普通化學/量子理論導論

量子力學導論

在19世紀後期，許多物理學家認為他們在物理學方面取得了很大進展，沒有多少需要被發現的東西。當時的經典物理學在科學界得到了廣泛的接受。然而，到了20世紀初，物理學家發現經典力學的定律在原子世界中失效了，而光電效應等實驗完全違背了經典物理學的定律。由於這些危機，物理學家開始構建新的物理定律，這些定律將適用於原子世界；這些理論將被統稱為**量子力學**。量子力學在某種程度上完全改變了物理學家對宇宙的看法，也標誌著機械宇宙觀的終結（即宇宙是可預測的）。

電磁輻射

電磁輻射 (ER) 是一種能量形式，有時表現為波，有時表現為粒子。可見光就是一個眾所周知的例子。所有形式的 ER 都有兩個反比的特性：波長和頻率。波長是相鄰兩個波峰之間的距離，可以用米來測量。頻率是在一秒鐘內在一個給定點觀察到的波峰數量。頻率的單位是赫茲。

由於波長和頻率成反比，它們的乘積（乘法）始終等於一個常數 - 特別是 3.0 x 10⁸ m/sec，用字母 c 表示，更常被稱為光速。這種關係用數學公式表示為 $c=\lambda f$，其中希臘字母 λ (lambda) 代表波長，字母 $f$ 代表頻率。

任何特定 ER 事件的波長和頻率決定了它在**電磁頻譜**上的位置。

正如您所見，可見光只是頻譜中很小的一部分。

單個電磁波粒子（稱為光子）的能量由 $E=hf$給出，其中 $h$ 是普朗克常數，$f$ 是頻率。能量與頻率成正比 - 頻率加倍，能量也將加倍。

量子的發現

當光子撞擊金屬時，電子會被釋放。光電效應只取決於光的頻率，而不取決於強度，這違背了波動行為。

到目前為止，我們只討論了能量的波動特性。然而，波動模型無法解釋所謂的**光電效應**。當光聚焦在某些金屬上時，就會觀察到這種效應，它會導致電子被髮射。（光電或太陽能電池板的工作原理就是如此。）

對於每種金屬，人們發現需要對其照射某種最小頻率的電磁輻射才能使其發射電子。這與之前認為光能僅與其強度有關的想法相矛盾。根據那理論，光的效應應該是累積的 - 微弱的光應該一點一點地累積，直到它導致電子被髮射。相反，存在一個清晰的觸發電子發射的最小光頻率。

這意味著光的能量與頻率相關，而且它是**量化的**，意味著它以離散的量攜帶“能量包”。這些能量包更常被稱為**光子**。這一觀察導致了對原子可以獲得或損失的最小能量的發現。馬克斯·普朗克將這種最小能量命名為**量子**（複數為“量子”），意思是“多少”。一個光子攜帶一個能量量子。