Report on radiation and the quantum-theory pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Cornell University Library

作者:James Hopwood Jeans

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2009-05-01

价格:USD 16.98

装帧:Paperback

isbn号码:9781429785259

丛书系列:

图书标签:

• 辐射
• 量子理论
• 物理学
• 量子力学
• 科学史
• 20世纪物理学
• 理论物理
• 学术著作
• 英文文献
• 经典物理学

《辐射与量子理论：探索微观世界的革命》 概述： 本书并非直接记录一份名为“Report on radiation and the quantum-theory”的特定报告，而是以其为灵感，深入探讨了在二十世纪初，辐射现象的观测与新兴的量子理论之间的深刻联系，以及这场革命如何颠覆了我们对物质和能量的根本认知。我们将循着科学家的足迹，从经典物理学的困境出发，一步步揭示量子理论诞生的必然性，并考察其在解释辐射特性方面取得的辉煌成就。本书旨在为读者呈现一个引人入胜的故事，讲述科学家们如何通过对微观世界的探索，将物理学推向一个全新的时代，并深刻影响了后来的科学发展和技术革新。 第一章：经典物理学的黎明与阴影——辐射现象的挑战 在二十世纪初，物理学正经历着前所未有的繁荣。牛顿力学的宏伟体系和麦克斯韦电磁理论的优雅统一，似乎已经为我们描绘了一个清晰而确定性的宏观世界。然而，当科学家们将目光投向那些微小而活跃的粒子，以及它们发出的光和热时，经典物理学开始显露其局限性。 黑体辐射，一个看似简单却又异常棘手的现象，成为了挑战经典理论的第一个重要关卡。黑体是理想化的物体，能够完全吸收所有入射的电磁辐射，并在达到热平衡时发出辐射。然而，当科学家们通过实验测量黑体辐射的频谱时，发现其结果与经典理论的预言——瑞利-金斯定律——存在着巨大的偏差。根据经典理论，黑体辐射的能量密度会随着频率的升高而无限增大，在紫外区形成所谓的“紫外灾难”，这显然与实验观测到的能量在某个特定频率达到峰值然后下降的现象背道而驰。这种“灾难”般的矛盾，迫使科学家们不得不重新审视能量的本质。 与此同时，光电效应也提出了类似的难题。当光照射到金属表面时，会激发电子逸出，形成光电流。然而，经典的波动理论无法解释以下几个关键观测： 阈值频率： 只有当入射光的频率高于某个特定值（阈值频率）时，才会发生光电效应，即使光强度很强。 瞬时性： 光电效应的发生几乎是瞬时的，不存在预热或积累的过程。 电子能量与频率的关系： 逸出电子的动能仅取决于光的频率，而与光的强度无关，只与频率相关。 这些实验现象，都像是古典物理学这座宏伟大厦中悄然出现的裂痕，预示着一场深刻的理论革命即将来临。 第二章：普朗克的量子假说——能量的离散化革命 面对黑体辐射的“紫外灾难”，德国物理学家马克斯·普朗克在1900年提出了一个石破天惊的假说。为了使理论计算结果与实验数据完美契合，普朗克被迫假设，能量的发射和吸收并不是连续的，而是以一种离散的、不可分割的“量子”（quanta）形式进行的。每一个能量量子的大小，与该辐射的频率成正比，即： $E = hf$ 其中，$E$是能量量子的大小，$f$是辐射的频率，$h$是普朗克引入的一个全新常数，后来被称为普朗克常数。 这个看似微小的假设，却具有划时代的意义。它打破了自牛顿以来占统治地位的连续性观念，将能量从“无限可分”的神坛拉了下来，变成了“一份一份”的物质。尽管普朗克本人最初也对此深感不安，认为这只是一个数学上的技巧，一个临时的解决方案，但他所开启的量子革命，已经悄然拉开了帷幕。 普朗克的量子假说，成功地解决了黑体辐射问题，其理论公式与实验数据惊人地吻合，标志着量子理论的第一次伟大胜利。这一突破，不仅为理解辐射现象提供了全新的视角，更为后来的物理学发展奠定了基础。 第三章：爱因斯坦的光量子论——光不再是纯粹的波 普朗克的量子假说最初主要应用于能量的发射和吸收过程，而对光的本质，他仍倾向于经典的波动说。然而，阿尔伯特·爱因斯坦在1905年，基于普朗克的思想，更进一步地发展了量子理论，并将其巧妙地应用于解释光电效应。 爱因斯坦大胆地提出，光本身就是由一个个独立的能量粒子组成的，他称之为“光量子”（light quanta），后人称之为“光子”（photons）。每个光子的能量同样由普朗克常数和频率决定：$E = hf$。光子的概念，意味着光不仅在发射和吸收时表现出粒子性，它本身就是一种粒子。 