东华大学结构化学从经典力学到量子力学论文

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1、义慧从经典力学到量子力学-10量子力学是研究微观粒子（线度在10m量级以下的物质客体，如分子、原子、原子核、基本粒子等）运动规律的物理理论。19世纪和20世纪之交，由于产生和科学技术的进步，特别是物理实验技术的提高与对微观粒子的运动规律和经典物理学了解和发展，最终在19世纪20年代建立了量子力学。一、经典物理学的困难19世纪末，描写物体机械运动规律有Newton力学，描写电磁现象有Maxwell方程组集其大成的电磁理论，描写热现象有热力学及统计物理学。但这些理论都只是相对真理，当人类的生产活动和科学实践深入浅出到新的领

2、域时，理论的局限性便暴露出来。19世纪末20世纪初，正是物理学发展史上的这种转折期，由此形成经典物理学与近代物理学的划分。1.黑体辐射问题19世纪后期，钢铁冶炼技术的要求，天文学上了解恒星表面温度的需要，推动了物理学对辐射的研究，相继认识到了Kirchhoff热辐射定律（1859年）、Stefan四次方定律（1884年）和Wien位移定律（1893年）。Kirchhoff定律指出，热平衡时物体热辐射的谱发射率e（ν，T）与谱吸收率a（ν,T）之比只是与温度和频率有关，即e（ν，T）/a（ν,T）=f(ν,T)是对各种物

3、质材料均相同的普适函数。显然，寻找f（ν,T）的具体义慧形式具有重要意义。a（ν,T）=1的物体能全部吸收辐射到它上面的能量。称作（绝对）黑体。可见，f（ν,T）就是黑体的谱发射频e0（ν,T）。热平衡时，黑体吸收多少能量，因此谱发射频e0（ν,T）与辐射场的谱能量密度ρ（ν,T）成正比：e0（ν,T）=c/4ρ（ν,T）(SI)1897年．Lummer和E.Pringsheim对空腔辐射场的能量分布进行了研究，发现热平衡时辐射场的能量密度Þ（ν,T）对频率ν的变化曲线如下图-1和图-2。曲线的形状和位置仅与热平衡时的

4、温度有关，与空腔的形状和组成物质无关。1896年，Wien通过热力学的讨论得到了一个半经验的能量分布公式图-1图-23-CdTρ（ν,T）dν=Ciνedν（1）T为平衡时的温度，C1和C2为两个经验参数。Lummer和E.Pringsheim义慧吧Wien公式与实测结果做了比较，发现在高频段二者符合很好，在低频段Wien公式结果系统地低于实验值。1900年J.W.Rayleigh（以及1905年J.H>jeans的改进）从经典电磁理论导出空腔单位体积内频率在ν~ν+dν间的电磁横波数目23为8πνdν/c。按经典统计

5、物理的能量均分定理，热平衡时每振动自由度有kT的平均能量，从而得23ρ（ν,T）dν=8πνdν/c（2）k为Boltzmann常数，c为真空中的光速。Ratleigh-Jeans公式在低段与实验相符，在高频段与试验极其不符。（2）式表明，谱能量密度随频率单调增加，以至无穷。（2）式积分，得辐射场单位体积的能量发散，与事实完全不符。这就是历史上的“紫外发散灾难”。在Wien、Rayleigh等工作基础上，Planck进一步分析曲线于1900年得到2M8πhc1c2πhc1ρ=E=（3）P=ρ=（4）λ5hc/KλTλ5

6、hc/KλTVdλλe−14λe−1而正是Planck公式理论基础的探索首先宣告了量子论的诞生。2光电效应1886-1888年，H.R.Hertz在进行验证电磁波存在的试验时发现，若接收线路中两个小锌球之一受到紫外线照射，小球间易产生火花。这就是光电效应。1896年，J.JThomson在气体放电现象研究中发现这是电子从金属表面逸出的现象。系统研究发现光电效应有两个突出的特点：（1）一定的金属材料有确定的临阈频率ν0。当ν<ν0时，无义慧论光强多大都无法产生电子逸出；（2）光电子的能量与照射光的频率有关。频率愈大，光电

7、流愈大。经典物理学无法说明光电效应特点：（1）按经典物理学估计光电子逸出的时间延迟1s的数量级，与光电效应的瞬时效应相差很大。（2）光电效应显示了光的经典波动理论的局限性，成为提出光子概念的实验依据。3.原子光谱及其规律1861年，R.W.Bursen和G.R>Kirchhoff利用元素所特有的谱线分析，发现Rb和Cs。1885年J.J.balmer发现从星光光谱观察到的2214条H的波数v≡1/λ=RH（1/2-1/n）,n=3,4,5…(4)-1其中RH=1.09677576m（氢的Rydberg常数）谱线波长的

8、观测值与公式计算惊人地符合，称为Balmer系。22后来发现，还有v=1/λ=RH（1/m-1/n）（5）n=m+1，m+2，…,m=1,2,3…4.原子的稳定性经典物理学把原子看成是组成物质的不可分割的最小单元。19世纪末的一系列重大发现彻底动摇了这一观念。1895年，W.K.Rontgen发现了X射线；1896年，A.H.B