科學(xué)縱橫談（之五 普朗克的量子理論（上））

德國物理學(xué)家馬克斯•普朗克（Ｍax Ｐl(wèi)anck，1858―1947年）發(fā)現(xiàn)并創(chuàng)立量子理論，自然是公認(rèn)的物理學(xué)大家。他是量子物理學(xué)的開創(chuàng)者和奠基人，1918獲得年諾貝爾物理學(xué)獎。普朗克的量子理論是物理學(xué)史上的一次巨大變革。從此結(jié)束了經(jīng)典物理學(xué)一統(tǒng)天下的局面。

1900年，普朗克拋棄了能量是連續(xù)的傳統(tǒng)經(jīng)典物理觀念，導(dǎo)出了與實(shí)驗(yàn)完全符合的黑體輻射經(jīng)驗(yàn)公式。然而在理論上導(dǎo)出這個公式，必須假設(shè)物質(zhì)輻射的能量是不連續(xù)的，只能是某一個最小能量的整數(shù)倍。普朗克把這一最小能量單位稱為“能量子”。普朗克的假設(shè)解決了黑體輻射的理論難題。他還進(jìn)一步提出了能量子與頻率成正比的觀點(diǎn)，并引入了普朗克常數(shù)h。量子理論現(xiàn)已成為現(xiàn)代理論和實(shí)驗(yàn)的不可缺少的基本理論。

普朗克常數(shù)記為 h 是一個物理常數(shù)，用以描述量子大小。在量子力學(xué)中占有重要的角色，他在1900年研究物體熱輻射的規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，只有假定電磁波的發(fā)射和吸收不是連續(xù)的，而是一份一份地進(jìn)行的，計(jì)算的結(jié)果才能和試驗(yàn)結(jié)果是相符。這樣的一份能量叫做能量子，每一份能量子等于hv，v為輻射電磁波的頻率，h為一常量，叫為普朗克常數(shù)。普朗克常數(shù)的值約為：6.626196×10^-34J•s，其中J為能量單位焦耳，s為時間單位秒。
普朗克常數(shù)的物理單位為能量乘上時間，也可視為動量乘上位移量，角動量單位為，牛頓（N）•米（m）•秒（s）。

普朗克作過一次演講，他演講的內(nèi)容是關(guān)于物體熱輻射的規(guī)律，即關(guān)于一定溫度的物體發(fā)出的熱輻射在不同頻率上的能量分布規(guī)律。普朗克研究這一問題的已有 6 年之久，在這次演講中，他公布了自己關(guān)于熱輻射規(guī)律的最新研究結(jié)果。普朗克首先報告了他在兩個月前發(fā)現(xiàn)的輻射定律，這一定律與最新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確符合，后來人們稱此定律為普朗克定律。然后普朗克指出，為了推導(dǎo)出這一定律，必須假設(shè)在光波的發(fā)射和吸收過程中，物體的能量變化是不連續(xù)的，換句話說，物體通過分立的跳躍非連續(xù)地改變它們的能量，能量值只能取某個最小能量元的整數(shù)倍。為此，普朗克還引入了一個新的自然常數(shù)（即普朗克常數(shù)），普朗克首次指出了熱輻射過程中能量變化的非連續(xù)性。普朗克所提出的能量量子化是一個劃時代的發(fā)現(xiàn)，能量子的存在打破了一切自然過程都是連續(xù)的經(jīng)典定論，第一次向人們揭示了自然的非連續(xù)本性。普朗克的發(fā)現(xiàn)使神秘的量子出現(xiàn)在人們的面前。