引入

为什么黑体辐射的曲线在短波段会掉下来,而不是一直上升?

为什么能量必须“一份一份”地交换?

为什么这个假设看起来只是数学技巧,却掀翻了整个经典物理?

19 世纪末,经典物理在热辐射问题上遇到了无法解释的矛盾。普朗克为了拟合实验曲线,被迫假设能量不连续。这个假设最初连他自己都不相信,却成了量子力学的起点。

正文

定义

能量量子化指能量不能连续变化,只能取某些分立值。最小的一份称为能量子。

黑体辐射的困难

黑体是在任何温度下都能完全吸收并理想发射电磁辐射的物体。实验测得的辐射强度随波长变化,呈现出“先升后降”的曲线。

经典理论(瑞利-金斯定律)给出:

这个式子在高频(短波)区域趋于无穷,与实验完全不符,被称为紫外灾难。

频段经典预言实验结果
低频与实验符合—
高频无限增大迅速趋于零

普朗克的假设

1900 年,普朗克提出:

振子的能量只能取分立值 ,发射或吸收能量时以 为单位。

概念含义
普朗克常数,
频率
一个能量子

这个假设的关键后果:高频振子需要的能量子很大,而热运动能提供的能量约为 ,当 时,激发概率按 急剧下降,高频辐射被自然截断。

为什么能解决问题

频率越高 → 能量子 hν 越大
  ↓
热运动平均能量约 kT
  ↓
hν ≫ kT 时,振子几乎无法被激发
  ↓
高频辐射强度趋于零

这就是紫外灾难被消除的机制。经典理论认为能量可以无限细分,所以任何频率都能获得一点能量;量子化切断了大能量子的供给。

从能量子到光子

普朗克只把量子化用在“振子与辐射交换能量”上,并未认为光本身是粒子。

爱因斯坦在 1905 年更进一步:光本身就是由一份份能量组成的光子。这解释了光电效应中“频率不够就无论如何打不出电子”的现象。

阶段提出者量子化的对象
1900普朗克振子能量
1905爱因斯坦光本身
1913玻尔原子能级
1924德布罗意物质波
1926薛定谔波函数与能级

每一步都在前一步的基础上扩大量子化的适用范围。

量子化的普遍性

系统量子化的量间距
谐振子振动能量,等间距
氢原子电子能级不等间距,随 增大而变小
一维势阱平动能量
角动量角动量大小与取向 的整数或半整数倍
自旋自旋角动量固定值

量子化不是某一个系统的特例,而是微观世界的普遍特征。它的数学根源是边界条件,见薛定谔方程。

日常为什么察觉不到

量子效应在作用量与 可比时才显著:

对象典型作用量与 的比较
电子在原子中同量级
单摆(1 s 周期)大 倍
行星公转极大完全可忽略

宏观系统的量子数极大,能级间距相对能量小到无法分辨,所以看起来是连续的。

常见误区

错误说法问题
“量子化就是能量很小”是分立,不是小
“普朗克提出了光子”普朗克提能量子,光子是爱因斯坦的
“宏观世界不遵守量子力学”遵守,只是效应不可观测
“能量量子化只适用于光”所有微观系统都量子化

引出

普朗克常数为什么能用来定义千克?见国际单位制基本单位。

光电效应如何证明光本身是量子化的?见光电效应。

为什么谐振子的能级等间距,而氢原子的能级不等间距?