『壹』 為什麼經典力學與量子力學之間存在矛盾
經典力學是述宏觀的而量子力學則可以描述宏觀和微觀. 量子力學是研究微觀粒子的運動規律的物理學分支學科，它主要研究原子、分子、凝聚態物質，以及原子核和基本粒子的結構、性質的基礎理論，它與相對論一起構成了現代物理學的理論基礎。量子力學不僅是近代物理學的基礎理論之一，而且在化學等有關學科和許多近代技術中也得到了廣泛的應用。 量子力學的發展簡史 量子力學是在舊量子論的基礎上發展起來的。舊量子論包括普朗克的量子假說、愛因斯坦的光量子理論和玻爾的原子理論。 1900年，普朗克提出輻射量子假說，假定電磁場和物質交換能量是以間斷的形式(能量子)實現的，能量子的大小同輻射頻率成正比，比例常數稱為普朗克常數，從而得出黑體輻射能量分布公式，成功地解釋了黑體輻射現象。 1905年，愛因斯坦引進光量子(光子)的概念，並給出了光子的能量、動量與輻射的頻率和波長的關系，成功地解釋了光電效應。其後，他又提出固體的振動能量也是量子化的，從而解釋了低溫下固體比熱問題。 1913年，玻爾在盧瑟福有核原子模型的基礎上建立起原子的量子理論。按照這個理論，原子中的電子只能在分立的軌道上運動，原子具有確定的能量，它所處的這種狀態叫「定態」，而且原子只有從一個定態到另一個定態，才能吸收或輻射能量。這個理論雖然有許多成功之處，但對於進一步解釋實驗現象還有許多困難。 在人們認識到光具有波動和微粒的二象性之後，為了解釋一些經典理論無法解釋的現象，法國物理學家德布羅意於1923年提出微觀粒子具有波粒二象性的假說。德布羅意認為：正如光具有波粒二象性一樣，實體的微粒(如電子、原子等)也具有這種性質，即既具有粒子性也具有波動性。這一假說不久就為實驗所證實。 由於微觀粒子具有波粒二象性，微觀粒子所遵循的運動規律就不同於宏觀物體的運動規律，描述微觀粒子運動規律的量子力學也就不同於描述宏觀物體運動規律的經典力學。當粒子的大小由微觀過渡到宏觀時，它所遵循的規律也由量子力學過渡到經典力學。 量子力學與經典力學的差別首先表現在對粒子的狀態和力學量的描述及其變化規律上。在量子力學中，粒子的狀態用波函數描述，它是坐標和時間的復函數。為了描寫微觀粒子狀態隨時間變化的規律，就需要找出波函數所滿足的運動方程。這個方程是薛定諤在1926年首先找到的，被稱為薛定諤方程。 當微觀粒子處於某一狀態時，它的力學量(如坐標、動量、角動量、能量等)一般不具有確定的數值，而具有一系列可能值，每個可能值以一定的幾率出現。當粒子所處的狀態確定時，力學量具有某一可能值的幾率也就完全確定。這就是1927年，海森伯得出的測不準關系，同時玻爾提出了並協原理，對量子力學給出了進一步的闡釋。 量子力學和狹義相對論的結合產生了相對論量子力學。經狄拉克、海森伯和泡利等人的工作發展了量子電動力學。20世紀30年代以後形成了描述各種粒子場的量子化理論——量子場論，它構成了描述基本粒子現象的理論基礎。 量子力學是在舊量子論建立之後發展建立起來的。舊量子論對經典物理理論加以某種人為的修正或附加條件以便解釋微觀領域中的一些現象。由於舊量子論不能令人滿意，人們在尋找微觀領域的規律時，從兩條不同的道路建立了量子力學。 1925年，海森堡基於物理理論只處理可觀察量的認識，拋棄了不可觀察的軌道概念，並從可觀察的輻射頻率及其強度出發，和玻恩、約爾丹一起建立起矩陣力學；1926年，薛定諤基於量子性是微觀體系波動性的反映這一認識，找到了微觀體系的運動方程，從而建立起波動力學，其後不久還證明了波動力學和矩陣力學的數學等價性；狄拉克和約爾丹各自獨立地發展了一種普遍的變換理論，給出量子力學簡潔、完善的數學表達形式。 