一.什么是量子
大家知道,物质是由分子组成的,分子是由原子组成的,原子是由电子和原子核组成的,原子核是由质子和中子组成的,质子和中子是由夸克组成的。所以,可以假设电子和夸克是组成物质的基本粒子。这里假设的基本粒子是指构成物质的最小的单位体,基本粒子不能再分解为更小的东西了。这些基本粒子称为量子。
经典力学是大家熟知的常识,它是用于研究常见的宏观状态的,例如描述物体的运动轨迹、速度、动能、势能等。但是在微观世界里,试验证明,量子的运动特性和我们常识中所认识的物体的运动表现是完全不同的。如果要研究物质的微观世界,就得研究量子有哪些性质,量子运动有哪些规律,这些理论称为量子理论。
在量子理论中,亚原子大小的粒子统称为量子,量子的种类有很多,但是量子最形象的模型是电子和光子。因此要了解量子的特性,就先了解电子和光子。
二.量子的跃迁效应
中学的物理知识告诉我们,原子中的某个电子在某个“能级”层中运动,原子有好多电子能级层。电子可以在不同的能级层之间发生跃迁。吸收能量,电子可以从低能级跃迁到高能级;也可以释放能量,电子从高能级跃迁到低能级。
所有的量子都有能级,在外界作用下,量子从一个能级是跳跃地变化到另一个能级的,这称做量子跃迁。量子跃迁是在微观世界的特有现象,在宏观世界中不成立。
紫外光照射金属,表面有电子溢出,就是一种典型的量子跃迁的例子。此时,电子吸收了光子的能量,电子从高能级跳到了低能级而溢出。
量子跃迁的另一个例子就是焰色反应。某些金属或它们的挥发性化合物在无色火焰中灼烧时,火焰会呈现出特征的颜色。在灼烧时,原子核外的电子吸收一定的能量,从基本状态越迁到具有较高能量的激发态,当激发态的电子回到基本状态时,会放出光子来释放出多余的能量,这些光子是从原子中激发出来的,是有确定波长的,不同波长的光是有不同颜色的。同样的,从火焰的颜色也可以判断出某种金属元素的存在。观测火焰的颜色,洋红色表示含有锶元素,玉绿色表示含有铜元素,黄色表示含有钠元素等。
三.量子的波粒二相性
高中知识告诉我们,光有时表现出粒子的特性,有时表现出波的特性。
所谓光子的粒子性,是比喻光子就像一个带有能量的“小颗粒”。当光子撞击到皮肤时,我们会感受到热。当光线照射到镜子上时,光线的反射就像小颗粒反射一样。
所谓光子的波动性,是指光