)就被稱為普朗克常數(shù)。能量和輻射頻率之間的這一簡(jiǎn)單的“普朗克關(guān)系”，實(shí)際上說明了能量和頻率是同一種東西，只不過是用不同的單位來表示罷了。

時(shí)間之箭---第四章時(shí)間的量子躍遷玻爾原子和量子論

針對(duì)經(jīng)典力學(xué)不能對(duì)付盧瑟福的自我毀滅的原子，玻爾提出了一個(gè)盡管不優(yōu)雅，但是帶有根本性變革的解決辦法，這個(gè)辦法介于經(jīng)典力學(xué)和現(xiàn)代量子力學(xué)之間。他對(duì)圍繞原子核旋轉(zhuǎn)的電子，簡(jiǎn)單地提出了一個(gè)人為的假定——用新的量子法則取代牛頓力學(xué)。 像以前認(rèn)為的那樣，電子在不同的軌道上運(yùn)行，頗像圍繞太陽(yáng)的行星。但是當(dāng)原子接收到電磁能量時(shí)，例如吸收了一個(gè)光子，則其中一個(gè)電子會(huì)立即跳到離原子核更遠(yuǎn)的另一個(gè)軌道上。這就解釋了獨(dú)特的分立譜線，因?yàn)橹挥挟?dāng)電子再跳回到它原來的軌道，即“穩(wěn)定的量子態(tài)”時(shí)，才會(huì)有光輻射出來。這里我們可以看到量子體系的一個(gè)主要特征：能量不是以一種連續(xù)的方式被吸收或者輻射出來，而是只能在發(fā)生突然的量子躍遷時(shí)，按照原子的能級(jí)而改變。

時(shí)間之箭---第四章時(shí)間的量子躍遷愛因斯坦出場(chǎng)他這一成就解決的中心問題，是所謂的光電效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)表明，照射在固體金屬表面上的光，可以使金屬發(fā)射出電子。這些電子的能量不隨光的強(qiáng)度變化，而是隨光的顏色變化。這樣的行為完全不能用經(jīng)典的電磁理論來說明，因?yàn)榘凑者@一理論，光的強(qiáng)度越大，從金屬里面打出的電子的速度也就越大。但實(shí)際觀測(cè)到的是，當(dāng)顏色給定時(shí)增加光的強(qiáng)度，只會(huì)打出更多的電子，而電子的能量卻保持不變。為了解釋這個(gè)現(xiàn)象，愛因斯坦認(rèn)為，能量是以微小份額的形式由光線攜帶的，他把這稱為“光量子”。比較亮的光線表明有更多的量子——所以能從金屬中打出更多的電子。頻率比較高的光意味著更大的量子，所以逃逸出來的電子會(huì)具有更大的速度。在某一量子尺度下，電子就完全不能夠獲得足夠的能量而離開金屬表面。

時(shí)間之箭---第四章時(shí)間的量子躍遷波和粒子波-粒子雙重性對(duì)顯示光的波動(dòng)本質(zhì)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)來說，是一個(gè)意想不到的周折。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是楊（ThomasYoung）在十九世紀(jì)初進(jìn)行并分析的。他讓從一個(gè)光源發(fā)出的光，投射到一個(gè)開有兩條狹縫的不透明的屏上。這兩條狹縫就像一個(gè)二次光源，光穿過它們之后繼續(xù)傳播，最后投射到一個(gè)屏幕上，形成明顯的明暗相間的帶狀條紋，這是一種典型的干涉作用。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是光的波動(dòng)本質(zhì)的一個(gè)很好說明：讓一列并行的水波通過水中開有兩條狹縫的屏障，也能夠產(chǎn)生出類似的干涉圖樣。當(dāng)水波從這對(duì)挨得很近的狹縫中通過后，有些地方的波相消，另一些地方的波相長(zhǎng)，這就出現(xiàn)了動(dòng)靜相間的干涉條紋。

時(shí)間之箭---第四章時(shí)間的量子躍遷所謂的量子躍遷就是微觀狀態(tài)發(fā)生跳躍式變化的過程。由于微觀粒子的狀態(tài)常常是分立的，所以從一個(gè)狀態(tài)到另一個(gè)狀態(tài)的變化常常是跳躍式的。量子躍遷發(fā)生之前的狀態(tài)稱為初態(tài)，躍遷發(fā)生之后的狀態(tài)稱為末態(tài)。例如，原子在光的照射下從高能態(tài)放出一個(gè)光子而躍遷到低，能態(tài)就是一種量子躍遷過程，稱為原子的“受激輻射”。

時(shí)間之箭---第四章時(shí)間的量子躍遷在外界作用下，任何一種量子力學(xué)體系狀態(tài)發(fā)生跳躍式變化的過程。原子在光的照射下從高(低)能級(jí)跳到低（高）能級(jí)，就是一種典型的量子躍遷過程，通常稱為能級(jí)躍遷。在原子狀態(tài)發(fā)生躍遷的同時(shí)，將放出（吸收）一個(gè)光子，其能量hv等于躍遷前后兩狀態(tài)的能量差。這是能量守恒定律在基元過程中的具體表現(xiàn)。即使不受光的照射，處于激發(fā)狀態(tài)的原子在電磁場(chǎng)真空（電磁場(chǎng)中一個(gè)光子也沒有的狀態(tài)）的作用下仍能躍遷到較低能級(jí)，同時(shí)放出一個(gè)光子，這稱為自發(fā)躍遷或自發(fā)輻射。

時(shí)間之箭---第四章時(shí)間的量子躍遷量子躍遷發(fā)生之前的狀態(tài)稱為初態(tài)，躍遷發(fā)生之后的狀態(tài)稱為末態(tài)。例如，原子在光的照射下從高能態(tài)放出一個(gè)光子而躍遷到低能態(tài)就是一種量子躍遷過程，稱為原子的“受激輻射”。反之，在光照下原子從低能態(tài)吸收一個(gè)光子而躍遷到高能態(tài)，則稱為“吸收”過程。在這些過程中放出或吸收的光子的能量等于原子的初態(tài)和末態(tài)兩個(gè)能級(jí)之差，這是能量守恒定律在微觀現(xiàn)象中的體現(xiàn)。不受到光的照射，處于激發(fā)態(tài)的原子也可能自動(dòng)躍遷到低能態(tài)，同時(shí)放出一個(gè)光子，此過程稱為“自發(fā)輻射”。此外在原子核和基本粒子現(xiàn)象中也存在許多量子躍遷現(xiàn)象，如原子核和基本粒子的衰變過程、聚變過程和裂變過程等。

時(shí)間之箭---第四章時(shí)間的量子躍遷

在這一章中，我們概括地評(píng)述了量子論令人困惑的課題。我們的結(jié)論是，它充其量也只是一個(gè)完備的理論。