量子力學的基本內容 量子力學的基本原理包括量子態的概念，運動方程、理論概念和觀測物理量之間的對應規則和物理原理。 在量子力學中，一個物理體系的狀態由波函數表示，波函數的任意線性疊加仍然代表體系的一種可能狀態。狀態隨時間的變化遵循一個線性微分方程，該方程預言體系的行為，物理量由滿足一定條件的、代表某種運算的算符表示；測量處於某一狀態的物理體系的某一物理量的操作，對應於代表該量的算符對其波函數的作用；測量的可能取值由該算符的本徵方程決定，測量的期待值由一個包含該算符的積分方程計算。 波函數的平方代表作為其變數的物理量出現的幾率。根據這些基本原理並附以其他必要的假設，量子力學可以解釋原子和亞原子的各種現象。 關於量子力學的解釋涉及許多哲學問題，其核心是因果性和物理實在問題。按動力學意義上的因果律說，量子力學的運動方程也是因果律方程，當體系的某一時刻的狀態被知道時，可以根據運動方程預言它的未來和過去任意時刻的狀態。 但量子力學的預言和經典物理學運動方程(質點運動方程和波動方程)的預言在性質上是不同的。在經典物理學理論中，對一個體系的測量不會改變它的狀態，它只有一種變化，並按運動方程演進。因此，運動方程對決定體系狀態的力學量可以作出確定的預言。 但在量子力學中，體系的狀態有兩種變化，一種是體系的狀態按運動方程演進，這是可逆的變化；另一種是測量改變體系狀態的不可逆變化。因此，量子力學對決定狀態的物理量不能給出確定的預言，只能給出物理量取值的幾率。在這個意義上，經典物理學因果律在微觀領域失效了。 據此，一些物理學家和哲學家斷言量子力學擯棄因果性，而另一些物理學家和哲學家則認為量子力學因果律反映的是一種新型的因果性——幾率因果性。量子力學中代表量子態的波函數是在整個空間定義的，態的任何變化是同時在整個空間實現的。 20世紀70年代以來，關於遠隔粒子關聯的實驗表明，類空分離的事件存在著量子力學預言的關聯。這種關聯是同狹義相對論關於客體之間只能以不大於光速的速度傳遞物理相互作用的觀點相矛盾的。於是，有些物理學家和哲學家為了解釋這種關聯的存在，提出在量子世界存在一種全局因果性或整體因果性，這種不同於建立在狹義相對論基礎上的局域因果性，可以從整體上同時決定相關體系的行為。 量子力學用量子態的概念表徵微觀體系狀態，深化了人們對物理實在的理解。微觀體系的性質總是在它們與其他體系，特別是觀察儀器的相互作用中表現出來。 人們對觀察結果用經典物理學語言描述時，發現微觀體系在不同的條件下，或主要表現為波動圖象，或主要表現為粒子行為。而量子態的概念所表達的，則是微觀體系與儀器相互作用而產生的表現為波或粒子的可能性。 量子力學表明，微觀物理實在既不是波也不是粒子，真正的實在是量子態。真實狀態分解為隱態和顯態，是由於測量所造成的，在這里只有顯態才符合經典物理學實在的含義。微觀體系的實在性還表現在它的不可分離性上。量子力學把研究對象及其所處的環境看作一個整體，它不允許把世界看成由彼此分離的、獨立的部分組成的。關於遠隔粒子關聯實驗的結論，也定量地支持了量子態不可分離性的觀點
『貳』 什麼是黑體什麼是黑體輻射經典理論在解釋黑體輻射現象的實驗結果時遇到了哪些困難
困難：普朗克之前，很多人企圖用經典物理學知識說明當黑體輻射與吸收能量相平衡時輻射能量密度與波長間的函數公式，Wien從熱力學出發得到的維恩公式只在短波范圍與實驗數據符合，長波不符，Rayleigh和Jeans由經典電動力學和統計物理出發得到的瑞利-金斯公式在長波范圍符合，短波不符。
