Science 版 (精华区)

发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Science
标  题: 5.力学图景的不足
发信站: 哈工大紫丁香 (Mon May  5 16:42:48 2003) , 转信

   然而,光谱的较精致细节的分析曾经揭示了若干特点,它们是
不能依据周期性运动体系的理论来用力学图景加以诠释的。我们
这儿特别指的是谱线的多重结构以及磁场对这种结构所发生的效
应。后一种现象通常称为反常塞曼效应,而且,如上所述,这种现
象在经典理论中已经会引起一些困难了;确实,这种现象是可以很
自然地纳入量子理论基本公设的方案中的。因为,正如朗德
(Lande)所证明的,每一谱线在场中劈裂而成的那些成分谱线的频
率,也和原有谱线的频率一样可以用一些谱项的并合来表示。这
些磁性谱项的集合,可以通过将每一原有谱项换成另一套谱项值
来求得;这些值和原谱项之间有着依赖于场强的微小差。事实上,
施特恩(Stern)和盖拉赫(Gerlac)的那些优美的实验,可以认为是
量子理论基本思想的一种最直接的支持;通过这些实验,在作用于
非均匀磁场中一个原子上的力和由磁性谱项算出的场中定态能量
值之间建立了一种直接的联系。
   然而,朗德的分析,却揭示了原子中电子的相互作用和力学体
系的耦合之间的奇异区别。事实上,我们不得不假设,在电子的相
互作用中出现着一种在力学上无法描述的“胁变”;这种“胁变”使
人无法依据力学图景来唯一地指定各个量子数。在这一问题的讨
论中,爱伦菲斯特所引入的一个热力学稳定性的普遍条件起了重
要的作用。当应用于量子理论的公设时这一条件就表明,人们给
一个定态所指定的统计权数是一个量,它不能由于原子体系的连
续转变而有所变化。此外,近来已经认识到,甚至对于只有一个电
子的原子来说,这同一个条件也会引起困难;这些困难指示着周期
性运动体系理论的正确性的界限。事实上,点电荷的运动问题可
以有一些奇解;这些奇解必须从定态集合中排除掉。这种排除很
牵强地限制了量子化法则,但这种限制起初并不曾明显地和实验
证据发生矛盾。然而,通过克来恩和楞茨(Lenz)关于交叉电磁场
中的氢原子问题的有趣分析,揭示了一些性质特别严重的困难。
在这儿,人们发现无法满足爱伦菲斯特条件,因为外力的适当变化
将逐渐把描绘着一些定态的轨道转变成使电子落人原子核中的轨
道,而那些被描述的定态并不永远是能够从定态集合中排除掉的。
   且不说这些困难,光谱的较精致细节的研究曾经相当大地推
进了关于元素间关系的那些规律的量子理论诠释。事实上,量子
理论导致了关于电子分组的想法,这些想法的一种推广,最近曾由
道维里(Dauvillier)、梅因斯密(Main Smith)和斯通纳(Stoner)提
出;他们考虑了各种的证据。尽管这些建议具有形式化的性质,它
们却和朗德的分析所揭示的光谱规律性显示了密切的联系。最近
在这方面曾经得到了重要的进步,特别是泡利(Pauli)所得到的进
步。尽管这样得到的一些结果构成了上述纲领的一个重要步骤,
该纲领是要仅仅依据原子序数来说明元素的属性,但是,必须记
论中,爱伦菲斯特所引入的一个热力学稳定性的普遍条件起了重
要的作用。当应用于量子理论的公设时这一条件就表明,人们给
一个定态所指定的统计权数是一个量,它不能由于原子体系的连
续转变而有所变化。此外,近来已经认识到,甚至对于只有一个电
子的原子来说,这同一个条件也会引起困难;这些困难指示着周期
性运动体系理论的正确性的界限。事实上,点电荷的运动问题可
以有一些奇解;这些奇解必须从定态集合中排除掉。这种排除很
牵强地限制了量子化法则,但这种限制起初并不曾明显地和实验
证据发生矛盾。然而,通过克来恩和楞茨(Lenz)关于交叉电磁场
中的氢原子问题的有趣分析,揭示了一些性质特别严重的困难。
在这儿,人们发现无法满足爱伦菲斯特条件,因为外力的适当变化
将逐渐把描绘着一些定态的轨道转变成使电子落人原子核中的轨
道,而那些被描述的定态并不永远是能够从定态集合中排除掉的。
   且不说这些困难,光谱的较精致细节的研究曾经相当大地推
进了关于元素间关系的那些规律的量子理论诠释。事实上,量子
理论导致了关于电子分组的想法,这些想法的一种推广,最近曾由
道维里(Dauvillier)、梅因斯密(Main Smith)和斯通纳(Stoner)提
出;他们考虑了各种的证据。尽管这些建议具有形式化的性质,它
们却和朗德的分析所揭示的光谱规律性显示了密切的联系。最近
在这方面曾经得到了重要的进步,特别是泡利(Pauli)所得到的进
步。尽管这样得到的一些结果构成了上述纲领的一个重要步骤,
该纲领是要仅仅依据原子序数来说明元素的属性,但是,必须记
得,这些结果并不能和一些力学图景单值地结合起来。
   在最近几年中,通过更详细地研究光学现象,已经开始了量子
