解说之一,量子到底是不是物质,怎么看到量子呢?

1、量子主要是指电子在原子核外运动出现的能量量子化特征,量子不是物质。

电子在原子核外运动能量量子化是电子的一个属性,就像电子有电荷也是电子的一个属性,电荷显然不是物质,同理量子不是什么物质。

电子是带有负电荷的基本粒子,因此电子运动会产生电场的变化,变化的电场会产生电磁场。在物理科学家普朗克提出量子理论前,电子发出电磁波的能量变化被认为是连续的,无法想像是一份一份的,因为波的波动是连续的,能量理所当然应该是连续的。但能量连续的理论无法解释基本的黑体辐射现实,出现了所谓的“紫外灾难”。

1900年10月,普朗克试着提出电磁波辐射能量量子化的设想,就是电磁波辐射有最小的能量单位,能量变化必须是最小单位的倍数。这就是“量子”的由来。由此普朗克推导出黑体辐射的理论计算公式,完全符合实验结果。这个能量最小值就是普朗克常数h,h=6.62607015×10^(-34) 焦耳·秒,从此打开了近代量子力学的大门。

之后,1905年爱因斯坦依据普朗克电磁波辐射量子化的理论,对当时无法解释的光电效应进行了正确的解释,提出光波的能量也是量子化的,其能量是光波频率的倍数E=hν,即光量子理论,并取得了巨大成功,因此获得了他一身中唯一的诺贝尔奖。

2、既然光(量)子能量也是量子化,那么为什么说主要是电子的能量量子化特征呢?

这个要从光的产生说起,1665年牛顿用三棱镜实验发现太阳光的光谱,1802 年,伍朗斯顿在研究太阳连续光谱时,就发现了太阳连续光谱中出现的暗线。当时许多科学家试图解释这种现象,都无功而返,只总结出了光谱的经验公式,无法从原子结构层面作出解释。

示意图

1913年初,丹麦哥本哈根科学家玻尔的原子理论给出这样的原子设想图:

1、电子在原子核外做圆周运动,电子能量越高轨道离开原子核越远。2、电子的轨道半径是量子化的,可能的电子轨道必须是 h/2π的整数倍。3、电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时原子会发射或吸收能量(在稳定的轨道上运动时电子不发射也不吸收能量),电子发射或吸收辐射的频率是单一的,能量是量子化的,辐射吸收的能量必须符合 E=hν。

玻尔的理论成功地解释了原子的稳定性和氢原子光谱线规律。从此后,电子轨道的精细结构(电子自旋的量子化特征)等也在之后被科学家相继揭开。

因此,光量子即光的产生和光能量的量子化,完全是电子在原子核外运动出现的能量量子化特征衍生的。电子的量子化特征其实涵盖了光量子特征。

3、质子、中子等粒子就没有量子化特征了吗?

有。但是我们研究的是一般物质,物质在没有发生核反应的情况下,质子和中子都在原子核内,其性质是通过原子核外电子能量变化和交互发生作用的,比如化学反应、发光现象,超导现象等等。虽然,粒子碰撞和正反粒子碰撞也能产生光量子,但这个本质上可归类于核反应,这是因为粒子本质发生了变化。

因此,普通人能看到物质的量子化特征最直接的办法,就是看原子核外电子产生的发射光谱(如太阳光光谱),光谱中包含了各种物质元素可见的量子化信息。

物质的量子化特征

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