普朗克引入能量量子論，認為黑體以能量子hv為單位不連續發射和吸收輻射能量，對能量密度ρ在全頻范圍積分得到總能量密度，與實驗結果符合。
『叄』 黑體輻射的規律不能用經典電磁學理論來解釋，1900年德國物理學家普朗克認為能量是由一份一份不可分割最小
（1）愛因斯坦的光電效應方程是：Ek=hν-W0，其中Ek是光電子的最大初動能，hν是光子的能量，W0是逸出功；
（2）電子躍遷時的頻率條件方程是：hν=Em-En，hν是電子躍遷時所釋放光子的能量，Em與En是原子在兩個定態上時的能量；
故答案為：Ek=hν-W0，hν=Em-En．
『肆』 經典物理學所面臨的困難
就在物理學的經典理論取得重大成就的同時,人們發現了一些新的物理現象,例如黑體輻射、光電效應、原子的光譜線系以及固體在低溫下的比熱等，都是經典物理理論所無法解釋的。這些現象揭露了經典物理學的局限性，突出了經典物理學與微觀世界規律性的矛盾，從而為發現微觀世界的規律打下了基礎。黑體輻射和光電效應等現象使人們發現了光的波粒二象性；玻爾為解釋原子的光譜線系而提出了原子結構的量子論。
『伍』 經典物理在黑體輻射問題上遇到什麼困難，又是如何解決
用於計算黑體輻射強度的瑞利－金斯定律在輻射頻率趨向於無窮大時計算結果和實驗數據無法吻合，即紫外災難。解決的途徑是能量的量子化的提出，M.普朗克在量子論基礎上建立了關於黑體輻射的正確公式。
『陸』 經典物理學在解釋原子光譜時遇到了什麼困難
19世紀末,經典物理在對黑體輻射規律研究中遇到困難,從理論出發推導的維恩公式和瑞利-金斯公式與實驗規律不相符.普朗克在上述兩理論公式基礎上使用內插法得出了與實驗曲線吻合的經驗公式.為了尋求經驗公式的理論依據,他提出了能量子假說:黑體由帶電諧振子組成,這些諧振子只能處於能量取一系列分立值 的特定狀態;其最小能量稱為能量子,與諧振子的振動頻率成正比,即: ;黑體只能按能量子 的整數倍吸收或發射能量.普朗克的能量子假說提出了原子振動能量只能取一系列分立值的能量量子化概念,這是與經典物理中能量可以連續取值完全不同的嶄新概念.普朗克能量子假說完滿解決了經典物理在黑體輻射問題上遇到的困難,並且為愛因斯坦光子論假說,玻爾氫原子理論假說奠定了基礎.普朗克是在1900年12月14日宣讀的《正常光譜中能量分布律的理論》論文中提出能量量子化思想的,這一天被公認為量子理論的誕生日.普朗克恆量 也已經成為量子物理中最重要,最基本的常數.
維恩定律
1896年,德國物理學家維恩通過半理論半經驗的方法,得到一個輻射能量分布公式:
ρ是輻射能密度,ν是頻率,T是溫度.
1899年普朗克把電磁理論用於熱輻射和諧振子的相互作用,並通過熵的運算得到了同樣的結果.這樣,就使維恩分布定律獲得了普遍性意義.
按照維恩分布定律,輻射強度將隨頻率的減小而按指數規律減小.1899年2月3日,盧默爾和普林斯海姆在一份報告中說,他們把空腔加熱到800K-1000K,得到的能量分布曲線與維恩公式相符.但是,他們在同年的11月3日的另一份報告中又指出:"在理論和實驗之間確有系統性偏差."並指出,這個公式只在短波區,溫度較低時和實驗結果符合,而在長波區不符.
3.瑞利——金斯定律
1900年6月,瑞利提出了兩個假設,①空腔內的電磁輻射形成一切可能形成的駐波,其波節在空腔壁處;②系統處於熱輻射平衡時,根據能量均分定理,每個駐波平均具有的能量為kT.他根據這兩個假設,推導出了另一個輻射能量分布公式,但公式中錯了一個因子8,後來被金斯於1905年所糾正.公式為:
稱為瑞利-金斯輻射定律.