理论发展中的一个新时代。如上所述,经典理论在这一领域中得
到了如此巨大的成功,但是,各公设在起初却并未提供任何直接线
索。诚然,根据实验可以得出结论:一个原子,当受到照射时就会
引起光的散射,这种散射和经典上算出的弹性键合带电粒子所引
起的散射基本上相同,各该粒子的自然频率等于和原子在外来辐
射影响下所能完成的跃迁过程相对应的那些频率。事实上,按照
经典理论,当这样一些谐振子受到激发时,它们就会发出一种辐
射,其组成和被转移到较高定态中的原子的辐射组成相同。
   利用这种和跃迁共轭的振子概念来得到光学现象的统一描述
的可能性,主要是由斯累特(Slater)的一种想法得来的;按照这种
想法,辐射从一个激活原子的发出,可以看成自发跃迁的“原因”,
和入射辐射在引起跃迁方面的效应相类似。拉登堡(Ladenburg)
提出,在振子的散射本领和爱因斯坦理论中的对应跃迁几率之间,
可能有一种确定的联系,这样,他就向着色散的定量描述迈出了重
要的第一步。然而,决定性的进步是由克喇摩斯作出的,他把一些
效应巧妙地改写成了和对应原理相谐调的形式,按照经典理论,这
些效应是在一个电动力学体系中由光波的照射所引起的。正如辐
射频率一方面用经典理论来计算而另一方面又用量子理论来计算
一样,作为这种改写的特点的,是把一些微商适当地用一些差式来
代替,以便在最后的公式中只出现可以直接观察的量。于是,在克
喇默这些结果并不能和一些力学图景单值地结合起来。
   在最近几年中,通过更详细地研究光学现象,已经开始了量子
理论发展中的一个新时代。如上所述,经典理论在这一领域中得
到了如此巨大的成功,但是,各公设在起初却并未提供任何直接线
索。诚然,根据实验可以得出结论:一个原子,当受到照射时就会
引起光的散射,这种散射和经典上算出的弹性键合带电粒子所引
起的散射基本上相同,各该粒子的自然频率等于和原子在外来辐
射影响下所能完成的跃迁过程相对应的那些频率。事实上,按照
经典理论,当这样一些谐振子受到激发时,它们就会发出一种辐
射,其组成和被转移到较高定态中的原子的辐射组成相同。
   利用这种和跃迁共轭的振子概念来得到光学现象的统一描述
的可能性,主要是由斯累特(Slater)的一种想法得来的;按照这种
想法,辐射从一个激活原子的发出,可以看成自发跃迁的“原因”,
和入射辐射在引起跃迁方面的效应相类似。拉登堡(Ladenburg)
提出,在振子的散射本领和爱因斯坦理论中的对应跃迁几率之间,
可能有一种确定的联系,这样,他就向着色散的定量描述迈出了重
要的第一步。然而,决定性的进步是由克喇摩斯作出的,他把一些
效应巧妙地改写成了和对应原理相谐调的形式,按照经典理论,这
些效应是在一个电动力学体系中由光波的照射所引起的。正如辐
射频率一方面用经典理论来计算而另一方面又用量子理论来计算
一样,作为这种改写的特点的,是把一些微商适当地用一些差式来
代替,以便在最后的公式中只出现可以直接观察的量。于是,在克
喇摩斯理论中,一个原子在某一定态中的散射,是既同那些和到达
其他定态的不同跃迁过程相对应的频率有着定量联系,又同这些
跃迁在照射的影响下出现的几率有着定量联系的。
   理论的一个重要特点是,在推算一条光谱线附近的反常色散
时,人们必须考虑两种相反的共振效应,随这一谱线是和原子到达
较高能态的还是和原子到达较低能态的一个跃迁相对应而定。只
有前者才和以前根据经典理论来说明色散现象时所用到的共振效
应相对应。也非常有兴趣的是,克喇摩斯和海森伯对理论的进一
步发展,也给具有既变频率的附加散射效应提供了一种自然的定
量描述;这种效应的存在,曾由史麦卡(Smeka1)根据建筑在光量子
理论基础上的考虑预见到,于是光量子理论就再一次显示了它的
丰富性。
   尽管光学现象的这种描述是和量子理论的基本概念完全谐调
的,但是很快地就发现,这种描述和以前用来分析定态的那种力学
图景是奇特地矛盾着的。首先,不可能依据色散理论所要求的被
照原子的散射本领,来把一个原子在频率越来越小的交变场中的
反应和根据周期运动体系理论中的量子化法则算出的原子在恒定
场中的反应渐近地联系起来。这种困难加强了对这一理论的怀
疑;以上说过,交叉电磁场中的氢原子问题,就曾经引起过这种怀
疑了。其次,必须认为特别不能令人满意的是,在依据定态的力学
图景来定量地确定跃迁几率的问题中,周期运动体系的理论显然
是无能为力的。这一点越来越被人觉察到了,因为,在许多情况
下,利用分析电磁模型的光学行为而推得的观点,对于有关这些跃
迁几率的对应原理的一般说法就可以得到一种定量的表述。这些
结果和光谱线相对强度的量度符合得非常好;这些结果最近几年
曾在乌得勒支(Utrecht)得到特别的发展,但是,它们只能非常牵
强地被概括在受到量子化法则支配的那些方案中。



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