量子论的由来

常见的原子结构图是错的信手拿过来一本中学课本或某一杂志，即可看到下面的原子結构示意图：

旧的概念解释不了新事实，就建立新概念

夏日，雨过天晴，天边便挂上了一道弯弯的彩虹。绚丽的彩虹总是由红橙黄绿青蓝紫几种颜色依次组成，十分迷人。彩虹是如何形成的呢？原来，我们常见的太阳光就是由上面几种颜色的光组成的，当太阳光透过雨后空中的小水滴时，被小水滴分光，又按红橙黄绿青蓝紫把白光分开来，于是我们看到了七色彩虹。可见光有不同的颜色，就是因为不同光有不同的频率，红光频率最低，紫光频率最高。

灼热体辐射也放出一定频率的光。但发光遵循什么规律呢？十九世纪末，在研究黑体辐射中，有人分别从经典热力学理论和经典电动力学理论推导出，了两个公式，结果发现，前一公式与高频光的实验相符合，而与低频光的实验不符。后一公式与低频光的实验相符合，而与高频光的实验不符。

为解决这一矛盾，到了1900年，德国的物理学家普朗克提出了一个经验公式，它按高频说正象第一个公式，而按低频说正象第二个公式。为了从理论上解释自己的经验公式，普朗克大胆地突破了旧理论的框框、提出原子能量辐射不是连续的，而是按一伤一伤的、不连续的“能量子”的形式向外辐射;每仍j能量子的大小与频率成正比。所谓“量子”，就是变化不连续。他应用这个假设，从理论上推导出了他的经验公式。

“能量子”的提出在科学发展上是一个重大突破。但在当时却无人重视。就连普朗克本人，也对自己的假设深为怀疑，曾先后作了三次修改，力图把“能量子”概念纳入旧理论的范畴。1905年，当爱因斯坦推广他的概念，提出“光量子”假设，用于解释光电效应时，建立起光电方程，普朗克公然加以反对，惊呼“太极端”了。

 发现“能量子”的荣誉归于普朗克。这一发现为人们认识原子结构提供了重要的理论依据。事隔十七年，普朗克因此而荣获诺贝尔物理学奖金。

是以权威老师的认识为准绳，还是根据实验事，实作结论

灼热物体以能量子的形式辐射出一定频率的光。很显然，这现象与原子的内部结构密切相关。小小的原子究竟具有什么结构呢？当时英国卡文迪许实验室主任、诺贝尔奖金获得者、在全世界科学界赫赫有名的汤姆逊认为，原子是一个带正电的实心球，一个一个的电子嵌在球里面。但是否如此，并无实验证据。

1911年，在英国工作的新西兰物理学家卢瑟福作了一个著名的实验。他用一束带正电的a粒子流高速地穿过金属薄片时，绝大多数粒子几乎不受阻拦地直线穿过，少数粒子发生偏转，还有个别粒子好象碰到坚硬不可穿过的东西而被弹回。这个实验事实有力地说明，原子绝不是一个实心球。卢瑟福是汤姆逊的学生。是以权威老师的认识为准绳呢，还是根据实验事实作结论呢？卢瑟福选择了后者。他提出，原子是一个有着“广阔”空间的空心球，中心是一个小而重的原子核，电子在这核遥远的地方绕核飞转，整个原子就象一个微型太阳系。这就是原子的卢瑟福模型。（图一）

卢瑟福模型成功地解释了a粒子散射实验，但却与经典的电磁理论相矛盾。根据经典电磁理论，原子灼热辐射的电磁波是连续的，也就是说，原子灼热会发出各种频率的光，得到的是连续光谱，而实验事实说明，任何原子发出的光的频率都是分立的，具有确定值，得到的是线状光谱。同时，根据经典电磁理论，电子绕核运转辐射电磁波，能量要降低，最后必然要掉进核里，原子崩溃;但事实上，元素的原子稳定存在，并没有毁灭。人们开始着手解决这一矛盾。玻尔首先把普朗克的“能量子”概念用于原子模型，获得了巨大的成功。

不妨先假设电子被限制在一层一层的“轨道”上绕核运转

玻尔是个丹麦人。1911年，他从丹麦到英国求学，后来作了卢瑟福的学生。那时他还很年青，学术上也毫无名气，但想象力却极为丰富，敢想敢干。1913年，他针对卢瑟福模型与经典理论的矛盾，大胆地把普朗克的“量子”概念应用到原子核外的电子运动上。玻尔想到，卢瑟福原子不是会因为电子绕核运动放出能量而崩溃吗，而事实上原子并不崩溃，那一定是电子绕核运动不放出能量。于是，他不犹豫地抛弃经典电磁理论，提出，电子在核外一层一层的“轨道”上运动，既不放出能量，又不吸收能量。如果要使它放出能量或吸收能量，就得让电子从一个轨道上跳到另一个轨道。这就是原子的玻尔模型。（图三）

玻尔模型用于解释氢原子光谱，理论和实验达到了惊人的一致。为此，玻尔获得了1922年诺贝尔物理学奖金。但是，可惜得很，玻尔模型仅仅只适用于氢原子，而对于其他原子却完全不适用。那么，问题到底在哪里呢？

