德國科學(xué)家愛因斯坦(Albert Einstein,1879-1955)堅(jiān)信宇宙中一切物理現(xiàn)象的背后都蘊(yùn)藏著完整的統(tǒng)一性,因此,麥克斯韋的電磁學(xué)理論必須要與經(jīng)典力學(xué)統(tǒng)一起來.愛因斯坦為了解決這一矛盾,做出了一個(gè)假設(shè):假設(shè)有個(gè)人能夠達(dá)到光的速度,與光并肩齊行,那么他就會(huì)發(fā)現(xiàn)靜止的光.但是,根據(jù)麥克斯韋的電磁學(xué)原理,振動(dòng)的電磁波是不可能觀測到的,而且波也不可能處于靜止?fàn)顟B(tài),也就是說,宇宙中不可能存在光在靜止?fàn)顟B(tài)的參照系,對于任何一個(gè)參照系來說,都只有屬于這個(gè)參照系的時(shí)間與空間.因此,愛因斯坦確信,光在所有參照系中速度必然相同.根據(jù)這一物理法則,愛因斯坦進(jìn)行了多年的探索和研究,1905年創(chuàng)立了狹義相對論,揭示了時(shí)間和空間的本質(zhì)聯(lián)系,引起了物理學(xué)基本概念的重大變革,開創(chuàng)了物理學(xué)的新世紀(jì);提出了光量子論,解釋了光電現(xiàn)象,揭示了微觀客體的波粒二重性,用分子運(yùn)動(dòng)論解決布朗運(yùn)動(dòng)問題;發(fā)現(xiàn)了質(zhì)能之間的相當(dāng)性,在理論上為原子能的釋放和應(yīng)用開辟道路.愛因斯坦的相對論與麥克斯韋的電磁學(xué)理論完美地結(jié)合在一起,從而推動(dòng)了物理學(xué)上的一次意義深遠(yuǎn)的重大革命.
1913年,丹麥物理學(xué)家玻爾(Niels Henrik David Bohr,1885~1962)以《論原子構(gòu)造和分子構(gòu)造》為題發(fā)表了長篇論文,為20世紀(jì)原子物理學(xué)開辟了道路.他采用了當(dāng)時(shí)已有的量子概念,提出了幾條基本的“公設(shè)”,提出了至今仍很重要的原子定態(tài)、量子躍遷等概念,有力地沖擊了經(jīng)典理論,推動(dòng)了量子力學(xué)的形成.玻爾認(rèn)為,按照經(jīng)典理論來描述的周期性體系的運(yùn)動(dòng)和該體系的實(shí)際量子運(yùn)動(dòng)之間存在著一定的對應(yīng)關(guān)系,這一對應(yīng)原理成為從經(jīng)典理論通向量子理論的橋梁.玻爾對各種元素的光譜和X射線譜、光譜線的(正常)塞曼效應(yīng)和斯塔克效應(yīng)、原子中電子的分組和元素周期表,甚至還有分子的形成,都提出了相對合理的理論詮釋.
1916年美國物理學(xué)家羅伯特·密立根(Robert Andrews kan,1868~1953)發(fā)表了光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證了愛因斯坦的光量子說.
美國物理學(xué)家康普頓(Arthur Holly Compton,1892~1962)1921年在實(shí)驗(yàn)中證明了X射線的粒子性.1923年他發(fā)表了X射線被電子散射所引起的頻率變小現(xiàn)象,即康普頓效應(yīng),這是近代物理學(xué)的一大發(fā)現(xiàn).按經(jīng)典波動(dòng)理論,靜止物體對波的散射不會(huì)改變頻率.而按愛因斯坦光量子說這是兩個(gè)“粒子”碰撞的結(jié)果.光量子在碰撞時(shí)不僅將能量傳遞而且也將動(dòng)量傳遞給了電子,它進(jìn)一步證實(shí)了愛因斯坦的光子理論,揭示出光的二象性.
1924年,奧地利物理學(xué)家泡利(Wolfgang Ernst Pauli,1900~1958)發(fā)表了“不相容原理”:原子中不可能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的電子處于同一量子態(tài).這一原理使當(dāng)時(shí)許多有關(guān)原子結(jié)構(gòu)的問題得以圓滿解決,對所有實(shí)體物質(zhì)的基本粒子(通常稱之為費(fèi)米子,如質(zhì)子、中子、夸克等)都適用,構(gòu)成了量子統(tǒng)計(jì)力學(xué)——費(fèi)米統(tǒng)計(jì)的基點(diǎn).