但是,這一公式卻只有在長波區和實驗結果符合,而在短波區不符.由於輻射能量與頻率ν的平方成正比,因此當波長接近紫外時,能量為無限大!即在紫色端發散.這一結果後來被埃倫菲斯特(P.Ehrenfest)稱為"紫外災難".
但瑞利,金斯兩人得出的共識,是根據經典物理的理論嚴密推導的,瑞利和金斯也是物理學界公認的治學嚴謹的人,理論值與實驗值在短波區的北轍南轅,揭示了經典物理學面臨的嚴重困難,使人們不得不稱之為"紫外災難".
二 普朗克的研究
1.普朗克(1858-1947)
誕生在德國,其父在慕尼黑大學任教,中學畢業後,躊躇於物理,數學和音樂之間,1874年考入慕尼黑大學數學系,因為愛好又轉向物理,他的老師約里(P.Jolly)勸他不要選物理,但普朗克選了物理並於1879年獲得博士學位.1880年起先後在慕尼黑大學和麥基爾大學任教.1888年柏林大學任命他為
基爾霍夫的繼任人和為他新設立的理論物理研究所所長.在此崗位一直工作到退休.1894年當選為普魯士皇家科學院院士,1918年被選為英國皇家學會會員,1930-1937年任威廉皇帝協會會長.1918年因發現能量子獲得諾貝爾物理學獎.
2.普朗克的內插公式
普朗克將代表短波方向的維恩公式和代表長波方向的實驗結果結合在一起,得到普朗克輻射定律:
當ν→0,即在長波范圍,普朗克定律變為瑞利—金斯公式.
當ν→∞,即在短波范圍,又與維恩定律一致.
魯本斯得知這一公式後,立即把自己的實驗結果和理論曲線相比較,完全符合.於是兩人於1900年10月19日向德國物理學會做了報告.題目是《維恩光譜方程的改進》.
3.普朗克的能量子假設
普朗克為一理論物理學家,他不滿足於找到一個經驗公式,普朗克寫道:"即使這個新的輻射公式證明是絕對精確的,但若僅僅是一個僥幸揣測出來的公式,它的價值也只能是有限的.因此從10月19日提出這個公式開始,我就致力於找出這個公式的真正物理意義.這個問題使我直接去考慮熵和幾率之間的關系,也就是說把我引到了波爾茲曼的思想."
插曲:最初普朗克並不同意玻耳茲曼的統計觀點,曾經跟波爾茲曼進行過論戰.但是,普朗克經過幾個月的努力,沒有從熱力學的普遍理論推出新的輻射定律,後來只好用波爾茲曼的熱力學幾率理論進行嘗試.從而導出普朗克輻射公式.
普朗克量子假說
輻射黑體中分子和原子的振動可視為線性諧振子,這些線性諧振子可以發射和吸收輻射能.這些諧振子只能處於某些分立的狀態,在這些狀態下,諧振子的能量不能取任意值,只能是某一最小能量( 的整數倍.,n為整數,稱為量子數
對頻率為( 的諧振子, 最小能量(為:,( 稱為能量子
普朗克從這些假設出發可以得到他的黑體輻射公式:
普朗克根據黑體輻射的數據計算出常數h值:h=6.65×10-34焦耳·秒
h—普朗克常數 ,就好象普羅米修斯從天上引來的一粒火種,使人們從傳統思想的束縛下獲得了解放!黑體輻射,光電效應,原子光譜,康普頓效應等都是普朗克假說的發展結果,是經典物理所不能解釋的.
普朗克的矛盾
普朗克的能量子假說,對能量連續的觀點形成了嚴重沖擊,人們只承認普朗克公式,卻不接受他的能量子假說.就連普朗克本人也不能正確理解能量子的物理意義.對此,他的心情非常矛盾,一方面直覺告訴他:這個發現不同尋常,另一方面他又總想回到經典理論的立場上去.他說:"在將作用量子h引入理論時,應當盡可能保守從事;這就是說,除非業已表明絕對必要,否則不要改變現有理論."
