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物学
量序幕下
李宏荣
第十章量子力学的建立与发展
玻尔的量子理论尽管取得『不少令人惊奇的成果,但也遇到严重图难。田难之一是面临
着一無列解决不了的闩题,例如:宅无法解释氦原子光谱,也无法对请如反奉塞曼效应
类新现象作出令人瞒意的说明;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,没有统一規則。有人曾这样形蓉当肘物理学界的处境:星期一兰五用辐射的
经典理论;而在星期二叫六则应用辐射的量子理论。这确实反腆了当时物理学的泥乱情况,
禹要重新认识电子的行为,建立新的概念,对玻尔理论作迸一步的改造。
1924年泡利(WPau提出不相农原理。这个原理促使鸟伦贝克( G E Uhlenbeck和高斯
构、反常曼效应和斯特恩-盖拉赫实验等难題迎刃而解。正好在这个时候,海森伯创立
了薛定谔在1926年以波动方程的形丸建立新的量子理论。不久薛定谔证明,这西种量子
理论是丸金等价的,只不过形式不同了
1928年狄克提出电子的相对论性运动方程一秋拉克方程,奠定了相对论性量子力
擎的基础。他把量子论与相对论结合在一起,根自然地解释了电子自旋和电子碩矩的存在
并预言了正负电子对的湮没与产生。1933年狄按克还提出量子力学的第三种表述方式
这就是后来由赉因曼发晨的路径积分量子化形式。费因曼用这种量子理论研光电子和光子
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肘空观,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恩考方法。量子力学揭示了微观
物质世
基本规
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銮曼效应的规徫无法解释。1921年,
杜宾根大学的朗德( A Lande)认为,根据反幸鏨曼效应的实验结果看来,描述电子状态的
量子数为丁解释半量子数的存在,理论家赉尽丁心机,堤出了种种假说。
1924年,泡利通过计算发现,满壳层的原子实应该具有黍角动量,因此他断定反常墼
曼数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
重性”。他写道
在一个原子中,决不能有西个或两个以上的同科电子,对宅们
来说,左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(在外杨中)都具有确定的数值,那么这个
态就说是已被占据了。”这就是著名的不相翝原理。泡利提出电子性质有二重性实际上就
是赋予电子以第凹个自由度。电子自旋再加上不相农原理,已经能碜比较满意地解释元素
周期表了。所以饱利的思想得到了大多数物理学家的赞許。然而二重性和第凹个自由度的
物理意义究竞是什么,连饱利自己也说不渍楚
这肘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着成是电子具有固有角动量,电子
统自己的轴在作自转。根据这个模型,他还作了一番计算,得到的结果竞和用相对论推证」
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竞遭到饱利的强烈
反对。饱利对克罗尼格说:“你的想法的确很飈明,但是大自然并不喜欢之。”利不相
信电子会有本征角动量。他旱就考虑过统轴自旋的电子棋型,由于电子的表面速度有可能
超过老速,违背了相对论,所以必须被弃。更根本的原因是饱利不希望在量子理论中保留
任何经典概佥。克罗尼格见跑利这样强烈的态度,也就不敢把自已的想法雪成论文发表。
半年后,荷三著名物理学家埃伦费斯精的而个学生,一个叫乌伦贝克,一个叫高斯密持
在不知道克罗尼格工作的情况下提出了同样的想法。他们找埃伦赉斯特讨论,埃伦斯特
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
们亐了一篇只有一页的短文请埃伦赉斯特推荐给《自然》杂志。接着他们两人又去我物理
学界老前辈洛仑兹请教。洛仑兹热淢地接待了他们,苍应想一想再凹签。一周后再见到洛
心兹时,洛心兹给他们一叠槁纸,稿纸上写满了计算式子和数字。并且告诉他们,如果电
子阖統自身籼旋转,其表面速度将达到光速的十倍。这个結果当然是荒唐的,于是他们马
上口去请埃伦赉斯特还给他们那篇论文,承认自己是在胡闱。可是虫乎他们悫科,埃伦赞
斯持旱已把论文寺走了,大概马上就要发表。鸟伦贝克和高斯密持感到非常懊丧,埃伦娄
斯精劝他们说:“你们还很年轻,做点蠢事不要紧。”
鸟伦贝克和高斯密精的论文刊出后,海森伯立刻来信表示赞许,并认为可以利用自旋一
轨道耦合作用,解决沲利理论中所謂“二重性”的困难。不过,糠手的问題是如何解释双
线公式中多出的因
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