1900年12月14日,德国物理学家普朗克(1858-1947)在德国物理学会上,以《关于正常光谱的能量分布规律》为题,阐述了他的“量子论”,提出在辐射(或吸收)过程中,能量是不连续的,是以某一最小的能量单位的整数倍的形式存在的,这个最小的能量单位被认为是能量量子。能量量子的大小与辐射频率成正比。
        普朗克创立的量子理论,冲破了20世纪初的“物理危机”,推进了物理学和整个自然科学的现代化进程。
        普朗克于1858年4月23日出生于德国吉尔市的一个贵族家庭。他的父亲是个法律教授。普朗克从小在学校和家庭里都受到良好的教育。他少年时代就显示出数学才能,引起教师注意。他爱好音乐,钢琴弹得很不错。他也喜欢语言学。1874年,普朗克中学毕业,进入慕尼黑大学学习数学,不久便被物理学吸引。后来,他转入柏林大学学习。1879年,21岁的普朗克完成了关于热力学第二定律方面的论文,获得博士学位。1888年,他担任柏林大学理论物理研究所的负责人。从1892年到1926年,他一直是柏林大学的正式教授。
        19世纪末期,物理学家们都是从经典物理学来研究一个受热物体向外辐射能量与它的温度的关系。热辐射实际上是一种电磁辐射。物理学把对外来的辐射没有任何反射或透射,吸收率是百分之百的物体称做黑体。实验研究表明,黑体不但吸收率最高,而且在相同温度下也是辐射率最高的物体,是辐射能量只和温度有关的物体。1893年,德国学者威尔海姆·维恩(1864-1928)指出,随着黑体温度升高,辐射强度最大的波长将向光谱紫区移动。这就是维恩位移定律。它在理论上的一个弱点是,无法表明辐射能量与发射频率及温度的分布。1896年,维恩利用实验数据,以热力学定律为指导,给出黑体辐射能在一定温度下按频率分布的函数关系。但遗憾的是这一理论仅在低温下短波区与实验符合,而在长波区则偏差很大。1900年,英国人朗德·瑞利(1842-1919)从经典统计理论中的能量均分定理和电学理论出发推导出一个公式,后来英国人詹姆斯·金斯(1877-1946)发现这个公式差一个因子8,修正后称为瑞利-金斯定律。即热物体的辐射程度正比于它的绝对温度,反比于发射光波的波长平方。瑞利-金斯定律全部推导过程无可挑剔,但结果却只在长波部分与实验符合,而在短波部分却与实验结果大相径庭。由这个定律推出当波长趋于零时辐射能量趋于无穷大,而实验值却趋于零。由 于经典理论的这一失败出现在光谱的紫外光区的短波部分,因此荷兰人埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。“紫外灾难”是经典物理学上空的又“一朵乌云”(经典物理学上空笼罩的另一朵乌云是光速不变和以太流的否定)。
        和其他几位科学家一样,普朗克对黑体辐射问题也很感兴趣。为了驱散经典物理学上空“紫外灾难”这朵乌云,普朗克从1895年前后开始研究黑体辐射问题。普朗克在黑体辐射和吸收的理论天空中,首先于1900年10月提出了一个适用于电磁波谱所有波段的经验公式,即著名的普朗克辐射公式。这样,就把当时只能分别在短波波段和长波波段与实验相符的维恩能量分布公式和瑞利辐射公式巧妙而成功地统一起来。在黑体辐射的新公式中,普朗克抛弃了能量是连续的传统概念,在实验数据面前,提出能量是不连续的新概念。普朗克公式表明,物体辐射时候发射或者吸收的能量是一份一份的,普朗克将其称做能量子,简称量子。他并且进一步提出,能量子是和频率成正比的,能量子等于频率乘上一个常数,这个常数叫普朗克常数(h)。
        由于普朗克的理论打破了经典物理学的框框,许多物理学家都拒绝接受它,他们认为这不过是专门证实辐射公式而引进的一个特定假设而已(包括普朗克本人)。但是几年以后表明,普朗克的概念还能应用于除黑体辐射以外的许多各种不同的物理现象。