1911年普朗克認為只是在發射過程中才是量子化的,而吸收則完全是連續進行的.到了1914年,乾脆取消了量子假說(ε→0),認為發射過程也是連續的.但一次一次的失敗使他最終放棄了自己的倒退立場.為此他百感交集:"為了使作用量子能以某種方式容入經典理論中,我花了幾年的時間(一直到1915年),它們耗費了我大量的精力. …現在我懂得了一件事實,基本作用量子在物理學中所起的作用遠比我最初設想的要深刻的多."
普朗克於1918年獲諾貝爾獎.
由於在玻爾茲曼影響下,於1900年12月14日,普朗克明確提出了能量子概念,並指出每個能量子的能量E與頻率ν成正比,這一天,被稱為量子力學的誕生日.
玻爾:這個發現將人類的觀念——不僅是有關經典科學的觀念,而且是有關通常思維方式的觀念的基礎砸得粉碎.
『柒』 為什麼說牛頓定律和麥克斯韋方程無法解釋黑體輻射這之間有什麼矛盾呢
所謂黑體是指入射的電磁波全部被吸收，黑洞就是典型的黑體。黑洞質量很大，引力很大，光都逃不過它的引力。牛頓認為時間是恆定的，引出的經典物理，然而愛因斯坦認為引力越大時間越慢，因此經典物理研究不了黑體輻射
『捌』 經典物理在黑體輻射問題上遇到什麼困難,又是如何解決
困難：從經典物理學出發推導出的維恩定律在低頻區域與實驗數據不相符，而在高頻區域，從經典物理學的能量均分定理推導出瑞利-金斯定律又與實驗數據不相符，在輻射頻率趨向無窮大時，能量也會變得無窮大，這結果被稱作「紫外災變」。
解決：1900年10月，馬克斯·普朗克將維恩定律加以改良，又將玻爾茲曼熵公式重新詮釋，得出了一個與實驗數據完全吻合普朗克公式來描述黑體輻射。
理想黑體可以吸收所有照射到它表面的電磁輻射，並將這些輻射轉化為熱輻射，其光譜特徵僅與該黑體的溫度有關，與黑體的材質無關。
但是在詮釋普朗克公式時，通過將物體中的原子看作微小的量子諧振子，他不得不假設這些量子諧振子的總能量不是連續的，即總能量只能是離散的數值（經典物理學的觀點恰好相反）。
後來，普朗克進一步假設單獨量子諧振子吸收和放射的輻射能是量子化的。
(8)黑體輻射的規律與經典物理的矛盾表現在哪裡擴展閱讀
所謂黑體是指入射的電磁波全部被吸收，既沒有反射，也沒有透射( 當然黑體仍然要向外輻射)。
基爾霍夫輻射定律，在熱平衡狀態的物體所輻射的能量與吸收率之比與物體本身物性無關,只與波長和溫度有關。按照基爾霍夫輻射定律，在一定溫度下，黑體必然是輻射本領最大的物體，可叫作完全輻射體。
黑體輻射是指由理想放射物放射出來的輻射，在特定溫度及特定波長放射最大量之輻射。同時，黑體是可以吸收所有入射輻射的物體，不會反射任何輻射，但黑體未必是黑色的，例如太陽為氣體星球，可以認為射向太陽的電磁輻射很難被反射回來，所以認為太陽是一個黑體。
『玖』 經典物理為什麼不能解釋黑體輻射 黑體不是沒有輻射嗎經典物理哪裡不能解釋黑體輻射
黑體不是黑洞,黑體是有輻射的,而且黑體輻射的能量不是連續的,而是一份份的,每一份的能量都為ε=hν,h為普朗克常量,ν為頻率.
按照經典物理,物體向外輻射能量是連續的,這和實驗規律不相符,所以不能解釋黑體輻射,而只能用量子化的觀點來解
『拾』 19世紀末經典物理出現哪些無法解決的矛盾
邁克爾孫-莫雷實驗：光的絕對速度與以太以及經典物理的矛盾。
黑體輻射：兩條公式分別在高波段和低波段適用，但無法統一。其中一條在波段變低的時候能量趨於無窮，稱為紫外災難