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世界现代后期科技史-第章

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     从普朗克因克服“紫外灾难”,提出“能量子”假说,到玻尔(1885— 

1962)修改卢瑟福的原子结构太阳系模型,提出关于原子结构的量子化轨道 

理论,是量子理论的早期发展阶段,这一段的有关理论被称为旧量子论。 

      (1)“紫外灾难”和黑体辐射问题 

     1859年,德国物理学家、光谱发明者基尔霍夫(1824—1887)从热力学 

的平衡条件出发,得到了著名的基尔霍夫定律,即物体发射本领与吸收本领 

的比值,是一种仅与温度和频率有关,而与物体材料无关的普适函数。 

     1860年,基尔霍夫提出绝对黑体的概念:一个物体能全部吸收投射在它 

上面的辐射而全无反射,那么,这个物体就称为绝对黑体。 

     1879年,德国物理学家斯特潘(1835—1893)经过实验得出黑体辐射总 

能量与其温度之间的关系,即黑体辐射能量密度的积分,与它的绝对温度T 

的四次方成正比。 

     1884年,奥地利物理学家玻尔兹曼(1844—1906)根据热力学定律导出 

了斯特潘的实验公式,从理论上给予了解释。这个公式后来便被称为斯特潘 

—玻尔兹曼公式。即: 



           4 

     E=σT 

     式中,σ为“斯特潘—玻尔兹曼”常数。 

     1895年,德国物理学家维恩(1864—1928)从理论上分析了,通过对一 

个带小孔的辐射空腔的研究来代替对绝对黑体的研究的可行性。1896年,他 

根据热力学并结合经验数据,推算出一个描述黑体能量密度分布的公式,即 

维恩公式: 



                     v 

                   …A 

                 3   T 

      ρ(
… Page 18…

的危机。 

      (2)普朗克的“能量子”假说 

     德国著名物理学家普朗克自1874年10月进入慕尼黑大学后,很快被物 

理学所吸引,他没有听从老师约里的劝告,仍然决心献身于理论物理学研 

究。1897年,他把注意力转向黑体辐射问题。1900年,他尝试用内插法建 

立一个与实验结果相符的普遍的辐射公式,使其在低频区与瑞利—金斯公式 

相符,在高频区与维恩公式相符。1900年10月19日,在德国物理学会的会 

议上,普朗克在《维恩的辐射定律的改进》论文中公布了自己的新辐射公式, 

即普朗克公式: 

