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长冈半太郎而这个阴魂最终改换了人们对宇宙的主张.正 如科学家

时间:2019-03-24来源:未知 作者:admin点击:
可选中1个或多个下面的关键词,搜索相关资料。也可直接点搜索资料搜索整个问题。 普朗克的能量量子化假设,大胆抛弃了经典物理学中物理量连续变化 的旧观念,它不仅是对经典物理学的改造,而且是一次革命.后来的事实 证明,随着普朗克能量子的提出,物理学

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  普朗克的能量量子化假设,大胆抛弃了经典物理学中物理量连续变化 的旧观念,它不仅是对经典物理学的改造,而且是一次革命.后来的事实 证明,随着普朗克能量子的提出,物理学理论发生了巨大的变革,它奠定 了量子理论的基础,揭开了人类探索微观世界的序幕.

  普朗克能量量子化的概念,不仅与当时的物理学家们早已习惯了的方 法相差甚远,而且与人们的普通常识也不相同,以至在量子假说提出后的 最初五年时间里,并未引起物理学界的积极响应.瑞利和金斯不相信,马 赫与彭加勒反对,洛仑兹甚至到 1911 年还在怀疑.德国有一本《自然科 学与技术史手册》,在 1908 年出第二版,列举了 1900 年全世界 120 项发 现与发明,就是没有提到普朗克的发现.而普朗克虽然已经敲开了量子世 界的大门,他完全可以大胆地闯进去,搞取更多丰硕的果实.然而,他犹 豫了,在以后的十五年里,普朗克还尽量想把他的能量量子纳入经典物理 学的框架,他说:“经典理论给了我们这样多有用的东西,因此必须以最 大的谨慎对待它、维护它.”十五年动摇、徘徊、倒退的痛苦,终于使普 朗克认识到能量量子的概念是完全不能用经典物理学解释的.

  拓者,他放出了量子幽灵,而这个幽灵最终改变了人们对世界的看法.正 如科学家劳厄所说:“只要自然科学存在,它就将永远不会让普朗克的名 字被遗忘.”

  自从 1897 年 J·J 汤姆逊发现电子后,人们立即开始了建立各种原子 结构模型的尝试.由于原子是中性的,而电子是带负电的,这表明原子中 还有与电子等量的正电荷的存在.那么原子结构模型就是要解决正电荷的 性质,正、负电荷的分布,正、负电荷之间的相互作用以及原子的稳定性、 周期性、光谱和放射性等问题.物理学家们曾从不同角度提出了不同的模 型.下面简单介绍其中在原子结构理论发展进程中有代表性的几种模型的 建立过程和方法.

  1897 年在汤姆逊发现电子后不久,开尔文运用数学方法,首先从数 学上讨论了原子结构.他认为原子是由若干个电子与电子相抵消的正电的 广延构成,电子在正电内部旋转.他还讨论了这种原子之间的作用力、正 电形成均匀球时处于稳定平衡的电子分布等等.开尔文是在 1897 年阐述 了这种思想,全面地进行讨论是在 1901 年进行的.

  勒纳德通过研究光电子在物质中的吸收情况,而形成了有关原子结构 的思想.勒纳德从 1895 年起,根据他的研究结果,认为原子是由相同的 构成要素组成的,只是物质不同,构成要素的数目不同罢了.他在 1903 年具体论述了他假设的这种原子结构.首先他注意到高速电子能够在物质 中通过相当大的距离而不改变其速度,于是他认为原子并没占满依据气体 运动论等所推断出的 10?8 厘米大小的范围,原子是比该范围小得多的要 素间隔的集合.他大体估计出这种小要素的半径在 0.3×10?10 毫米以下, 勒纳德把它称之为动力子.因为动力子是中性原子的构成要素,所以它自 身也必然是中性的.在这里,勒纳德把电偶设想为动力子的模型,并认为 它的正电荷是具有大质量的.氢原子是由一个乃至数个动力子构成.从这 里可看出,勒纳德提出的原子结构的动力子模型在某些方面正确地反映了 原子的现实,但是在此基础上,此模型再也没有得以发展.

  1904 年,长冈半太郎在题为《用粒子系统的运动学阐明线光谱、带 光谱和放射性》的论文中,根据麦克斯韦的土星卫环理论,推测原子的结 构,运用类比方法,把原子类比于土星提出了一个原子结构的“土星模 型”.他在这篇文章中写道:“我要讨论的系统,是由许多质量相等的质 点,联结成角度相等的圆,互相间以与距离平方成反比的力相互排斥.在 圆的中心有一大质量的质点,它对其它质点以同样定律的力吸引着.如果 这些互相排斥的质点以几乎相同的速度绕着吸引中心旋转,只要吸引力足 够大,则既使有小的干扰,这系统一般仍将保持稳定.”这一模型,实际 上已提出了原子内有个中心(核)及原子内部存在着相互作用的库仑力, 电子绕着中心旋转等概念.只是对于核的大小的数量级及原子的稳定性等 问题,尚未给以足够的重视与阐明.

  J·J 汤姆逊根据开尔文提出来的实心球的设想,对原子结构进行了 长期的研究,于 1904 年发表了题为《论原子结构:关于沿一圆周等距分 布的一些粒子的稳定性和振荡周期的研究》的论文,在这篇文章中他设想 原子是由带负电荷的电子与另一部分带正电荷的主体组成的.为了解释原 子中电子质量远小于原子质量的事实,他假设带正电荷部分的主体象流体 一样均匀地分布在球形的原子体积内,而带负电荷的电子,则象“葡萄干” 一样“浸浮”在球体内某些固定的位置上.另外他假设,原子光谱是由于 固定位置上的电子受到正电荷的作用力作简谐振动的结果.汤姆逊提出的 这种正电子球模型是在 1910 年之前影响最大的一个模型.它的重要意义 在于:它提出了原子内部是有结构的,打破了原子内部带正负电荷的物体 相互对称的概念,标志着原子科学的一个新时代的开始.因此人们称他 为:“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”.但是,从汤姆逊 的模型中只能算出一个特征频率,这与氢原子光谱中观察到的存在的许多 频率谱线的事实相矛盾的.

  1.精心设计实验 卢瑟福为了研究原子结构,精心设计了著名的α粒子散射实验.整个

  键,出奇制胜.α粒子散射实验的目的是为了探明原子内部电子和其它粒 子的分布状况,以检验 J·J 汤姆逊提出的原子的正电子球模型,即认为 正电荷均匀地分布在整个球体中,而带负电荷的电子则一粒粒地散布在里 面.他认为,要实现这一实验目的,唯一的方法是打碎原子.而为了打碎 原子,他又选择了α粒子作为“炮弹”.他还对实验的过程和结果作出预 测,认为当α粒子穿过原子时,有的会发生偏转,有的会反射回来,这是 他经过周密思考提出来的实验设计的基本思想.根据这一实验设计思想, 卢瑟福精心设计了巧妙的实验装置,其装置如图.这个装置共分三部分.实 验源:由放射源 R 放射出α粒子流.实验对象是一张极薄的金箔,作为α 粒子轰击的目标;实验效果显示装置是一闪烁屏 S,用以收集实验数据, 当一个α粒子打在屏 S 上时,屏上就发出一个脉冲,荧光屏 S 与放大镜 M 组合在一起,可以调节不同的角度,对被散射的α粒子进行观察.

  2.实验观察的数据结果 按照汤姆逊的正电子球模型,α粒子是应该很容易地穿过金箔中的原

  子,不应该发生大角度散射现象.但是实验的结果表明,当α粒子射向一 片极薄的金属箔时,大多数α粒子顺利穿过原子,一部分发生了偏折,极 少数被弹回来.实验测得,散射角大于 90°的比例为 1/8000,而根据汤 姆逊模型算出的结果应该是 1/103500,这一结果使得当时习惯于用汤姆逊 模型来思考问题的科学家们大为惊讶.

  3.分析实验结果得出结论 卢瑟福对实验数据进行了严密的数学计算和理论分析,他利用长冈半

  太郎的土星模型进行计算,得出的结果与实验值基本相符.于是卢瑟福得 出结论:在原子内大部分地方没有大质量的粒子,所以大多数α粒子能顺

  利地穿过;在原子内部有一体积极小而质量极大的核,少数α粒子就是和 它发生了强烈的相互作用,所以才反弹回来,形成大角散射;另一些α粒 子之所以发生偏转,是因为在靠近质量集中的地方通过而受到影响.这一 结果否定了卢瑟福的导师汤姆逊所提出的正电子球原子模型.4.运用类 比方法,提出原子结构的行星模型

  卢瑟福根据α粒子的散射实验事实认为,必须放弃汤姆逊的原子模 型.他认为,原子是由一个原子核和核外电子组成的,原子核所占体积甚 小(约十万分之一),但却具有原子总质量的 99.97%.这同太阳系的情 况十分相似,太阳作为太阳系的核心,它具有太阳系总质量的 99.87%, 但所占空间也极小.并且,已经知道原子核与电子之间的电吸引力(库仑

  的数学形式也是相似的,均与距离的平方成反比.于是卢瑟福作出类比: 既然太阳系是由处于核心的太阳和环绕它运行的一系列行星所构成,那 么,原子不是也宛如太阳系吗?它也可能是由带正电荷的原子核和环绕它 运行的带负电的电子构成的.这就是卢瑟福于 1911 年正式提出的原子结 构的“行星模型”,这个类比推理可用下表表示:

  于 10?12 厘米,原子核带正电,它的电荷是+Ze,原子的半径为 10?8 厘米, 电子的位置必须扩展到以核为中心,以 10?8 厘米为半径的球内或球面上; 为了构成平衡电子必须像行星一样绕核旋转着.

  1911 年到 1913 年期间,盖革和马斯顿在卢瑟福的指导下继续做了一 系列α粒子的散射实验,得到的结果为:“整个实验记下了 10 万次以上 的闪烁,我们所有的研究结果都与卢瑟福教授的理论符合得很好,为下述 假说提供了有力的证据,即原子中心有很强的电荷,这个中心比原子直径 要小得多.”

  6.卢瑟福的原子行星模型的局限性 卢瑟福的原子行星模型取得很大的成功,但是随着物理学的发展,新

  的实验事实的发现,也表现出了很大的局限性.首先,根据经典电磁理论, 电子的绕核运动是加速的,它应该产生一个和它运动频率相同的电磁波, 连续地辐射电磁能量,这样电子轨道半径将随着能量的减少而缩减,最终 落在原子核上,这样原子将被破坏而不复存在,但事实并非如此;其次,

  由于电子绕核频率的改变,这样它应该向外辐射连续光谱,这与所观察到 的原子的线光谱相矛盾;再次,根据卢瑟福原子行星模型可以计算出,原 子的“寿命”仅为 10?12 秒,这与原子是一个稳定的系统的事实相矛盾的.这 些矛盾的存在,不仅表明卢瑟福的原子模型还不完善,而且又一次预示 着,对原子世界需要一个不同于经典物理学的新理论.

  针对卢瑟福原子行星模型的局限性,玻尔进一步发展了原子结构理 论.玻尔的思路与方法如下:

  玻尔于 1911 年到 1912 年期间作为访问学者曾在 J·J 汤姆逊和卢瑟 福的实验室里工作和学习,并参加了α粒子散射的实验工作,玻尔坚信卢 瑟福的原子行星模型是符合客观事实的,当然他也很清楚这一理论所面临 的困难.同时玻尔当时也了解普朗克和爱因斯坦的量子概念,这给玻尔克 服卢瑟福的原子行星模型的局限,发展原子结构理论创造了条件.所以玻 尔首先是接受了卢瑟福的原子行星模型.他认为,原子的稳定性只涉及到 核外电子的运动状态.

