王涛
类球谱的发现(1)离散的光谱
2025-9-18 22:10
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       一个微观量子客体所发出的离散光谱,带给了我们微观世界量子化的最直接的体验。当卢瑟福在1911年,确定在一个原子的中心,比原子小十万倍的尺度内,存在一个坚实的量子客体的时候,这样的图景让人很困惑。这个坚实的小颗粒,就是原子核。而其它的电子,围绕这个原子核运动。电子带有负电,原子核带有正电,但是在经典的世界,这样的图景是不稳定的,电子会迅速的辐射能量然后掉到原子核中。但是实验告诉我们,原子是非常稳定的,经典的理解是不适用的。

   这是一场深刻的变革。在那个时代,最重要的变革,是我们对于运动的理解。爱因斯坦提出了狭义相对论,展现现实世界的运动学是很奇特的。而在微观世界,微观粒子的运动方式,似乎超出了某种现实性,以一种我们根本就不知道的方式而运动。这种奇特的微观运动,即使到了今天,我们其实也不理解。波函数包含的是我们测量时候的结果,而不是微观粒子自身是如何运动的信息。(从这个角度来说,波函数是我们的一个认识的描述)

   那个时代是英雄的时代。为了解决原子的稳定性,伟大的丹麦物理学家玻尔横空出世,提出了电子轨道量子化的思想,成为旧量子论的经典之作。原子的光谱,是在非常早的时代就开始的研究主题。离散的光谱,看起来和经典的经验格格不入,以至于成为一个根本无法理解的,但是又非常熟悉的现象。最简单的氢原子光谱更是一个典型,这里边的光的频率在1885年被瑞士的一个数学老师找到了一个简单的公式,这就是著名的巴尔末公式。

   这个研究结果,我们现在已经知道,其重要性是无与伦比的,因为这是第一个量子理论。(光谱的发现是第一个量子实验)巴尔末也就靠着这个数学上的关系式,而名垂青史。当玻尔看到巴尔末公式以后,就完全相信,自己的工作是正确的,而且是关键的。现在看来,玻尔的理论,就是来解释巴尔末公式的。

   所以说量子力学的出现,始于原子光谱的研究,这是很恰当的。当然普朗克的黑体辐射谱的能谱,爱因斯坦的光电效应,都是光所带来的信号。这里边都有量子化的特征。

   要想了解原子中心悬浮的奇异液滴,它所辐射的光谱自然也是极其重要的。从辐射的光谱,在量子化的条件下,我们就能得到原子核的能谱,而从原子核的能谱中,我们获得对于原子核的理解。

     

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