量子力学建立史上的三类重要实验分析.pdfVIP

维普资讯 第 20卷第 4期 湖北 民族学院学报 (自然科学版) Vo1．20 No．4 2002年 12月 JournalofHubeiInstituteforNationalities(NaturalScienceEdition) Dee．2002 量子力学建立史上 的三类重要实验分析 杨建平 (湖北民族学院 理学院，湖北 恩施 445000) 摘要 ：详细分析 了与量子论的建立的三个过程 ，对应的三类重要而著名实验 的背景、方法、现 象和结论及其对 量子论 的验证 ．进一步说明量子力学是 以实验为基础的重要理论及 实验在理论建立过程中的重要作用． 关键词 ：量子论；量子力学；物理实验；物理学史 中图分类号：N09；O413 文献标识码 ：A 文章编号 ：1008—842．3(2002)04—0087—03 量子论的创立已有 100多年，量子力学完整理论体系的建立也已有 70余年．然而在它建立的初期却经 历 了实验到理论 、理论到实验的多次反复 ．其最终确立经历了三个过程：一是光量子概念的确立 ，二是能量子 (原子 中量子态)的确定 ，三是物质粒子波粒二象性的确定 ．与这三个过程相对应 的有三类重要 的、有名的实 验 (有的在当时还只是思想实验)，一是证实光量子的黑体辐射、光电效应、康普顿效应等实验 ；二是证实原子 中量子态的光谱实验 、夫兰克——赫兹实验等；三是证实物质波性戴维孙——革末实验 、电子双逢干涉实验 等 ．今天 ，再 回顾一下这三类实验的过程 ，分析一下它们各说明的问题，对于进一步认识、理解 、学习量子论都 是很有益处 的，同时也进一步地认识到物理实验在重要理论的建立上所起的重要作用 ． 1 证实光量子的实验 1．1 黑体辐射 量子理论首先是在黑体辐射 问题上突破的 ．1859年，基耳霍夫就证 明，黑体与辐射达到平衡时，辐射能 量密度 E(v，T)随频率v变化 曲线 的形状及位置只与黑体的绝对温度 T有关 ，而与其形状及组成的物质无 关．对黑体辐射的研究就是研究其辐射本领 R(，T)或辐射能量密度 E(v，T)与辐射频率 v(或波长 )及黑体 温度 T的关系 ．在实验测得黑体辐射谱后 ，建立其函数表达式的问题 ，在历史上是逐步得到解决的． 维恩根据实验结果 ，得出了频率在 (v，v+ )之间的辐射能量密度 E(v，T)的经验关系 E(v，T) ： C1v3e—c2 dv，cl，c2为常数，此公式在高频部分符合较好…． 瑞利和金斯从能量按 自由度均分定律出发 ，得到：E(V，T)dv：-5kTv2dv， C 式中k=1．38×10一J／K为玻耳兹曼常量 ．此公式在低频部分符合较好 ，但随频率增大而与实验值的差距越 来越大 ，当 ∞时引起发散，这是当时有名的 “紫外灾难”． 1900年 l0月 19日普朗克在德国物理学会会议上提出了一个黑体辐射能量密度的分布公式 ： 一 ． ， E(v，T)dv=—8~rhW ， 即普朗克公式 ． C e — l 此公式提出之后，很快就有人作出更精确的实验，结果发现，公式与实验惊人精确地相符，这迫使普朗克 “不惜一切代价找到一个理论解释”，经过两个月的 日夜奋斗，l2月 14日普朗克在德 国物理学会上提出：电 磁辐射的能量交换只能是量子化的，即E=nhv，凡=1，2，3，…．这里的h后来称为普朗克常量 ，从此量子化的 概念诞生 了． 收稿 日期：2002—05—24． 基金项 目：湖北省教育厅 2002年度重点科研项 目(B类)． 作者简介：杨建平 (1964一)，女，副教授 ，主要从事物理学史的研究 维普资讯 88