法國物理學(xué)家德布羅意(Louis Victor due de Broglie, 1892-1987)由光的波動(dòng)和粒子兩重性得到啟發(fā),他大膽地把這兩重性推廣到物質(zhì)客體上去.他在1923年9~10月間,連續(xù)發(fā)表三篇短文:《輻射——波和量子》、《光學(xué)——光量子、衍射和干涉》、《物理學(xué)——量子、氣體動(dòng)理論及費(fèi)馬原理》.1924年,在他的博士論文《量子論研究》中,他全面論述了物質(zhì)波理論,這一理論以后為薛定愕接受而導(dǎo)致了波動(dòng)力學(xué)的建立.德布羅意把愛因斯坦關(guān)于光的波粒二象性的思想加以擴(kuò)展.他認(rèn)為實(shí)物粒子如電子也具有物質(zhì)周期過程的頻率,伴隨物體的運(yùn)動(dòng)也有由相位來定義的相波即德布羅意波,后來薛定愕解釋波函數(shù)的物理意義時(shí)稱為“物質(zhì)波”.德布羅意在并無實(shí)驗(yàn)證據(jù)的條件下提出的新理論在物理學(xué)界掀起了軒然大波.
1925年,德國物理學(xué)家海森伯(Werner Karl Heisenberg,1901~1976)鑒于玻爾原子模型所存在的問題,拋棄了所有的原子模型,而著眼于觀察發(fā)射光譜線的頻率、強(qiáng)度和極化,利用矩陣數(shù)學(xué),將這三者從數(shù)學(xué)上聯(lián)系起來,從而提出微觀粒子的不可觀察的力學(xué)量,如位置、動(dòng)量應(yīng)由其所發(fā)光譜的可觀察的頻率、強(qiáng)度經(jīng)過一定運(yùn)算(矩陣法則)來表示.他和玻爾等合作,建立了量子理論第一個(gè)數(shù)學(xué)描述——矩陣力學(xué).1927年,他闡述了著名的不確定關(guān)系,即亞原子粒子的位置和動(dòng)量不可能同時(shí)準(zhǔn)確測量,成為量子力學(xué)的一個(gè)基本原理.
1926年,奧地利理論物理學(xué)家薛定愕(Erwin Schrodinger,1887~1961)提出了描述物質(zhì)波連續(xù)時(shí)空演化的偏微分方程——薛定愕方程,給出了量子論的另一個(gè)數(shù)學(xué)描述——波動(dòng)力學(xué).后來,物理學(xué)家把二者將矩陣力學(xué)與波動(dòng)力學(xué)統(tǒng)一起來,統(tǒng)稱量子力學(xué).
1927年,美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的戴維森(Clinton Joseph Davisson,1881~1958)、革未(Lester Halbert Germer,1896~1971)及英國的湯姆遜(George Paget Thomson,1892~1975)通過電子衍射實(shí)驗(yàn),都證實(shí)了電子確實(shí)具有波動(dòng)性.至此,德布羅意的理論作為大膽假設(shè)而成功的例子獲得了普遍的贊賞.以后,人們通過實(shí)驗(yàn)又觀察到原子、分子……等微觀粒子都具有波動(dòng)性.實(shí)驗(yàn)證明了物質(zhì)具有波粒二象性,不僅使人們認(rèn)識(shí)到德布羅意的物質(zhì)波理論是正確的,而且為物質(zhì)波理論奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ).
光的波動(dòng)說與微粒說之爭從十七世紀(jì)初開始,至二十世紀(jì)初以光的波粒二象性告終,前后共經(jīng)歷了三百多年的時(shí)間.牛頓、惠更斯、托馬斯.楊、菲涅耳等多位著名的科學(xué)家成為這一論戰(zhàn)雙方的主辯手.正是他們的努力揭開了遮蓋在“光的本質(zhì)”外面那層撲朔迷離的面紗.跨世紀(jì)的爭論引出了量子力學(xué)的誕生,它是描述微觀世界結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)與變化規(guī)律的物理科學(xué),是20世紀(jì)人類文明發(fā)展的一個(gè)重大飛躍,引發(fā)了一系列劃時(shí)代的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)發(fā)明,對人類社會(huì)的進(jìn)步做出重要貢獻(xiàn).在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中的表面物理、半導(dǎo)體物理、凝聚態(tài)物理、粒子物理、低溫超導(dǎo)物理、量子化學(xué)以及分子生物學(xué)等學(xué)科的發(fā)展中,都有重要的理論意義.我們的現(xiàn)代文明,從電腦、電視、手機(jī)到核能、航天、生物技術(shù),幾乎沒有哪個(gè)領(lǐng)域不依賴于量子論.
詳細(xì)的介紹情況參考資料 里面還有關(guān)于光的折射、反射、衍射和量子論等等的發(fā)現(xiàn)過程,有興趣的話不妨看看
為什么光既有波動(dòng)性,又有粒子性?
為什么光既有波動(dòng)性,又有粒子性?
光有波特有的衍射和折射等性質(zhì),還能產(chǎn)生光電效應(yīng),說明光既是波,又是粒子,光子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)到底如何?盡然產(chǎn)生了另人費(fèi)解的波粒二象性.
光有波特有的衍射和折射等性質(zhì),還能產(chǎn)生光電效應(yīng),說明光既是波,又是粒子,光子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)到底如何?盡然產(chǎn)生了另人費(fèi)解的波粒二象性.
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