化學原理啟迪295
1. 十九世紀末的物理學家可說是自信滿滿，從行星運動到可見光被三稜鏡散射開來，各種現象他們都有許多理論可以解釋。可是也就是在十九世紀末，物理學家一向認為物質與能量是截然不同的事物的觀念受到了挑戰。
2. 一般認為，物質是由粒子組成，光這種能量(電磁輻射)是由波組成。粒子是有質量的東西，我們可以明確地指出粒子在空間中的位置在哪裡；波則是沒有質量的東西，它不斷地在空間中快速移動，瞬間即逝。
3. 古典物理學假設物質與光之間沒有交集點，在1900年之前，所有已知的事物似乎都符合這個觀點。然而，到了20世紀，某些實驗結果顯示，古典物理學所描繪的事情是不正確的。
《理察史特勞斯—查拉圖斯特拉如是說》
4. 第一個重大突破發生在1901年，德國物理學家普朗克加熱固體（黑體）到白熱化的程度（例如不斷地加熱鐵，鐵就會變紅、變白），這個時候物體會散發出電磁輻射，普朗克比較電磁波的強度與波長，做了一個黑體輻射black radiation數線表：
6. 黑體輻射實驗測量出來的輻射的強度與波長相對曲線的結果，不符合古典物理學的預期。古典物理學理論假設物質可吸收或釋放各種不同波長、不同強度的能量，因此預測物體的輻射不會出現最大值，當它吸收或釋放的是非常短波長的能量時，能量強度將會是無限大。
7. 徐弘毅注：古典物理學認為物質就是物質，不是能量，不會跟外界灌注的能量產生什麼交流變化；各種外加的能量都能填充到物質中的縫隙或從縫隙流出，所以不應該發生某一個加熱溫度下，某一種釋放出來的波長的能量是最強的（能量最大值）這個現象。
依據古典物理學理論，外界灌注到物質的各種波長能量當中，波長愈短的能量愈強，所以物質吸收的波長愈短，釋放的能量愈強。
當外界灌注的能量是非常短的波長，代表灌注的能量非常非常地強大，由於古典物理學認知的物質是單純的物質，應該能夠不停吸收強烈能量，因此最後物質儲存的能量將會變得無限大。然而這個看法被普朗克的實驗推翻了。
8. 普朗克發現他所觀察到的「輻射波長VS能量強度」的曲線圖（釋放出來的各種波長中，某個波長的能量最強）顯示，物體得到或失去的能量都是hv能量的整數倍，h是一個常數，稱為普朗克常數Planck's constant，經過實驗測出數值為6.626×10－34JS。
9. 一個物體系統被加熱，它的內能變化
ΔE＝nhv
註：n是整數（1、2、3……）；h是普朗克常數Planck's constant；v是物體吸收或釋放的電磁波輻射。
10. 普朗克的結論真是個大驚奇，過去物理學家一向認為物質的能量可以持續不斷地增加或減少，意思是不論加入的能量多少物質都可以傳遞，但是現在很明顯地，能量是量化的quantized，是以明確的強度單位hv傳遞能量的。
11. 徐弘毅注：普朗克的意思是，外在的能量灌注到物質中，能量會跟物質的能量交流，轉化成某一種能量釋放出來；因為釋放出來的能量是同一類型的能量，因此有共同的基本單位「量子」，並且釋放出的各種波長能量，都是由這些基本單位「量子」組成，因此是黑體物質釋放出來的各種能量ΔE，都是量子hv的整數倍n。
12. 每一個小包裝的能量稱為「量子quantum」。系統傳遞能量時，是傳遞著一個一個完整的量子quanta，這似乎是能量的特殊性質。
