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量子力學

一粒原子嗰粒電子喺唔同能量級之下嘅波函數;量子力學說明咗要完全準確咁預測一粒粒子嘅位置係冇可能嘅[1],淨係有得計嗰粒粒子喺唔同位置嘅機會率。喺呢幅圖入面,愈光嘅地方表示粒電子喺嗰度嘅機會率愈高。

量子力學粵拼loeng6 zi2 lik6 hok6英國話:Quantum mechanics),又叫量子物理學(Quantum physics)或者量子理論(Quantum theory)[2],係同相對論並列嘅現代物理學兩大支柱。佢專係畀人攞嚟研究微觀世界嗰度嘅物理現象嘅,佢描述緊嘅嘢係微細到蒲朗克常數咁嘅大細嘅-即係講緊原子或者更加細粒嘅粒子嘅世界[3]

量子力學起源喺 19 世紀尾。嗰陣時,啲人發現舊有嘅牛頓力學等嘅古典物理(指 19 世紀同打前嘅物理學理論框架)理論解釋唔到原子同相關嘅微觀現象。於是乎一班後生嘅物理學家努力咁喺廿世紀頭創立咗量子力學。呢套理論由根本上咁改變咗人類對物質同埋佢哋啲作用嘅理解:根據呢個理論,能量呢家嘢唔係好似古典物理學講嘅咁係連續嘅,而係有某啲定量(Quanta):咁樣講嘅意思係話,能量唔係砍幾細件都得嘅,所有帶有能量嘅嘢身上嘅能量數值實係某啲常數倍數,而如果有件物體「佢帶嘅能量」啱啱好等於呢個常數,咁「佢帶嘅能量」除咗變成 0 之外就冇得再減少。

由呢一點嗰度可以推導到好多諗頭出嚟,而呢啲諗頭重可以解釋到好多本嚟解釋唔到嘅原子世界嘅現象。到咗家陣,除咗廣義相對論描述嘅重力之外,所有嘅基本物理作用都可以用量子力學嘅框架解釋到。

古典物理嘅局限

假設而家有舊温度喺開氏 10−3 度嘅黑體喺度射黑體輻射。幅圖嘅 X 軸做電磁波嘅頻率,Y 軸表示黑體輻射嘅光譜喺各個頻率嘅光度。三條線代表三條定律分別嘅預測:普朗克定律(綠)、維恩定律(藍)、同瑞立-金斯定律(紅)-實驗結果最後係撐普朗克定律嘅。

啲物理學家之所以會諗咗量子力學出嚟,係因為物理學界喺 19 世紀尾到廿世紀初頭嗰段時間發現咗一柞古典物理學解釋唔到嘅現象,包括咗以下呢啲:

黑體輻射

內文: 黑體輻射

一舊理想嘅黑體(Black body)能夠將射落去佢表面嗰度嘅電磁波(包括)冚唪唥吸收嗮,並且跟手將呢啲帶有能量嘅波動轉化做熱輻射射返出嚟-喺一舊温度唔變嘅黑體射出嚟嗰啲熱輻射就係所謂嘅黑體輻射(Black-body radiation)。一舊黑體射出嚟嘅黑體輻射可以包含多個唔同頻率嘅電磁波,而一舊黑體射啲乜嘢頻率嘅波淨係同佢嘅温度有關,同佢嘅物料冇關[4]

啲物理學家由古典物理學嗰度推導咗兩條物理定律出嚟,諗住佢哋可以描述到黑體輻射:維恩定律(Wien's law)同埋瑞立-金斯定律(Rayleigh–Jeans law),但係兩者做出嚟嘅預測都同實驗嘅結果唔夾,維恩定律喺低頻區域同實驗結果衝突,而瑞立-金斯定律就喺高頻區域度同實驗結果衝突;瑞立-金斯定律更加衰嘅係,佢預測咗「一舊黑體,愈係高頻率嘅電磁波佢就會射愈多出嚟」,即係話如果佢係啱嘅,咁有一舊黑體,頻率愈近無限大紫外線,佢就會射愈多出嚟-會形成紫外災難(Ultra-violet catastrophe)-但係紫外災難喺現實世界好明顯並冇發生到,咁又再一次引證咗瑞立-金斯定律係錯嘅。由呢度睇得出,由古典物理學嗰度推導出嚟嘅嘢同現實所觀察到嘅數據唔夾-咁即係意味住古典物理學呢個理論有問題[5]

