量子假說與物理學(xué)界幾百年來信奉的“自然界無跳躍”直接矛盾,因此量子理論出現(xiàn)后,許多物理學(xué)家不予接受.普朗克本人也十分動(dòng)搖,后悔當(dāng)初的大膽舉動(dòng),甚至放棄了量子論繼續(xù)用能量的連續(xù)變化來解決輻射的問題.但是,歷史已經(jīng)將量子論推上了物理學(xué)新紀(jì)元的開路先鋒的位置,量子論的發(fā)展已是銳不可擋.
第一個(gè)意識到量子概念的普遍意義并將其運(yùn)用到其它問題上的是愛因斯坦.他建立了光量子理論解釋光電效應(yīng)中出現(xiàn)的新現(xiàn)象.光量子論的提出使光的性質(zhì)的歷史爭論進(jìn)入了一個(gè)新的階段.自牛頓以來,光的微粒說和波動(dòng)說此起彼伏,愛因斯坦的理論重新肯定了微粒說和波動(dòng)說對于描述光的行為的意義,它們均反映了光的本質(zhì)的一個(gè)側(cè)面：光有時(shí)表現(xiàn)出波動(dòng)性,有時(shí)表現(xiàn)出粒子性,但它既非經(jīng)典的粒子也非經(jīng)典的波,這就是光的波粒二重性.主要由于愛因斯坦的工作,使量子論在提出之后的最初十年里得以進(jìn)一步發(fā)展.
在1911年,盧瑟福提出了原子的行星模型,即電子圍繞一個(gè)位于原子中心的微小但質(zhì)量很大的核,即原子核的周圍運(yùn)動(dòng).在此后的20年中,物理學(xué)的大量研究集中在原子的外圍電子結(jié)構(gòu)上.這項(xiàng)工作創(chuàng)立了微觀世界的新理論,量子物理,并為量子理論應(yīng)用于宏觀物體奠定了基礎(chǔ).但是原子中心微小的原子核仍然是個(gè)謎.
原子核是微觀世界中的重要層次,量子力學(xué)是研究微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理論,是現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)之一,是探索原子核奧秘所不可缺少的工具.在原子量子理論被提出后不久,物理學(xué)家開始探討原子中微小的質(zhì)量核--原子核.在原子中,正電原子核在靜態(tài)條件下吸引負(fù)電子.但是什么使原子核本身能聚合在一起呢?原子核包含帶正電質(zhì)子和不帶電的中子,兩者之間存在巨大的排斥力,而且質(zhì)子彼此排斥（不帶電的中子沒有這種排斥力）.使原子核聚合在一起,并且克服侄子間排斥力的是一種新的強(qiáng)大的力,它只在原子核內(nèi)部起作用.原子彈的巨大能量就來自這種強(qiáng)大的核力.原子核和核力性質(zhì)的研究對20世紀(jì)產(chǎn)生了巨大的影響,放射現(xiàn)象、同位素、核反應(yīng)、裂變、聚變、原子能、核武器和核藥物都是核物理學(xué)的副產(chǎn)品.
丹麥物理學(xué)家玻爾首次將量子假設(shè)應(yīng)用到原子中,并對原子光譜的不連續(xù)性作出了解釋.他認(rèn)為,電子只在一些特定的圓軌道上繞核運(yùn)行.在這些軌道上運(yùn)行時(shí)并不發(fā)射能量,只當(dāng)它從一個(gè)較高能量的軌道向一個(gè)較低軌道躍遷時(shí)才發(fā)射輻射,反之吸收輻射.這個(gè)理論不僅在盧瑟福模型的基礎(chǔ)上解決了原子的穩(wěn)定性問題,而且用于氫原子時(shí)與光譜分析所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合,因此引起了物理學(xué)界的震動(dòng).玻爾指導(dǎo)了19世紀(jì)20到年代的物理學(xué)家理解量子理論聽起來自相矛盾的基本結(jié)構(gòu),他實(shí)際上既是這種理論的“助產(chǎn)師”又是護(hù)士.
玻爾的量子化原子結(jié)構(gòu)明顯違背古典理論,同樣招致了許多科學(xué)家的不滿.但它在解釋光譜分布的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律方面意外地成功,使它獲得了很高的聲譽(yù).不過玻爾的理論只能用于解決氫原子這樣比較簡單的情形,對于多電子的原子光譜便無法解釋.舊量子論面臨著危機(jī),但不久就被突破.在這方面首先取得突破的是法國物理學(xué)家德布羅意.他在大學(xué)時(shí)專業(yè)學(xué)的是歷史,但他的哥哥是研究X射線的著名物理學(xué)家.受他的影響,德布羅意大學(xué)畢業(yè)后改學(xué)物理,與兄長一起研究X射線的波動(dòng)性和粒子性的問題.經(jīng)過長期思考,德布羅意突然意識到愛因斯坦的光量子理論應(yīng)該推廣到一切物質(zhì)粒子,特別是光子.1923年9月到10月,他連續(xù)發(fā)表了三篇論文,提出了電子也是一種波的理論,并引入了“駐波”的概念描述電子在原子中呈非輻射的靜止?fàn)顟B(tài).駐波與在湖面上或線上移動(dòng)的行波相對,吉它琴弦上的振動(dòng)就是一種駐波.這樣就可以用波函數(shù)的形式描繪出電子的位置.不過它給出的不是我們熟悉的確定的量,而是統(tǒng)計(jì)上的“分布概率”,它很好地反映了電子在空間的分布和運(yùn)行狀況.德布羅意還預(yù)言電子束在穿過小孔時(shí)也會發(fā)生衍射現(xiàn)象.1924年,他寫出博士論文“關(guān)于量子理論的研究”,更系統(tǒng)地闡述了物質(zhì)波理論,愛因斯坦對此十分贊賞.不出幾年,實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家真的觀測到了電子的衍射現(xiàn)象,證實(shí)了德布羅意的物質(zhì)波的存在.
沿著物質(zhì)波概念繼續(xù)前進(jìn)并創(chuàng)立了波動(dòng)力學(xué)的是奧地利物理學(xué)家薛定諤.他從愛因斯坦的一篇論文中得知了德布羅意的物質(zhì)波概念后立刻接受了這個(gè)觀點(diǎn).他提出,粒子不過是波動(dòng)輻射上的泡沫.1925年,他推出了一個(gè)相對論的波動(dòng)方程,但與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不完全吻合.1926年,他改而處理非相對論的電子問題,得出的波動(dòng)方程在實(shí)驗(yàn)中得到了證實(shí).
1925年,德國青年物理學(xué)家海森伯格寫出了一篇名為《關(guān)于運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)關(guān)系的量子論重新解釋》的論文,創(chuàng)立了解決量子波動(dòng)理論的矩陣方法.玻爾理論中的電子軌道、運(yùn)行周期這樣古典的然而是不可測量的概念被輻射頻率和強(qiáng)度所代替.經(jīng)過海森伯格和英國一位年輕的科學(xué)家狄喇克的共同努力,矩陣力學(xué)逐漸成為一個(gè)概念完整、邏輯自洽的理論體系.
波動(dòng)力學(xué)與矩陣力學(xué)各自的支持者們一度爭論不休,指責(zé)對方的理論有缺陷.到了1926年,薛定諤發(fā)現(xiàn)這兩種理論在數(shù)學(xué)上是等價(jià)的,雙方才消除了敵意.從此這兩大理論合稱量子力學(xué),而薛定諤的波動(dòng)方程由于更易于掌握而成為量子力學(xué)的基本方程.
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