量子是什麼?與分子、原子、電子有什麼關係?

2020-12-15 易簡科學通

說的簡單一點兒「量子」指的就是:「一個不可以再繼續分割的基本單位。」

理解了這句話之後,我們就會明顯地發現分子、原子、電子它們都不是量子,因為它們是可分的!

分子

分子是由原子構成的,因此分子可分,分子很明顯就不可能是量子;

原子

原子是由原子核和核外電子構成的,而原子核是由質子和中子構成的,原子也可分,原子也不可能是量子;

電子

理論上認為電子可再分為空穴子、自旋子和軌道子,但是目前只是處於觀測階段,不能獨立存在於材料之外。不過這已經夠了,說明了電子也是可以再分割的個體,因而電子也不是量子!

那到底什麼是量子呢?

舉個簡單的例子:就跟我們調查人口數量一樣,我們說某城市常住人口有多少人、或者說哪一個國家的人口總數是多少時,都默認了一個客觀事實,那就是人口數目其實是有一個最小單位的,這個最小的單位就是「1」,我們在說任何一個城市的常住人口數或者說哪個國家的人口總數時,都理所應當的認為這個數目只會是人口數的最小單位「1」的整數倍,不可能出現小數,因為人是不可以被分開的!

其實量子也是一樣的道理,只不過把上例中的人數轉換成物理量就可以了。也就是說,如果一個物理量存在小到不能再分割的基本單位《比如上例中:人數的基本單位「1」就是不可再分的》,我們就可以認為這個物理量是量子化的,並把這個物理量的最小單位稱為——量子。

比如說:

普朗克的能量量子化假設

1900年,普朗克在研究黑體輻射實驗規律時首次提出了量子化假設:他認為帶電粒子的能量只能是某一個最小能量值ε=6.62607004 × 10^-34 m Js的整數倍,而且帶電微粒在吸收或者輻射能量時,也是以這個最小的單位一份一份的吸收或者輻射的,這個能量的最小的單位就稱為能量子!

根據這個假設推導出的普朗克公式。非常符合黑體輻射實驗的光譜能量分布規律,成功地解決了科學家們在研究黑體輻射現象過程中遇到的難題。而這個能量不連續的觀念為科學家們打開了認識光的粒子性的大門,奠定了量子力學的基礎,普朗克也因此獲得了1918年諾貝爾物理學獎!

愛因斯坦的光量子假說

1905年,愛因斯坦在解釋光電效應時提出了在吸收和發射光時,能量也是一份一份的,光本身也是由一個一個不可分割的能量子組成的,這些能量子叫做光子,光子的能量取決於其頻率,這也就解釋了為什麼連微弱的紫光都能激發出電子,而強烈的紅光反而不能激發出電子的原因,解釋了光的粒子性,愛因斯坦也因此獲得了1921年諾貝爾物理學獎!

根據這個定義,我們發現電荷也應該是量子化的,因為電荷也有一個最小的單位:元電荷e=1.60217656535×10^﹣19c,因此,電荷也是量子化的。

量子跟我們熟知的微觀實物粒子又有什麼關係呢?

量子是一種概念;量子力學是物理學理論;分子、原子和電子是微觀粒子,它們三者的關係是:量子這種概念的提出使物理學家的思維不僅僅局限於經典物理學,促進了量子力學的誕生,而量子力學正是研究分子、原子、電子、原子核等微觀粒子的運動規律、基本性質、基本結構的理論!

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