爱因斯坦的光量子论，完美地解释了光电效应中的所有疑难： 阈值频率： 一个光子只有携带足够的能量（即频率足够高）才能将电子从金属中激发出来。低于阈值频率的光子，即使数量再多，也无法将电子激发。 瞬时性： 当一个能量足够高的光子与电子碰撞时，能量的传递是瞬时的，不需要积累。 电子能量与频率的关系： 逸出的电子的动能，等于光子携带的能量减去将电子从金属中“拔出”所需的功（逸出功）。因此，电子的动能只与光子能量（即频率）有关，与光的强度（即光子数量）无关。 爱因斯坦的光量子论，确立了光的波粒二象性。这意味着，光在某些情况下表现出波动性（如干涉、衍射），而在另一些情况下则表现出粒子性（如光电效应）。这种看似矛盾的描述，成为了量子力学的核心概念之一，也彻底颠覆了人类对光和物质的传统认知。爱因斯坦因其在光电效应方面的贡献，荣获了1921年的诺贝尔物理学奖。 第四章：玻尔原子模型——量子化轨道与原子光谱 量子理论的种子，在物理学界逐渐生根发芽。原子结构的研究，成为了量子理论应用的又一个重要领域。经典电磁理论认为，绕着原子核运动的电子会不断辐射电磁波，从而损失能量，最终螺旋式地坠入原子核。这将导致所有原子都不稳定，最终坍塌，这与现实世界中原子结构的稳定性显然不符。 1913年，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔，将普朗克的量子假说引入原子结构模型，提出了著名的玻尔原子模型。玻尔引入了几个革命性的概念： 定态假设： 电子可以在原子核周围的特定轨道上稳定运动，而不辐射能量。这些轨道是“定态”。 跃迁假设： 电子只有在从一个定态轨道跃迁到另一个定态轨道时，才会吸收或辐射能量。辐射或吸收的光的频率，由两个定态轨道之间的能量差决定：$hf = E_m - E_n$。 玻尔原子模型，成功地解释了氢原子光谱的离散性。氢原子光谱是由一系列分立的谱线组成的，这些谱线对应着电子在不同能级之间的跃迁。玻尔模型通过量子化能级和跃迁的概念，能够精确地计算出这些谱线的频率，并与实验结果完美吻合。 玻尔模型的出现，是量子理论在理解原子结构和光谱方面的又一里程碑。它标志着量子理论已经不仅仅局限于解释辐射现象，而是开始深入到物质微观结构的本质。尽管玻尔模型在解释更复杂的原子光谱时遇到了困难，但它所提出的量子化能级和跃迁的概念，为后来的量子力学发展奠定了坚实的基础。 第五章：量子力学的诞生与发展——波动性与概率的深刻融合 进入20世纪20年代，量子理论的发展进入了加速阶段。路易·德布罗意提出了“物质波”的概念，认为微观粒子（如电子）也具有波动性，其波长与动量成反比：$lambda = h/p$。这一思想，将波粒二象性从光推广到了所有物质。 德布罗意的物质波假设，得到了实验的证实。乔治·汤姆孙通过电子衍射实验，证明了电子确实具有波动性。 在德布罗意的思想和实验支持下，埃尔温·薛定谔和沃纳·海森堡分别独立地建立了描述量子现象的数学框架。 薛定谔提出了“薛定谔方程”，描述了微观粒子的波函数随时间的变化。波函数本身并没有直接的物理意义，但它的模平方（$|psi|^2$）代表了粒子在某个位置出现的概率密度。这引入了量子力学中的一个核心概念——概率性。在量子世界里，我们无法精确预测一个粒子的具体轨迹，只能预测它出现在某个区域的概率。 海森堡则发展了“矩阵力学”，通过一组非对易的矩阵来描述物理量及其演化。海森堡还提出了著名的“不确定性原理”，指出我们无法同时精确地测量一个粒子的位置和动量，测量一个量的精度越高，另一个量的测量精度就越低。 薛定谔方程和矩阵力学，尽管数学形式不同，但最终被证明是等价的，共同构成了完整的量子力学理论。量子力学不仅成功地解释了原子光谱，还极大地促进了对原子结构、分子键合、固体物理等领域的深入理解。 结论： 《辐射与量子理论：探索微观世界的革命》一书，通过回顾二十世纪初在辐射现象观测和量子理论发展历程中的关键节点，展现了科学发展的逻辑脉络。从普朗克的能量量子化假说，到爱因斯坦的光量子论，再到玻尔原子模型以及最终的量子力学体系的建立，每一项突破都建立在前人的基础上，又为后续的理论发展开辟了道路。 这场以辐射为起点，以量子理论为核心的革命，不仅深刻地改变了物理学的面貌，更对整个科学技术产生了深远的影响。核能的开发、半导体技术的出现、激光的诞生，以及现代化学、生物学等领域的飞速发展，都离不开量子理论的基石。 本书旨在带领读者走进那个充满求知渴望、勇于挑战权威的时代，感受科学家们探索未知世界的激情与智慧，理解微观世界那些令人惊叹的奥秘，以及这场关于辐射与量子理论的革命，如何塑造了我们今天的世界。它强调的是科学发现的严谨性、逻辑性和历史性，而非对某一具体文本的复述。

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