彼此矛盾的两种性质存在于同一实物微粒

卢瑟福模型成功地解释了a粒子散射实验，但用于说明原子光谱却完全失败;玻尔模型适合于氢原子，但对其他原子却一筹莫展。分析这两种模型，一个共同点是，都认为电子是微粒，在核外运动，并应用的是牛顿理论解释它的运动。于是，我们不禁要问，问题是不是就出在把电子仅当成微粒并用牛顿理论来处理上呢？如果问题真在这里，那么，电子这个怪物到底又是什么样的东西？到底在核外如何运动的呢？它绕核高速运动却不降低能量缩进核里，原子可辐射出能量却又是不连续的。这都与牛顿理论相矛盾。

电子是什么样子？人们自然而然会想到光。在有的地方，光主要表现为波性，如光的干涉，衍射;而在另外一些地方，光又主要表现为粒性，如光电效应。按传统观念看来，是波就不是粒，是粒就不是波。但光这种东西却特别奇怪，竟然使得这两种彼此矛盾的性质存于一身。根据实验事实，法国科学家德布罗意首先摆脱了传统观念的束缚。1923年，他提出，光既是波，又是微粒，具有波粒二象性。德布罗意出身于贵族世家，是一个“王子”，但却酷爱科学。他在提出光具有波粒二象性的同时，又认真地把电子和光进行了类比，发现它们之间有许多类似之处。于是，他假设：具有静止质量的实物微粒如电子和光一样，具有波粒二象性。他还运用爱因斯坦相对论的结果，提出了他的假设公式。这是一个非同寻常的假设，他勇敢地摈弃了传统观念，使人耳目一新。但在当时，并没有多少人痛快地接受，因为它似乎太玄虛离奇了，虽然讲得圆滑动听，却既没有严格的证明，又没有确凿的实验证据。

可是，过了不久，这个大胆的假设就为实验所证，实。1925年，戴维逊在一次实验事故中意外地发现有电子衍射现象;由电子衍射图计算所得到的电子波波长精确地等于德布罗意所预言的波长。电子衍射现象表明，电子是微粒，同时又具有波粒。德布罗意因提出了著名假设获得了1929年度诺贝尔奖金，而戴维孙则因用实验证实了这个假设而获得1937年度诺贝尔奖金。

微观粒子既然不同于宏观物体就只有用新的运动方程才能描述

德布罗意假设实物微粒具有波粒二象性，这就明确地把微观粒子和宏观物体区别開来了。我们知道，一切宏观物体的运动都符合牛顿方程，大至天体，小到灰尘，无一例外。但牛顿方程能否用于比灰尘还要小得很多很多的微观粒子呢？人们在把牛顿理论用于微观粒子，而一次又一次碰壁的过程中认识到，微观粒子在本质上不同于宏观物体，就不能套用牛顿方程于微观粒子，必须要建立起新的方程，才能正确地描述微观粒子的运动规律。

1926年，奥地利物理学家薛定谔根据德布罗意的假设，并以经典波为线索，得到了一个著名的物质微粒波波动方程——薛定谔方程。这个崭新的方程一问世，立即震动了整个物理学界。人们立即发现，这个方程用以解决微观粒子的问题有着巨大的威力，就如同牛顿方程用于解决宏观物体的问题有着巨大威力一样。只要我们把这个方程用于一个具体体系求出解来，那么我们便可以得到所需要的这一微观体系的全部信息。根据解方程的结果，我们不难得到各种原子轨道图。比如：

稳定态原子中的电子以几率波的形式分别在不同“轨道”运动。由这些“轨道"图，我们就不难看出文章开头所画原子结构示意图的错误所在了。根据求解薛定谔方程，我也很自然地得到如下一些结论：第一，原子的能量不是连续的，而是量子化的;第二，电子运动状态有着多种形式，每种状态可以用一个波函数表示，我们把这种状态称为“轨道”;电子从一个“轨道”跃迁至另一“轨道”，就会以光的形式放出或吸收确定值的能量。所以，原子光谱为线状光谱;第三，电子在核外运动有着确定的角度分布。这些结论完全与实验事实相符。薛定谔方程不仅适用于氢原子，而且适用于任何微观体系，它的正确性为无数现代的实验事实所证明。薛定谔于1933年获得诺贝尔奖金。

理论和实验的重大突破——中国血统的骄傲

从普朗克提出能量子假设到现在仅过去七十多年，薛定谔方程问世也才五十多年，但量子理论却得到了惊人的发展。这几十年来，物理学的发展超过了历史上的任何时期。若许基本粒子的发现和基本粒子理论的发展，近代核物理科学技术上的重大突破都无一不与这一场量子革命直接相关。值得我们引为自豪的是，在这样一场暴风雨般的物理学革命中，中国血统的物理学家在理论和实践方面都曾做出了卓越的贡献。1956年，李政道和杨振宁提出了弱相互作用下字称不守恒的著名理论，不久便为女科学家吴健雄的实验所证实，为此，李、杨合得了诺贝尔奖金。1976年，著名的丁肇中教授发现了他自己命名的J粒子，获得了该年度的诺贝尔奖金;前不久，他领导的小组又用实验证实了另一个重要粒子——胶子的存在，轰动了整个世界。凡有志于赶超世界科技先进水平的中国青年，难道不应该从他们身上得到一些有益的启示吗？有为的中国儿女，我们应当：

“把灵智的芬芳，

传送到国际边远。

让精神的富有，

吸引着世代子孙”。

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