後嚟,德國嘅物理學家普朗克(Max Planck)重新諗過維恩定律等嗰時已知嘅物理定律,得出咗條普朗克公式(Planck's law):

喺呢度, 係能量,整數普朗克常數 係電磁波嘅頻率。

呢條公式同實驗數據完美咁吻合。但係普朗克喺推導出呢條公式嗰陣時,佢發覺佢一定要將能量當成離散(Discrete)嘅數值-由呢條式度都睇得出,能量實係電磁波頻率嘅某啲整數倍數,一個可能嘅解讀係,能量係一舊舊冇得砍件嘅粒子,而每粒帶嘅能量都同佢個頻率成正比。呢點同古典物理學又唔夾。

光電效應

光電效應實驗;喺呢個實驗度,實驗者將光射落去兩支電極嗰度,跟手兩支電極入面嘅電子就會吸收能量、掙脫佢哋所屬嘅原子嘅束縛、並且喺個電路入面流動,產生電流。實驗者重可以試吓用個電源施一個相反方向嘅電壓,嚟睇吓要施個幾勁嘅電壓先至可以令到光電效應所產生嘅電流消失。
內文: 光電效應

德國物理學家亨利希赫茲(Heinrich Hertz)喺 1887 年嗰陣做實驗發現,如果射啲紫外線落一舊金屬嘅表面度,會有電子由舊金屬嘅表面嗰度飛出嚟,如果舊金屬駁住咗個電路嘅話,個電路度會出現電流-呢個就係所謂嘅光電效應(Photoelectric effect)。對於光電效應嘅實驗,古典物理學會預測幾樣嘢:呢個理論框架會話個實驗產生嘅電流會係同射落去支電極度束光嘅強度(Intensity)成正比、同束光嘅頻率唔啦更嘅;而且因為古典物理學話能量係砍做幾細件都得嘅,所以佢重會預測「無論射落去支電極度嘅光幾弱都好,都實會有些少電子會吸到足夠嘅能量飛出嚟產生電流」。

但係實驗結果發現響光電效應入面,產生嘅電流同射落去支電極度嘅光嘅頻率有關-而如果啲光嘅頻率係低過某個特定嘅數值,無論佢嘅強度幾高都唔會有任何電流產生(即係有一個門檻值)-呢個發現同古典物理學講嘅嘢相違背。當時啲新進物理學家-好似係愛因斯坦咁-作出咗個假說,話咁係因為能量係一束束(In discrete small packets)嘅,光係一束束、冇得砍件嘅能量,而一條光束入面每「件」能量嘅大細同條光束嘅頻率成正比,呢啲一件件嘅光能量就係所謂嘅光子(Photon)[6]。阿愛因斯坦重提出咗條式嚟計一粒光子嘅能量同佢個頻率之間嘅關係:

喺呢條式入面, 係粒光子嘅頻率,而 係佢帶嘅能量。

愛因斯坦跟手重大膽咁進一步分析:佢話如果一粒光子嘅頻率令到佢帶有足夠嘅能量,而呢個能量值超過咗某個門檻值,咁佢撞落去屬於舊金屬嘅一粒電子嗰度嗰陣時,佢會將佢嘅能量傳畀嗰粒電子,令到嗰粒電子成功咁擺脫佢所屬粒原子嘅束縛飛出嚟。即係話:

呢條式入面左手邊嗰橛係「粒光子帶嘅能量」,而右手邊嗰橛就係「一粒電子要擺脫舊金屬所需嘅能量」()加「佢飛咗出嚟之後帶嘅動能」()。

呢條式執少少嘅話會得出: