量子力学の歴史のソースを表示

[[ファイル:10_Quantum_Mechanics_Masters.jpg|サムネイル|692x692ピクセル| 量子力学に貢献した10人。 ： 順に<div class="center" style="width:auto; margin-left:auto; margin-right:auto;"> [[マックス・プランク|マックスプランク]] 、 [[アルベルト・アインシュタイン|アルバートアインシュタイン]] 、 <br />[[ニールス・ボーア]] 、 [[ルイ・ド・ブロイ]] 、 [[マックス・ボルン]] 、 [[ポール・ディラック]] 、 <br />[[ヴェルナー・ハイゼンベルク]] 、 [[ヴォルフガング・パウリ]] 、 <br />[[エルヴィン・シュレーディンガー]] 、 [[リチャード・P・ファインマン]] 。 </div>]]
'''[[量子力学]]'''の歴史（りょうしりきがくのれきし）は現代[[物理学の歴史]]の根幹をなす。量子力学の歴史は、[[量子化学]]の歴史と絡み合って、いくつかの異なる科学的発見に端を発している。それらの例として、1838年の [[マイケル・ファラデー]]による[[陰極線]]の発見、1859–60年の[[グスタフ・キルヒホフ]]による[[黒体放射]]問題の提起、物理系の[[エネルギー準位]]が離散的であるとする[[ルートヴィッヒ・ボルツマン]]による1877年の仮説の提案、1887年の[[ハインリヒ・ヘルツ]]による[[光電効果]]の発見、そして[[マックス・プランク]]による1900年の[[量子仮説]]が挙げられるだろう。プランクの量子仮説とは、エネルギーを放射する原子系は、いくつかの離散的な「エネルギー量子」 ''ε'' に分割できるものとし、これらの各エネルギー量子は、それぞれ[[周波数]] ''ν'' に比例した次の式で定義されるように、個別に[[エネルギー]]を放射するとする説である。 

: <math> \varepsilon = h \nu \, </math>

ここで導入された定数 ''h'' は[[プランク定数]]として知られている。 

その後、 [[アルベルト・アインシュタイン]]は1905年、ハインリッヒ・ヘルツによって1887年に報告された光電効果を説明するために、マックス・プランクの量子仮説と矛盾しないような形で光が粒子からなるとする説明を与えた。 この粒子は、1926年にギルバート・ルイスによって「[[光子]]」と呼ばれるようになる。光電効果とは、金属などの特定の物質に特定の波長の光を当てると、物質表面から電子が放出される現象であるが、その物質の表面の[[仕事関数]]よりも大きなエネルギーを持つ光子が当たった場合にのみ、電子が放出される。 

「量子力学」（ドイツ語：''Quantenmechanik''）という単語は、1920年代初頭の[[ゲオルク・アウグスト大学ゲッティンゲン|ゲッティンゲン大学]]で、[[マックス・ボルン]]、[[ヴェルナー・ハイゼンベルク]]、[[ヴォルフガング・パウリ]]らの物理学者のグループによって作られたもので、ボルンの1924年の論文 ''"Zur Quantenmechanik<ref>Max Born, ''My Life: Recollections of a Nobel Laureate'', Taylor & Francis, London, 1978. ("We became more and more convinced that a radical change of the foundations of physics was necessary, i.e., a new kind of mechanics for which we used the term quantum mechanics. This word appears for the first time in physical literature in a paper of mine...")</ref>"'' が初出である。その後数年間、この理論的基礎は[[化学構造]]や[[化学反応|反応]]性および[[化学結合]]に徐々に適用され始めた。

== 概観 ==
[[ファイル:Boltzmanns-molecule.jpg|左|サムネイル|211x211ピクセル| 1898年に描かれた'''I<sub>2</sub>分子'''の[[ルートヴィッヒ・ボルツマン|ルートヴィヒ・ボルツマン]]による図 。原子の「感度領域」を重なりで示している。]]
[[ルートヴィッヒ・ボルツマン]]は1877年、 [[分子]]などの物理系のエネルギー準位が（連続的ではなく）離散的な可能性を示唆した。彼は、数学者グスタフ・フォン・エシェリッヒとエミル・ミュラーとともに、 [[オーストリア数学会]]の創設者である。ヨウ素ガスなどに離散エネルギー準位がみられるとするボルツマンの理論的解釈は、彼の[[統計力学|統計熱力学]]および[[統計力学]]の理論に起源があり、その20年後にマックス・プランクが提唱する最初の[[量子力学|量子論]]と同様に、 数学的な議論によって裏付けされた。  

1900年、ドイツの物理学者マックス・プランクは、観測される黒体放射の周波数依存性の公式を導出するためにエネルギーが量子化されるという考えを導入して、[[プランクの法則]]を提起した。プランクの法則は[[ボルツマン分布]]を古典的極限で含んでいる。プランクの法則<ref>M. Planck (1914). ''The theory of heat radiation'', second edition, translated by M. Masius, Blakiston's Son & Co, Philadelphia, pp. 22, 26, 42–43.</ref>は次のように表される。 <math>I(\nu,T) =\frac{ 2 h\nu^{3}}{c^2}\frac{1}{ e^{\frac{h\nu}{kT}}-1},</math> 

ただし： 

: I(''ν,T'' )は温度''Tの''黒体から、単位[[周波数]]・単位[[立体角]]あたりの放射面の法線方向に、単位面積あたりに放射される、単位時間あたりの[[エネルギー]]（または[[仕事率]]）である。ここで 
: ''h'' :[[プランク定数]] 
: ''c'' :真空中[[光速|の光速度]] 
: ''k'' :[[ボルツマン定数]] 
: ''ν'' :電磁放射の[[周波数]] 
: ''T'' :黒体表面の絶対温度（ケルビン） 

これに先立つ[[ヴィーンの放射法則|ウィーンの放射法則]]は、プランクの法則に、 <math>h\nu \gg kT</math> を仮定することで得られる。 

加えて、プランクの量子論の電子への適用は、1911年から13年にかけてステファン・プロコピウ 、その後 [[ニールス・ボーア]]が続いて1913年に電子の[[磁気モーメント]]（のちにボーア磁子と呼ばれる）の計算で行われた。これに続いて、電子のそれよりも3 [[数量の比較|桁]]小さい、[[陽子]]と[[中性子|中性子の]]両方の[[磁気モーメント]]についても、同様の計算を異なる数値を用いることで、計算可能になりました。 
{| align="right" cellpadding="5" cellspacing="0" style="border:1px solid black; margin-left:1em"
| colspan="2" align="center" style="background-color:#ffdead;" | {{big|'''光電効果'''}}
|-
| colspan="2" |[[ファイル:Photoelectric effect in a solid - diagram.svg|代替文=|中央|サムネイル|220x220ピクセル|金属の仕事関数よりも大きいエネルギーを持つ光量子（光子）によって引き起こされる金属板からの電子の放出。]]
|-
| colspan="2" align="left" | '''[[ハインリヒ・ヘルツ]]が1887年に報告した[[光電効果]]''' 
|-
| '''1905年に[[アルベルト・アインシュタイン]]によって説明された'''  
|-
| 低エネルギー： [[光電効果]] 
|-
| 中エネルギー： [[コンプトン効果|コンプトン散乱]] 
|-
| 高エネルギー： [[対生成]] 
|}
1905年、 [[アルベルト・アインシュタイン]]は、 [[光電効果|光]] またはより一般的にすべての電磁放射について、空間内に局在した点である有限数の「エネルギー量子」に分割できると仮定して、[[光電効果]]を説明した。 アインシュタインは、1905年3月の量子論文の冒頭のセクション「光の放出と変換に関するヒューリスティックな視点について」で、以下のように述べている。 

{{quote|"According to the assumption to be contemplated here, when a light ray is spreading from a point, the energy is not distributed continuously over ever-increasing spaces, but consists of a finite number of 'energy quanta' that are localized in points in space, move without dividing, and can be absorbed or generated only as a whole."}}

この主張は、20世紀の物理学者によって書かれた最も革新的な文と呼ばれ<ref>{{Citation|last=Folsing|first1=Albrecht|title=Albert Einstein: A Biography|publisher=trans. [[Ewald Osers]], Viking|year=1997}}</ref> ている。ここでの「エネルギー量子 (energy quanta)」は後に「[[光子]]」と呼ばれるようになる。「光子」という単語は1926年に[[ギルバート・ルイス]]によって導入された。 この、「各光子が離散的にエネルギーを持ってなければならない」という考えは驚くべき成果であった。それまでの「光が波である」とする立場で黒体放射を説明する場合におこる黒体放射によるエネルギーの放射が無限に発散する（[[紫外破綻]]）の問題を解決した。1913年、ボーアは水素原子のスペクトル線を、彼の7月の論文 ''On the Constitution of Atoms and Molecules''にてこの量子化を用いて説明した。 

こうした理論はよく現象を説明したが現象論的なものであった。この間、[[アンリ・ポアンカレ]]の1912年の論文 ''Sur la théorie des quanta'' でプランクの理論について議論されたものを除き、[[量子化 (物理学)|量子化]]の正当化はなかった<ref name="McCormmach">{{Citation|last=McCormmach|first1=Russell|title=Henri Poincaré and the Quantum Theory|journal=Isis|volume=58|number=1|pages=37–55|date=Spring 1967|doi=10.1086/350182}}</ref> <ref name="Irons">{{Citation|last=Irons|first1=F. E.|title=Poincaré's 1911–12 proof of quantum discontinuity interpreted as applying to atoms|journal=American Journal of Physics|volume=69|number=8|pages=879–84|date=August 2001|doi=10.1119/1.1356056|bibcode=2001AmJPh..69..879I}}</ref> 。こうした現象論は総称して'''前期量子論'''と総称されている。 

「量子物理学」という言葉は、ジョンストンによって1931年に書かれたプランクの宇宙の現代物理学（英題: Planck's Universe in Light of Modern Physics）で最初に使用された。 
[[ファイル:Black_body.svg|右|サムネイル|256x256ピクセル| 温度が下がると、 '''黒体放射'''曲線のピークはより長い波長にシフトし、強度も弱まる。黒体放射曲線（1862）は、[[ジョン・ウィリアム・ストラット (第3代レイリー男爵)|レイリー]]と[[ジェームズ・ジーンズ|ジーンズ]]の古典極限の計算（1900）とも比較される。 曲線の短波長側は、1896年に[[ヴィーンの放射法則|ウィーンの放射法則]]によって近似的な結果が得られている。]]
[[File:Bohr_model_3.jpg|左|サムネイル|248x248ピクセル| 1913年の[[ニールス・ボーア]]による原子の量子モデル。これには[[ヨハネス・リュードベリ]]の1888年の公式、[[マックス・プランク]]の1900年の量子仮説（原子からのエネルギー放射は離散的なエネルギー値（''ε=hν''）を持つ）、[[ジョゼフ・ジョン・トムソン|J. J. トムソン]]の1904年の[[ブドウパンモデル]]、[[アルベルト・アインシュタイン]]の1905年の[[光子|光量子]]仮説、[[アーネスト・ラザフォード]]の1907年の[[原子核]]の発見といった内容が踏まえられている。ここで、光子を放出する際、電子が黒い線に沿ったような移動をしているわけではないことに留意したい。電子は外側の軌道からジャンプして内側の軌道に現れるのであって、軌道2と3の中間の領域には存在できない。 |リンク=Special:FilePath/Bohr_model_3.jpg]]
1923年、フランスの物理学者[[ルイ・ド・ブロイ]]は、「粒子は波動特性を示しうる、逆もまた同様である」とする、物質波の理論を提唱した。この理論は特殊相対性理論から導かれた、単一粒子を記述するためのものである。ド・ブロイのアプローチに基づいて、量子力学は1925年に成立した。これは、ドイツの物理学者である[[ヴェルナー・ハイゼンベルク]]、[[マックス・ボルン]]、[[パスクアル・ヨルダン]]<ref name="Edwards79">David Edwards,''The Mathematical Foundations of Quantum Mechanics'', Synthese, Volume 42, Number 1/September, 1979, pp.&nbsp;1–70.</ref> <ref name="Edwards81">D. Edwards, ''The Mathematical Foundations of Quantum Field Theory: Fermions, Gauge Fields, and Super-symmetry, Part I: Lattice Field Theories'', International J. of Theor. Phys., Vol. 20, No. 7 (1981).</ref>が[[行列力学]]を発展させ、オーストリアの物理学者[[エルヴィン・シュレーディンガー]]が[[シュレーディンガー方程式|波動力学]]と非相対論的シュレーディンガー方程式を導出したことによってなされた。非相対論的シュレーディンガー方程式はド・ブロイ理論の一般化された場合の近似として得られる。<ref>
{{Citation|last=Hanle|first1=P.A.|title=Erwin Schrodinger's Reaction to Louis de Broglie's Thesis on the Quantum Theory.|journal=Isis|volume=68|number=4|pages=606–09|date=December 1977|doi=10.1086/351880}}</ref> シュレーディンガーはその後、行列力学と波動力学の2つのアプローチは同等であることを示した。 

ハイゼンベルクは1927年に[[不確定性原理]]を定式化し、[[コペンハーゲン解釈]]はほぼ同時期に定まってきた。1927年頃から、[[ポール・ディラック]]は[[電子]]に対する[[ディラック方程式]]を提案することで、[[特殊相対性理論|特殊相対論]]と量子力学の統一を開始した。 ディラック方程式は、シュレーディンガーができなかった電子の波動関数についての相対論的記述を与えている。また、電子がもつスピンを予測し、ディラックによる[[陽電子]]の予言の根拠となった。また、1930年の当人による教科書に記載されていて、のちによく用いられる[[ブラ-ケット記法]]を含む、演算子理論による記述を開拓した。同時期に、ハンガリーの数学者[[ジョン・フォン・ノイマン]]は、彼の[[量子力学の数学的基礎|1932年の教科書]]に記載されているように、[[ヒルベルト空間]]の線形演算子の理論として、量子力学の厳密な数学的基礎を定式化した。これらは、創設期の他の多くの知見と同様に、現在も継続して広く使用されている。

[[量子化学]]の分野は、1927年に[[水素|水素分子]]の[[共有結合]]の研究を発表した物理学者[[ヴァルター・ハイトラー]]と[[フリッツ・ロンドン]]によって開拓された。量子化学はその後、アメリカの理論化学者である[[カリフォルニア工科大学]]の[[ライナス・ポーリング]]や[[ジョン・クラーク・スレイター|ジョン・C・スレーター]]を含む多数の研究者によって[[分子軌道理論]]や[[原子価結合理論]]などのさまざまな理論に発展した。

1927年以降、単一粒子ではなく場に量子力学を適用する試みが行われ、[[場の量子論]]が成立した。この分野の初期の功労者としては、[[ポール・ディラック]]、[[ヴォルフガング・パウリ]]、[[ヴィクター・ワイスコフ]]、および[[パスクアル・ヨルダン]]らがいる。この研究分野は、1940年代に[[リチャード・P・ファインマン]]、[[フリーマン・ダイソン]] 、[[ジュリアン・シュウィンガー]]、[[朝永振一郎]]による[[量子電磁力学]]の定式化で頂点に達した。量子電磁力学は、[[電子]]、[[陽電子]]、[[電磁場]]の量子論を与え、つづく[[場の量子論]]の先行研究となった。<ref name="Edwards79">David Edwards,''The Mathematical Foundations of Quantum Mechanics'', Synthese, Volume 42, Number 1/September, 1979, pp.&nbsp;1–70.</ref> <ref name="Edwards81">D. Edwards, ''The Mathematical Foundations of Quantum Field Theory: Fermions, Gauge Fields, and Super-symmetry, Part I: Lattice Field Theories'', International J. of Theor. Phys., Vol. 20, No. 7 (1981).</ref> <ref>S. Auyang, ''How is Quantum Field Theory Possible?'', Oxford University Press, 1995.</ref> 
[[ファイル:Feynmann_Diagram_Gluon_Radiation.svg|右|サムネイル|264x264ピクセル| [[量子色力学]]における'''[[グルーオン]]の[[放射]]'''のファインマン図 ]]
[[量子色力学]]の理論は1960年代初頭に提案された。今日私たちが知っている量子色力学は、1975年に[[H. デビッド・ポリツァー|ポリツァー]]、[[デイビッド・グロス]]、[[フランク・ウィルチェック]]によって定式化された。 

[[ジュリアン・シュウィンガー|シュウィンガー]]、[[ピーター・ヒッグス|ヒッグス]]、[[ジェフリー・ゴールドストーン|ゴールドストーン]]による先駆的な研究に基づいて、[[シェルドン・グラショー]]、[[スティーヴン・ワインバーグ|スティーブン・ワインバーグ]]、[[アブドゥッサラーム|サラム]]は、それぞれ独立に、弱い力と[[量子電磁力学]]が単一の[[電弱相互作用]]に統合される可能性とその仕組みを示し、この業績に対して、彼らは1979年、[[ノーベル物理学賞]]を受賞した。

== 背景となった実験 ==
* [[トマス・ヤング|トーマス・ヤング]]の光の波の性質を示す[[二重スリット実験|ダブルスリット実験]] （1801年頃） 
* [[アンリ・ベクレル]]による[[放射能]]の発見（1896） 
* [[ジョゼフ・ジョン・トムソン]]の陰極線管実験（[[電子]]とその負電荷の発見）（1897） 
* 1850年から1900年の間の[[黒体放射]]に関する諸研究。これは量子的概念なしでは説明できなかった。 
* [[光電効果]]：[[アルベルト・アインシュタイン|アインシュタイン]]はこれを1905年に説明し（後にノーベル賞を受賞）、光子、量子化されたエネルギーを持つ光の粒子の概念を用いた。 
* [[電荷]]が離散的なものであることを示した[[ロバート・ミリカン]]の[[ミリカンの油滴実験|油滴実験]]（1909） 
* [[アーネスト・ラザフォード]]の[[ガイガー＝マースデンの実験|金箔実験]]は、[[原子]]のブドウパンモデル（[[原子]]の質量と正電荷がほぼ均一に分布）を反証した。これは、原子の惑星モデル（1911年）につながった。 
* [[ジェイムス・フランク|ジェイムズ・フランク]]と[[グスタフ・ヘルツ]]の[[フランク＝ヘルツの実験|電子衝突実験]]は、水銀原子によるエネルギー吸収が量子化されることを示唆 （1914） 
* [[オットー・シュテルン]]と[[ヴァルター・ゲルラッハ]]による [[シュテルン＝ゲルラッハの実験|シュテルン=ゲルラッハ実験]]。（粒子の[[スピン角運動量|スピン]]の量子化された性質を示す）（1920） 
* [[クリントン・デイヴィソン]]と[[レスター・ガーマー]]による、[[電子回折]]実験による[[電子]]の波動性の確認<ref>[http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/davger2.html The Davisson–Germer experiment, which demonstrates the wave nature of the electron]</ref> 。（1927） 
* [[クライド・カワン]]と[[フレデリック・ライネス]]による、[[ニュートリノ]]の存在確認（1955） 
* [[二重スリット実験|クラウス・ヨンソン]]の電子による[[二重スリット実験]]（1961） 
*  [[クラウス・フォン・クリッツィング|クラウスフォンクリッツィング]]による[[量子ホール効果]] の発見（1980）。[[ホール効果]]の量子版は[[電気抵抗]]の新しい実用的な基準の定義と、[[微細構造定数]]を正確かつ独立に与えることを可能にした。 
* [[ジョン・クラウザー]]と[[スチュアート・フリードマン]]による[[量子もつれ]]の実験的検証（1972） 
* ポール・クウィアット、ハロルド・ウィーンフルター、トーマス・ヘルツォーク、[[アントン・ツァイリンガー]]、マーク・カセビッチによる[[マッハ・ツェンダー干渉計]]をもちいた実験（Elitzur–Vaidman爆弾テスターの実験的検証手法を与え、 相互作用のない測定が可能であることを示した）（1994） 

== 関連項目 ==
* アインシュタインの思考実験 
* [[場の量子論の歴史]] 
* [[化学の歴史]]
* [[原子・亜原子物理学の年表]]
* {{仮リンク|亜原子物理学の歴史|en|History of subatomic physics}}
* [[分子論の歴史]]
* {{仮リンク|熱力学の歴史|en|History of thermodynamics}}
* {{仮リンク|物理学の黄金時代|en|Golden age of physics}}