13. 【例題】加熱氯化亞銅CuCl的銅Cu(Ⅰ)到1200℃，會出現煙火的藍色花火。炙熱的CuCl化合物發出的藍光，波長是450nm。當CuCl散發出波長是4.50×102nm的能量，這些能量的基本單位「量子」是多少？注：1nm＝10－9m， 4.50×102nm×10－9＝4.5×10－7m。
14. 【解題】能量的量子可以用以下公式計算：
ΔE＝hv
15. 燃燒的CuCl釋放的藍光頻率，計算如下
藍光屬於電磁輻射，電磁輻射在真空狀態下移動速度等於光速C，現實環境下移動速度仍舊十分逼近光速，因此我們可以用光速的速率c÷波長λ得到藍光的頻率值v。
v＝c/λ＝（2.9979×108m/s）÷（4.50×10－7m）＝6.66×1014s－1
16. 因此
ΔE＝hv
＝（6.626×10－34JS）（6.66×1014s－1）
＝4.41×10－19 J
CuCl樣品燃燒發出的光，釋放的每單位能量是4.41×10－19 J，這就是CuCl的量子的大小。
徐弘毅：
1. 普朗克一開始應該沒有想要發展什麼「量子力學」，他只是觀察事實並且努力建立各種現象之間的因果關係，但是因為他觀察得比一般人仔細入微，所以能看到一般人看不到的事實，又因為他推理嚴密，所以提出突破傳統的大膽理論。
2. 普朗克發現各種符合黑體條件的固體物質，例如鐵塊，放進爐裡燒一燒，然後取出來，炙熱的黑體就放射出來的電磁輻射。黑體加熱實驗的過程：1.熱能→2.物質→3.電磁輻射。這三者有共通性嗎？
3. 普朗克發現加熱的溫度愈高，黑體（例如鐵塊）釋放出來的最大能量輻射的波長愈短，這種固定的關係，代表熱能、物質與電磁輻射確實存在一些共通性。
4. 從希臘哲學家亞里斯多德時代開始，科學界就有「物質三態變化的觀念」，冰、液態水和水蒸氣，其實是同樣的物質，只是以不同的形式展現。能量有沒有三態變化呢？
5. 普朗克是不斷地想「熱能」轉入「物質」，變成「輻射電磁波」散發出來，實在很像「能量的三態變化」：1.還沒有加熱前的黑體物質是「固態的能量」。2.加熱軟化之後是「液態的能量」。3.達到白熱化的階段的物質釋放的電磁輻射是「氣態的能量」。
6. 有許多跡象顯示，物質似乎是由能量組成的，例如鐵摩擦產生靜電，鐵可以通電，磁鐵具有磁性，「鐵」這個物質似乎有一部份是由電磁能量組成的；當鐵被加熱到白熱化的階段，它會發光、發熱、發出電磁波，這些能量應該是從鐵的某些部分轉換出來的。
7. 普朗克應該是做了很多實驗，把各種不同的黑體物質加熱成各種溫度，一一記錄它們的電磁輻射，尋找其中的共通性與相異性。
8. 為什麼普朗克說物質釋放的能量是量化的？因為電磁輻射是一種波，波是一個、一個清楚分明的能量單位，這是量化的；就像物質由最小單位原子構成，物質的能量也是由最小單位的能量組成，稱為量子。
9. 普朗克應該是認為，黑體物質是一種固體的能量，組成物質的粒子是一顆顆的能量。加熱時，熱能湧入黑體物質的系統中，造成系統能量過多，系統中的原子或分子就釋放出電磁輻射、光、熱來減輕系統負擔。
10. 我們對物質加熱，物質會冒出「電磁輻射」，這好像是烤香腸，結果烤出很多豬油，物質裡面的組成跟電磁輻射有什麼關係呢？普朗克應該已經在懷疑，物質裡面的原子很可能是由電子組成的，或至少含有非常多的電子成分。
11. 此外，加熱的溫度愈高、灌入黑體的熱能愈多，黑體釋放出來的最大能量電磁輻射波長愈短，這證明熱能與電磁輻射波長存在一種比例關係；普朗克心裡應該會推想，熱、電、光是一樣的東西，彼此可以互相轉換，有誰能夠證明這一點呢？愛因斯坦。
沒有留言:
張貼留言