              8
… Page 19…

     从根本上改变了人们关于能量的概念的“能量子”假说与物理学中早已 

习惯的思维方式相去甚远,与一般人的常识也不相容。物理学界当时对此假 

说反应冷淡,人们接受普朗克的黑体辐射公式,但不接受量子观点。 

     普朗克本人接受过经典物理学的严格教育,并为其做出过很大贡献。他 

的“量子”假说是大胆的革命性的,但也因迫于实验事实而不得不迈出这一 

步。他本人为这种违背经典物理学的量子论也感到困惑不安,他认为,经典 

理论给了人们许多有用的东西,因此,必须以最大的谨慎对待它,维护它。 

因此,普朗克在提出“量子”概念后,又花了相当长的时间,试图将这种概 

念纳入经典理论中。1911年,在《论量子发射的解说》一文中,他企图取消 

能量吸收过程的量子特性而代之以连续的过程。1914年,在《量子解说的另 

一种表述法》一文中,他把发射过程的量子特性也取消了。但是,就在普朗 

克徘徊动摇的这一段时间里,量子论又有了新的突破性进展。 

      (3)爱因斯坦的“光量子”理论 

     1905年春,爱因斯坦写出了三篇重要的论文。其中两篇是关于布朗运动 

和狭义相对论的。在三篇论文的第一篇论文《关于光的产生和转化的一个启 

发性的观点》中,爱因斯坦大胆地推进、发展了普朗克的“能量子”假说, 

提出“光量子”假说。 

     论文的开头,他便指出:“在物理学家关于气体或其他有重物体所形成 

的理论观念同麦克斯韦关于所谓空虚空间中的电磁过程的理论之间,有着深 

刻的形式上的分歧。”很明显,爱因斯坦是为了消除分立的质点与连续的场 

之间的形式上的分歧,而提出光量子假说的。 

     我们知道,普朗克的能量子假说仅仅局限于对能量的吸收和发射的特性 

上,即只考虑“黑体”器壁上“振子”能量的量子化,对黑体空腔内电磁辐 

射的处理还是沿用麦克斯韦的电磁场连续的理论。爱因斯坦则假设,光同原 

子、电子一样也具有粒子性,光不仅在吸收和发射时是不连续的,光在空间 

的传播也是量子化的,光是一束粒子流。爱因斯坦称这种粒子为“光量子” 

 (后来简称光子),每个光子的能量ε同普朗克的能量子一样,也满足ε=hv 

的公式,其中,v是光的频率,h也是普朗克常数。 

     根据这种假说,爱因斯坦以最简练、明晰的方式解释了由赫兹所发现的 

光电效应现象,并给出了光电效应的“爱因斯坦公式”,它现在的形式是: 

          1    2 

     hv =   mv  +W 

          2 

     由前面叙述表明,光的波动理论解释不了光电效应现象,解释不了为什 

么微弱的紫光也能在瞬时之间从金属表面“打出”电子,而很强的红光,照 

射时间再长也不能使电子获得足够的能 量,逃逸出物体表面。 

     而由爱因斯坦公式,可以这样解释光电效应现象:光由光量子组成,每 

个光量子具有能量hv,光子进入物体后,与其中的电子相互作用,电子吸收 

了光量子的能量;电子由物体表面逸出,必须克服物体表面势垒的阻挡,即 


… Page 20…

必须消耗一定量的功,这种功称为物体材料的逸出功W,也称为材料的功函 

数;如果电子吸收的光子能量hv小于逸出功,就不可能发生光电效应;如 

果电子吸收的光子能量大于逸出功,则余下的能量转化为电子的动能 

 1    2 

  mv   而逸出物体表面。 

 2 

     紫光的频率比红光高,紫光的每个光量子能量足够大,因此,尽管用微 

弱的紫光也能使金属中的电子获得足够的能量,消耗于逸出金属表面所需作 

的功;很强的红光只是光量子的数目多,而每个光量子的能量并不大。光在 

传播中,能量也是不连续的,集中了一份足够能量的光子,与电子在瞬间作 

用后,自然能瞬间发生光电效应。 

     以上的解释只考虑到自由电子情形。如果物体中的电子是束缚的,则光 

子通过与电子相互作用而传给束缚电子的能,必须使电子能克服其在原子壳 

层中的结合能 (电离能),方能逸出。 

     爱因斯坦的光量子说和光电效应公式,很好地解释了前面给出的关于光 

电效应的一系列实验规律,反过来,这些实验规律也有力地支持了光量子 

论。这一理论还能十分简单地解释斯托克斯萤光定则和气体光致电离等。 

     但是,光量子论仍然遭到几乎所有老一辈物理学家和一些年轻物理学家 

的反对,普朗克当时还在为自己的“能量子”感到困惑不安,自然更不能接 

受爱因斯坦的“光量子”。1915年,美国实验物理学家密立根(1868—1953) 

宣布,他经过多年的反复实验,终于严格证实了爱因斯坦公式的正确性。20 

年代发现的康普敦效应测进一步提供了光量子存在的确凿证据。这些实验事 

实使得包括普朗克在内的物理学家们改变了对“光量子”假说的态度。普朗 

克欲将“能量子”假说纳入经典物理学的努力的失败,也使他最终相信量子 

论的正确,并认识到量子假说的革命意义。 

     量子论早期发展的历史说明了,人类在认识微观世界基本特征的道路上 

迈出的最初几步是多么艰难。新思想、新理论的产生,要冲破旧的传统观念 

的束缚,往往需要强有力的实验事实的支持。 

     从某种意义上说,爱因斯坦的光量子论复活了牛顿关于光的微粒说,但 

这是在更高水平上恢复了光的粒子性。而且,爱因斯坦并没有否定光的波动 

性,他认为,光的粒子性和波动性各自反映了光的本质的
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