普通化学/量子理论导论

量子力学导论

在19世纪后期，许多物理学家认为他们在物理学方面取得了很大进展，没有多少需要被发现的东西。当时的经典物理学在科学界得到了广泛的接受。然而，到了20世纪初，物理学家发现经典力学的定律在原子世界中失效了，而光电效应等实验完全违背了经典物理学的定律。由于这些危机，物理学家开始构建新的物理定律，这些定律将适用于原子世界；这些理论将被统称为**量子力学**。量子力学在某种程度上完全改变了物理学家对宇宙的看法，也标志着机械宇宙观的终结（即宇宙是可预测的）。

电磁辐射

电磁辐射 (ER) 是一种能量形式，有时表现为波，有时表现为粒子。可见光就是一个众所周知的例子。所有形式的 ER 都有两个反比的特性：波长和频率。波长是相邻两个波峰之间的距离，可以用米来测量。频率是在一秒钟内在一个给定点观察到的波峰数量。频率的单位是赫兹。

由于波长和频率成反比，它们的乘积（乘法）始终等于一个常数 - 特别是 3.0 x 10⁸ m/sec，用字母 c 表示，更常被称为光速。这种关系用数学公式表示为 $c=\lambda f$，其中希腊字母 λ (lambda) 代表波长，字母 $f$ 代表频率。

任何特定 ER 事件的波长和频率决定了它在**电磁频谱**上的位置。

正如您所见，可见光只是频谱中很小的一部分。

单个电磁波粒子（称为光子）的能量由 $E=hf$给出，其中 $h$ 是普朗克常数，$f$ 是频率。能量与频率成正比 - 频率加倍，能量也将加倍。

量子的发现

当光子撞击金属时，电子会被释放。光电效应只取决于光的频率，而不取决于强度，这违背了波动行为。

到目前为止，我们只讨论了能量的波动特性。然而，波动模型无法解释所谓的**光电效应**。当光聚焦在某些金属上时，就会观察到这种效应，它会导致电子被发射。（光电或太阳能电池板的工作原理就是如此。）

对于每种金属，人们发现需要对其照射某种最小频率的电磁辐射才能使其发射电子。这与之前认为光能仅与其强度有关的想法相矛盾。根据那理论，光的效应应该是累积的 - 微弱的光应该一点一点地累积，直到它导致电子被发射。相反，存在一个清晰的触发电子发射的最小光频率。

这意味着光的能量与频率相关，而且它是**量化的**，意味着它以离散的量携带“能量包”。这些能量包更常被称为**光子**。这一观察导致了对原子可以获得或损失的最小能量的发现。马克斯·普朗克将这种最小能量命名为**量子**（复数为“量子”），意思是“多少”。一个光子携带一个能量量子。