  玻尔深入研究了卢瑟福的原子模型以后,发现这种模型把电子看作如 行星绕太阳一样绕着原子核运行,这就是导致在原子的稳定性问题上失败 的关键.他指出,原子应具有高度的稳定性,尤其是被扰动以后必然能够 回复到原来状态的特性,是任何行星系不具备的.玻尔的研究思想是从原 子稳定性出发,探索原子结构模型.他认为,电子运动的轨道,应完全取 决于原子系统本身的物理参数,如电子和原子核的质量、电量等.这样的 轨道只有一个需要确定的参数,即轨道半径.他从量纲分析发现,电子的 电量 e 和质量 m,只有引入普朗克常数 h 以后,才能产生长度量纲,即半 径等于 h2/me2 的圆轨道.引入普朗克常数 h 后,标志着普朗克量子化思 想引进到卢瑟福的原子模型中.玻尔认为,轨道电子的概念必须保留.他 假设,原子内电子运动的轨道不是任意的,只有动量矩 p 等于 h/2π的整 倍数的那些轨道才是可能的即满足

  式中,n 只能取 1,2,3??等整数,r 是电子轨道的半径.上式是确定 可能的量子化轨道的量子条件.电子在这些轨道上运动时是稳定的,不辐 射能量.

  第三,玻尔提出“跃迁”的概念. 玻尔在引进“定态”概念后,又进一步受到惠丁顿所研究的“具有一

  定能量的阴极射线才能激发出次级阴极射线”和尼科耳逊为解释在日冕和 银河星云中观察到新谱线而引进普朗克常数 h 的启发,重新考虑了“定 态”的意义,从而形成了一个极其重要的物理概念,即光谱线是受激的原 子发射出来的.他结合当时氢原子光谱线的普遍公式

  式中,m=1,2,3?;n=m+1,m+2,?.将上式两边同时乘以普朗克常数

  这种能量差以光的形式释放出来.由此说明,光谱的光源是电子在定态之 间的“跃迁”而形成的.

  第四,玻尔原子模型的完成 玻尔通过引进“定态”和“跃迁”两个重要物理概念,将基本作用量

  子引进了原子系统.1922 年,玻尔在接受诺贝尔奖时所作的演讲中谈到 这两个假设时说:

  “1913 年我用了两个假设的形式提出了这样一种表述: (1)在原子系统设想的可能运动状态中存在着所谓的‘稳定态’,在

  这些状态中,粒子的运动虽然在很大程度上遵循经典力学规律,但这些状 态独特的稳定性不能用力学来解释.原子系统的每个变化只能是从一个稳 定态完全跃迁到另一个稳定态.

  (2)与经典电磁理论相反,稳定原子不发生辐射,只有在两个定态之 间跃迁才产生电磁辐射.辐射的特性相当于以恒定频率作谐振动的带电粒 子按经典规律产生的辐射,但频率γ与原子的运动不是单一关系,而是由 下面的关系来决定:

  式中 h 是普朗克常数,E′和 E〃是原子在两个稳定态,即辐射过程中的 始态和末态的能量值.反之,用这种频率的电磁波照射原子时,可引起吸 收过程,使原子从后一稳定态跃迁回前一个稳定态”.

  态的轨道上绕着很重的原子核运行,当电子在这些轨道之间跃迁时,发出 线光谱,谱线频率通过普朗克常数与定态的能量差联系起来.

  规律,并对里德伯恒量作出了理论上的证明,预告了氢和氯的一些新谱线 的存在.玻尔理论还建立了经典概念与量子概念之间的定量关系.

  认为玻尔理论“对我没有用”,斯特恩尽管后来对玻尔思想的发展做出了 许多贡献,但开始时也曾说过:“假如玻尔理论碰巧是对的话,我们将退 出物理学界”但是不久,玻尔理论的核心——定态能级理论就为弗兰克—

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