普朗克提出量子概念后,有一个大神灵机一动,既然能量可以被量子化,光波是不是也能被量子化呢?他根据普朗克的理论,把光也分成了一小份一小份,取了个名字光量子,也就是后来的光子。
事实证明,量子就是破解微观世界的一把钥匙。如果把光量化成一个一个的光子,就可以完美解释光电效应。
这个大神就是爱因斯坦,他也因为发现光子获的诺贝尔奖。
量子科学的下一个应用就是原子能级理论。
原子发现后,大家知道原子是原子核和电子组成,但是对原子内部结构一脸懵。有物理学家提出来原子就是球,电子就嵌在原子表面,就跟面包周围嵌了一圈提子一样。
不过一直都有人不服,有科学家做实验,找了个粒子轰击原子,按照提子面包理论,这就跟机关枪轰击钢板一样,子弹会四散飞溅。不过实验结果显示,大多数粒子根本没有改变方向,穿透原子射了出去,只有极少数的粒子被撞的找不到北。大伙一琢磨,这说明原子内部是空的啊,如果把原子比作大剧院,原子核就是舞台中间的一个乒乓球,电子绕着乒乓球飞来飞去。所以大部分粒子都穿过剧院,只有少数倒霉蛋撞到了原子核被撞飞。
按照电磁理论,电子和原子核之间这种运动会辐射电磁波。经过试验,发现原子确实可以吸收和释放能量,不过每类原子吸收和释放的能量是固定的,如果用电磁波表示,就是释放出的电磁波都是固定的几种频率,就跟基因似的,每类原子都不一样。
因为光也是电磁波的一种,所以科学家一般用光来检测原子的这种能量变化,得出的也就是著名的原子光谱。
但是问题也来了,按照电磁理论,电磁波是连续的,你说原子释放的能量在一个范围内还可以接受,能量是固定的几个数值是几个意思?
为了解释原子的这种独特性,波尔引入量子的概念,提出了原子能级的理论,他认为能量释放和吸收都和电子的运动有关,电子只能运动在固定轨道,也就是能级。如果从低能级跃升到高能级就会吸收能量,高能级跌到低能级就会释放能量,能级是固定不能再细分,也就是电子不可能存在于两个能级之间。就跟你上楼梯,你可以从第一跳到第三级,也可以跳到第五级,但是不能跳到1.5级。这也是为什么原子释放的能量只能是有限的几个数值。而且每一级之间的能量变化正好是普朗克常数的倍数,完美的和普朗克对接。
到此为止,量子理论已经慢慢开始在微观领域流行起来,大家碰到什么解释不了的事,习惯性的用量子理论来试试,没想到效果奇好,而且按照量子理论建立模型后,往往和实验数据完美契合。
不过波尔的原子模型是他为了解释原子能级的不连续臆造出来的,物理学界对此也有不同的声音。
事实上在涉及到微观层面,受限于测量条件,很多时候只能靠猜。观察到一个现象,大家就各种猜测,如果哪个大神提出一个理论,在不违背现有理论的前提下解释了这种现象,大家就鼓掌通过。不过这也有一个问题,如果没法实验,怎么来证明严谨性呢,毕竟咱们这可是科学,没有上帝佛祖给你兜底,你说的每个字都得有依据。
这个时候,数学的重要性就体现出来了。很多时候只能根据现有公理,通过复杂的计算得出一个理论,只要能解释的通,大家一般都认。