        普朗克提出能量不连续的量子概念,竖起了对经典物理学进行革命的大旗。普朗克在竖起量子论的革命大旗以后,首先来到这杆大旗下面的是爱因斯坦(1879-1955)。他应用量子概念解释了光电效应,发展了光的微粒说。19世纪初期,由于对光的干涉、衍射等现象的研究,光学理论中的波动说战胜了牛顿时代流行的微粒说。麦克斯韦理论也把光看做是一种电磁波。19世纪末期发现了光电效应,即一束光照到金属上可以引发电子。按照传统的波动说,光的强度越大表示光的能量越高,因此传递给金属的能量也越多,也就越容易引发电子。波动说无法解释光电效应和光的强度无关。爱因斯坦认为光是由具有粒子性的光子组成的,按照量子论,光子的能量应当等于光频率乘以普朗克量子数。光的强度只表明光粒子的多少,并不表明光粒子的能量高低。某种频率的光能够引起金属发射电子,是因为光子能量超过了引起电子发射所需要的能量。如果光子能量不够,就是光子再多也没有用。这样,爱因斯坦解释了光电效应为什么和光的强度无关而和频率有关。
        在爱因斯坦以后,在对经典物理学这场大革命的进军高潮中,丹麦物理学家玻尔(1885—1962)成为风云人物和主力军之一。他在初期便参加了用量子论解释原子结构的战斗。
        在波尔之前,科学家已经提出,原子结构类似太阳系结构、电子围绕原子核运转的模型,但这个模型不能说明原子的稳定性。1911年,波尔研究金属中电子运动的理论。1913年,28岁的波尔把普朗克的量子论引入到原子结构中来,对卢瑟福关于原子结构的模型,作了修改和重大发展。提出电子只能沿一些固定轨道绕原子核运动,从而建立起更好的定态原子模型,成功地解释了氢原子等的光谱等特征。关于原子结构的这个模型,称做卢瑟福一玻尔模型,简称玻尔模型。按照这个模型,x射线和原子核外内层电子能级的变化有关;可见光、红外光和紫外光起源于外层电子能级的变化;放射现象和原子核的变化有关。
        原子结构的玻尔模型,是量子论开拓的一个新领域。普朗克提出的量子论已经超出辐射问题的领域,进入蓬勃发展的原子物理学。玻尔满意地解释了氢光谱现象,开辟了新的研究途径。光谱学在几十年里积累起大量实验资料,现在可用以关于原子里电子运动的信息了。波尔关于原子结构的模型,解释了化学元素周期律。
        量子论只是量子力学革命中的序幕。在这出序幕中,诞生了普朗克、爱因斯坦和玻尔这三位伟大的革命先驱和科学巨匠;量子论把经典物理学中能量是连续的这个基本概念打破了,它在光电效应、原子结构等方面显示了非凡的生命力。在量子论革命的序幕打开,于1925年前后,量子力学的革命高潮来到了。
        这场高潮,彻底清除了经典力学在微观世界的影响,清除了把粒子和波相互对立的传统观念;统一了敌对几百年的波动说和微粒说,微观粒子即有波动性,又有微粒性;建立了描述微观粒子运动的新的数学方法和体系;确定了描述粒子运动的特征量(能量和动量)和描述波的特征量(波长和频率)之间的定量关系。这样,在微观粒子世界中建立了全新的秩序,奠定了量子力学统治的基础。
        在这场高潮中,同样诞生了几位叱咤风云的人物。他们是德布罗意(1892—)和薛定谔(1887-1961),海森堡和狄拉克。
        法国科学家德布罗意受爱因斯坦相对论的影响,他认为物质具有能量,能量与波相联系,因此物质和波相关。1923年,31岁的德布罗意首先发表了关于粒子波动性的论文,他的论点后来被电子衍射实验所证实,原来电子也能产生和光波相类似的衍射现象。1925年,德布罗意的见解引起苏黎世大学青年物理学家薛定谔的注意。薛定谔在波粒二重性思想的指导下,导出量子力学的波动力学体系,就是薛定谔方程。