量子力學和相對論2

量子力學和相對論(2)　　1926年美國化學家劉易斯（1875— 1941年）賦名光量子為「光子」。把光量子看作一些攜帶著能量和動量的粒子的這種 觀點，是和十九世紀已經取得統治地位的光波動說相對立的。在某種意義上復活了早 在1850年就由傅科(1819—1868年)的所謂「判決性實驗」否定了的牛頓的光微粒說。 儘管作為光量子理論的推論，愛因斯坦成功地解釋了古典物理學理論無法解釋的光電 效應等，人們也還是對它抱懷疑態度的。能量子的發現者普朗克直到1913年對光量子 還難以容忍。只是在十年之後， 　　1915年，不相信光量子的米立肯(1868—1953年)宣布 他的實驗無歧義地證實了愛因斯坦的光電效應理論和1922年康普頓(1892—1962年)發 現Ｘ射線散射效應必須由光量子論解釋之後，人們才正確評價了光量子論，宣布愛因 斯坦由於「在理論物理學方面的成就，特別是光電效應定律的發現」而授予他1921年 度的諾貝爾物理學獎。 　　愛因斯坦和普朗克不同，當時就堅信自己的光量子論是「非常革命的」。的確， 光量子論並不是簡單地復活光微粒說，而是揭示了光的波粒二象性。對統計平均現象 光表現為波動，對瞬時漲落現象光表現為粒子。光量子論第一次確認了光的波粒二象性這個最基本的性質。 　　繼光量子論之後，1906年愛因斯坦又把量子假說應用到固體彈性振動上去，成功 地解決了古典物理學理論在低溫固體比熱問題上所遇到的難題，這個結果標誌著一個 重要的進展，因為它表明普朗克常數也出現在與輻射無關的現象中。量子論的下一步 發展是由丹麥物理學家玻爾作出的，他把舊量子論推到頂峰，同時他也為從舊量子論 向新量子論的過渡起了重要的作用。 　　玻爾的原子結構理論 　　同能量原子性（能量子）發現的同時，另一個重大發現是物質原子的可分性。18 95年，德國物理學家倫琴(1845—1923年)發現Ｘ射線。1896年，法國物理學家貝克勒 爾(1852—1908年)發現放射性。1897年，英國物理學家湯姆生(1824—1907年)發現電 子。這三大發現在物理學家當中引起了強烈的震動。道爾頓(1766—1844年)的化學原 子論確立之後，儘管關於原子的實在性還有激烈的爭論，但對大多數科學家來說還相 信它存在，並把它視為組成一切物質的不可再分的基元。這些新發現向人們表明原子 並不是簡單的，可能有複雜的結構。 　　於是一些物理學家開始構成各種原子結構模型，這些模型的主要區別是電荷分布 和原子內的電子數目，模型的優劣看其在說明原子的力學和電動力學的穩定性，說明 光譜現象以及化學性質等方面的能力如何。例如，1901年法國物理學家佩蘭（1870— 1942年）提出的結構模型，認為原子的中心是一些帶正電的粒子，外圍是一些繞轉著 的電子，電子繞轉的周期對應於原子發射的光譜線頻率，最外層的電子拋出就發射陰 極射線。又如，湯姆生從1897年就開始探索，到1902年才發表的原子結構模型是由一 個承擔物質質量的正電球體和能夠在其內外過往雲遊的電子流組成。他又於1903年和 1904年先後發表《圓軌道電子體系的磁性》和《論原子的構造》兩篇論文，發展了自 己的原子模型。他設想一個正的均勻帶電球體內部含有許多電子，它們成環狀配置。 運用這個模型他詳細討論了原子的穩定性、光譜和化學元素的周期性等問題。 　　日本物理學家長岡半太郎(1865—1950年)1903年12月 5日在東京數學物理學會上 口頭髮表，並於1904年分別在日、英、德的雜誌上刊登了《說明線狀和帶狀光譜及放 射性現象的原子內的電子運動》的論文。他批評了湯姆生的模型，認為正負電不能相 互滲透，提出一種他稱之為「土星模型」的結構。一個大質量的帶正電的球，外圍有 一圈等間隔分布著的電子以同樣的角速度做圓周運動。電子的徑向振動發射線光譜， 垂直於環面的振動則發射帶光譜，環上的電子飛出是β射線，中心球的正電粒子飛出 是α射線。長岡的計算，特別是關於穩定性的論斷受到批評。因此當時流行的還是湯姆生的模型。 　　德國的哈斯在1910年的一篇論文中，把能量子概念和湯姆生的原子模型結合起來。 湯姆生的學生，曼徹斯特大學物理教授盧瑟福(1871—1937年)，領導在他的實驗室工 作的德國物理學家蓋革(1882—1945年)和紐西蘭物理學家馬斯登(1880—1970年)，發 現金原子使α射線產生大於90°的散射角，與湯姆生的小角散射理論不同。他們在19 09年進行的大角散射實驗結果卻表明有一個很小的帶正電的核心，周圍好像空蕩蕩的， 直接否定了湯姆生的原子結構模型。於是盧瑟福開始根據他的實驗資料探索新的原子 結構模型，於1911年提出了一個多少有點類似於佩蘭和長岡的電子繞核迴轉的模型。 盧瑟福的有核模型在電穩定性和線光譜的說明上遇到了困難。按照古典電動力學電子 繞核迴轉會發射連續的電磁波，因而損失能量並且很快就陷落到原子核上，那麼，如何解決盧瑟福的原子模型有實驗根據，但卻與古典理論不符這個尖銳矛盾呢？這是當時原子物理學家面臨的難題。
推薦閱讀：