物理学史-量子力学发展史.ppt

物理学史 李宏荣 量子序幕 第十章 量子力学的建立与发展 玻尔的量子理论尽管取得了不少令人惊奇的成果，但也遇到严重困难。困难之一是它面临着一系列解决不了的问题，例如：它无法解释氦原子光谱，也无法对诸如反常塞曼效应一类新现象作出令人满意的说明；困难之二是内在的不协调。例如：对应原理的应用往往因人因事而异，没有统一规则。有人曾这样形容当时物理学界的处境：星期一三五用辐射的经典理论；而在星期二四六则应用辐射的量子理论。这确实反映了当时物理学的混乱情况，需要重新认识电子的行为，建立新的概念，对玻尔理论作进一步的改造。 1924 年泡利(W.Pauli)提出不相容原理。这个原理促使乌伦贝克(G.E.Uhlenbeck)和高斯密特(S.A.Goudsmit)在1925 年提出电子自旋的假设。从而使长期得不到解释的光谱精细结构、反常塞曼效应和斯特恩-盖拉赫实验等难题迎刃而解。正好在这个时候，海森伯创立了矩阵力学，使量子理论登上了一个新的台阶。1923 年德布罗意提出物质波假设，导致了薛定谔在1926 年以波动方程的形式建立新的量子理论。不久薛定谔证明，这两种量子理论是完全等价的，只不过形式不同罢了。 1928 年狄拉克提出电子的相对论性运动方程——狄拉克方程，奠定了相对论性量子力学的基础。他把量子论与相对论结合在一起，很自然地解释了电子自旋和电子磁矩的存在，并预言了正负电子对的湮没与产生。1933 年狄拉克还提出量子力学的第三种表述方式，这就是后来由费因曼发展的路径积分量子化形式。费因曼用这种量子理论研究电子和光子的相互作用，为量子电动力学的发展打开了新局面。 量子论和相对论是现代物理学的两大基石。如果说相对论给我们提供了新的时空观，就可以说量子论给我们提供了新的关于自然界的表述方法和思考方法。量子力学揭示了微观物质世界的基本规律，为原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学奠定了理论基础。 电子自旋概念的提出 玻尔理论提出之后，最令人头疼的事情莫过于反常塞曼效应的规律无法解释。1921 年，杜宾根大学的朗德(A.Landé)认为，根据反常塞曼效应的实验结果看来，描述电子状态的磁量子数为了解释半量子数的存在，理论家费尽了心机，提出了种种假说。 1924 年，泡利通过计算发现，满壳层的原子实应该具有零角动量，因此他断定反常塞曼效应的谱线分裂只是由价电子引起，而与原子实无关。显然价电子的量子论性质具有“二重性”。他写道： “在一个原子中，决不能有两个或两个以上的同科电子，对它们来说，在外场中它们的所有量子数n、k1、k2、m（或n、k1、m1、m2）都是相等的。如果在原子中出现一个电子，它们的这些量子数（在外场中）都具有确定的数值，那么这个态就说是已被占据了。”这就是著名的不相容原理。泡利提出电子性质有二重性实际上就是赋予电子以第四个自由度。电子自旋再加上不相容原理，已经能够比较满意地解释元素周期表了。所以泡利的思想得到了大多数物理学家的赞许。然而二重性和第四个自由度的物理意义究竟是什么，连泡利自己也说不清楚。 这时有一位来自美国的物理学家克罗尼格(R.L.Kronig)，对泡利的思想非常感兴趣。他从模型的角度考虑，认为可以把电子的第四个自由度看成是电子具有固有角动量，电子围绕自己的轴在作自转。根据这个模型，他还作了一番计算，得到的结果竟和用相对论推证所得相符。于是他急切地找泡利讨论，那里想到，克罗尼格的自转模型竟遭到泡利的强烈反对。泡利对克罗尼格说：“你的想法的确很聪明，但是大自然并不喜欢它。”泡利不相信电子会有本征角动量。他早就考虑过绕轴自旋的电子模型，由于电子的表面速度有可能超过光速，违背了相对论，所以必须放弃。更根本的原因是泡利不希望在量子理论中保留任何经典概念。克罗尼格见泡利这样强烈的态度，也就不敢把自己的想法写成论文发表。 半年后，荷兰著名物理学家埃伦费斯特的两个学生，一个叫乌伦贝克，一个叫高斯密特，在不知道克罗尼格工作的情况下提出了同样的想法。他们找埃伦费斯特讨论，埃伦费斯特认为他们的想法非常重要，当然也可能完全错了，建议他们写成论文拿去发表。于是，他们写了一篇只有一页的短文请埃伦费斯特推荐给《自然》杂志。接着他们两人又去找物理学界老前辈洛仑兹请教。洛仑兹热诚地接待了他们，答应想一想再回答。一周后再见到洛仑兹时，洛仑兹给他们一叠稿纸，稿纸上写满了计算式子和数字。并且告诉他们，如果电子围绕自身轴旋转，其表面速度将达到光速的十倍。这个结果当然是荒唐的，于是他们马上回去请埃伦费斯特还给他们那篇论文，承认自己是在胡闹。可是出乎他们意料，埃伦费斯特早已把论文寄走了，大概马上就要发表。乌伦贝克和高斯密特感到非常懊丧，埃伦费斯特劝他们说：“