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何謂[量子力學]?
Oct 8th 2013, 09:21

假設你看得是科普書,讓我以科普的角度回答你。

首先,需要瞭解一點歷史:

在十七世紀末,牛頓成功的透過力學與微積分描述了星體的運動,而往後的兩個世紀,各種學問不斷發展的過程中,牛頓力學都一再的被證實。

屹立不搖的牛頓力學度過了這麼長的時間,直到光譜實驗的出現。

在光譜實驗中,氫氣或其他的氣體被通入放電管內,當放電時氣體就會發光,其發出的光線呈現譜線狀:特定能量的光很多,其他能量的光卻幾乎一點也沒有。而當時提出最好的解釋是波耳模型(雖然這個模型現在看來蠻荒謬的)。

波耳模型中電子繞著原子核轉,構成一個原子,而且電子只能在特定軌域中繞行,這些軌域必須滿足一個條件:角動量是普朗克常數的整數倍。這就是著名的角動量量子化概念。因為電子只能在特定的軌道間來回跳動,進行能量轉換,因此自然只能放出特定能量的光子。

假如在牛頓力學的眼中看,電子應當可以用任意的軌道繞原子核,但波耳模型才能正確的描述光譜位置,因此波耳有理,顯然牛頓力學不是各處通用的。

但波耳模型在氦氣的放電實驗中卻也無法準確的算出軌道。這顯示需要更完整的理論,於是誕生了量子力學。

什麼是量子力學呢?

量子力學是一套能完整算出能量軌道的方法(只要運動速度遠小於光速都可用),就像牛頓力學是用來算位置與時間的關係的方法,你只要把作用力寫下,就能推算出未來物體將怎樣運動,量子力學也相仿,只要確定位能形式,理論上就可以算出能量軌道。(實際上,數學問題不一定都解得出來。)量子化的現象不再需要人工加入(像波耳那樣),而會自動從計算中跳出來!

這個學問有趣之處是他的概念與現象:

概念一、你必須把粒子想成一個機率波,例如電子,他不再是一個粒子,而是一個機率分佈,一個機率波。你再也不能說電子在這裡,或在那裡,只能說,電子有可能在這裡出現,出現的機率有多高。

概念二、每一個能量軌道對應到一個相對穩定的機率波,電子可以在這些軌道中切換,並且伴隨著能量(例如光)吸收、放出。

概念三、粒子的動量越大,波長越短;頻率越大,能量越高。

概念四、你永遠無法準確的知道電子的位置和動量,而且當你把其中一個量得越準,另一個就越不準,這就是測不準原理。

現象一、粒子有波的特性,所以也有繞射、干涉現象。若把粒子射向兩個狹縫,狹縫後面的電子會出現調紋狀分佈:狹縫空洞以外的區域後面也會出現粒子;狹縫空洞的區域後面也可能沒有粒子。

現象二、粒子遇到障礙物時,有一定的機率穿入障礙物。如果障礙物夠薄,就可能穿出,這就是穿隧效應。

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