== 引用文献 ==
{{Reflist|2}}

== 参考文献 ==
* {{Citation|first1=Guido|last=Bacciagaluppi|last2=Valentini|first2=Antony|authorlink2=Antony Valentini|title=Quantum theory at the crossroads: reconsidering the 1927 Solvay conference|arxiv=quant-ph/0609184|oclc=227191829|publisher=Cambridge University Press|year=2009|place=Cambridge, UK|isbn=978-0-521-81421-8|bibcode=2006quant.ph..9184B|pages=9184}} <bdi> {{Citation|first1=Guido|last=Bacciagaluppi|last2=Valentini|first2=Antony|title=Quantum theory at the crossroads: reconsidering the 1927 Solvay conference|arxiv=quant-ph/0609184|oclc=227191829|publisher=Cambridge University Press|year=2009|place=Cambridge, UK|isbn=978-0-521-81421-8|bibcode=2006quant.ph..9184B|pages=9184}} </bdi> {{Citation|first1=Guido|last=Bacciagaluppi|last2=Valentini|first2=Antony|title=Quantum theory at the crossroads: reconsidering the 1927 Solvay conference|arxiv=quant-ph/0609184|oclc=227191829|publisher=Cambridge University Press|year=2009|place=Cambridge, UK|isbn=978-0-521-81421-8|bibcode=2006quant.ph..9184B|pages=9184}} 
* {{Citation|last=Bernstein, Jeremy|title=Quantum Leaps|publisher=Belknap Press of Harvard University Press|place=Cambridge, Massachusetts|year=2009|isbn=978-0-674-03541-6|url=https://books.google.com/books?id=j0Me3brYOL0C&printsec=frontcover}} <bdi> {{Citation|last=Bernstein, Jeremy|title=Quantum Leaps|publisher=Belknap Press of Harvard University Press|place=Cambridge, Massachusetts|year=2009|isbn=978-0-674-03541-6|url=https://books.google.com/books?id=j0Me3brYOL0C&printsec=frontcover}} </bdi>
* {{Cite book|last=Cramer, JG|title=The Quantum Handshake: Entanglement, Nonlocality and Transactions|publisher=Springer Verlag|location=|year=2015|isbn=978-3-319-24642-0}} <bdi> {{Cite book|last=Cramer, JG|title=The Quantum Handshake: Entanglement, Nonlocality and Transactions|publisher=Springer Verlag|location=|year=2015|isbn=978-3-319-24642-0}} </bdi> {{Cite book|last=Cramer, JG|title=The Quantum Handshake: Entanglement, Nonlocality and Transactions|publisher=Springer Verlag|location=|year=2015|isbn=978-3-319-24642-0}} 
* Greenberger、Daniel、 Hentschel、Klaus 、Weinert、Friedel（Eds。 ） [https://www.springer.com/us/book/9783540706229 量子物理学の概要] 。 概念、実験、歴史と哲学 、ニューヨーク：スプリンガー、2009。 {{ISBN2|978-3-540-70626-7}}
* {{Citation|last=[[Max Jammer|Jammer, Max]]|title=The conceptual development of quantum mechanics|publisher=McGraw-Hill|place=New York|year=1966|oclc=534562}} 
* {{Citation|last=Jammer, Max|title=The philosophy of quantum mechanics: The interpretations of quantum mechanics in historical perspective|publisher=Wiley|place=New York|year=1974|oclc=969760|isbn=0-471-43958-4|url=https://archive.org/details/philosophyofquan0000jamm}} <bdi> {{Citation|last=Jammer, Max|title=The philosophy of quantum mechanics: The interpretations of quantum mechanics in historical perspective|publisher=Wiley|place=New York|year=1974|oclc=969760|isbn=0-471-43958-4|url=https://archive.org/details/philosophyofquan0000jamm}} </bdi> {{Citation|last=Jammer, Max|title=The philosophy of quantum mechanics: The interpretations of quantum mechanics in historical perspective|publisher=Wiley|place=New York|year=1974|oclc=969760|isbn=0-471-43958-4|url=https://archive.org/details/philosophyofquan0000jamm}} 
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== 外部リンク ==
* [http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history/HistTopics/The_Quantum_age_begins.html 量子力学の歴史] 
* [http://www.oberlin.edu/physics/dstyer/StrangeQM/history.html 量子力学の簡単な歴史] 
* [http://quantum-history.mpiwg-berlin.mpg.de/ 量子歴史プロジェクトのホームページ] 

{{量子力学}}
{{DEFAULTSORT:りようしりきかくのれきし}}
[[Category:物理学史]]
[[Category:化学史]]