加入收藏 网站地图 网站首页    
中国在线 首页
站内搜索
您的位置: 首页 >> 科技 >> 科技前沿 >> 正文
分享到:
推开微观世界的大门:人类的基本粒子研究史
2018-12-24 2:55:00           作者: 原点阅读

量子力学的研究对象主要集中在微观领域,所以对微观世界的探索和量子力学的发展是相互联系的。原子的发现是科学史上的重要飞跃。而原子并非物质基本结构的最小单元,原子内部的世界很精彩,也很奇妙。量子力学对原子内部结构的探索起到了至关重要的作用,原子内部也是一个神奇的量子世界。

16.1 古人的物质组成观点

亚里士多德认为自然界由四种基本元素组成:土、气、水、火。而在这些元素上又作用着两种力:引力,即土和水向下沉的那种趋势;浮力,即气和火向上升的那种倾向。亚里士多德这种将宇宙分割成物质和力的方法直到今天依然还在沿袭,也就是我们所说的基本粒子和基本作用力。

推开微观世界的大门:人类的基本粒子研究史

图片来自网络

但是,亚里士多德认为我们可以把物质无限制地分割得越来越小,我们找不到不可再分割下去的最小的颗粒。

亚里士多德这个观点可以称之为无穷分割思想,我国古代部分哲学家也持这种观点。如战国时期的公孙龙(约公元前350—公元前320)曾说过“一尺之棰,日取其半,万世不竭” ,这句话被庄子引述在《庄子》一书中。

可是还有几个古希腊哲学家,比如德谟克里特等人,他们的观点则和亚里士多德相反,他们认为物质具有固有的最小颗粒性,每一件东西其实都是由数目巨大的、类型不同的最小颗粒组成的。

他们把这种最小颗粒称为原子,原子在希腊文中的意义是“不可分割的”。德谟克里特(公元前460—公元前370)这样说:我手里有一个苹果,如果我吃掉一半,则还有一半;如果再吃一半,则还剩四分之一;然后是八分之一,接着是十六分之一。只要我喜欢,是否我可以不断地把这个吃的过程进行下去呢?不!最后终于会达到一个极限,它是不能再分割的。这个不能再被分割的部分,称为原子。

推开微观世界的大门:人类的基本粒子研究史

德谟克里特。图片来自网络

德谟克里特这种原子论思想并非独有,我国古代部分哲学家也论述过这种观点。战国时期的《墨子》一书中讲到“端,体之无序最前者也。”“端是无同也。”意思是说,“端”(即原子的概念)是物体不可分割(“体之无序”)的最小单位(“最前者”)。由于“端”里没有共同的东西(“无同”),所以不可分割。古人把这种不能分割的最小的单位叫“无内”、“莫破”。

对于物质是否存在最小结构单元的争论一直延续了上千年,可是却没有任何一方能拿出实际的证据来,所以只能是停留在哲学层面上的探讨。

16.2 原子论的胜利

1803 年,英国化学家约翰·道尔顿发现,在化学反应中,参加反应的物质总是按照一定的比例组合的,他认为这一事实只能用原子聚合在一起形成分子来解释。所以他提出物质存在着基本组成单元——原子。

1808 年,他出版了《化学哲学新体系》一书,指出不同单质由不同质量的原子组成,他认为原子是一个个坚硬的小球,就像台球一样,当然,原子比台球小得多。

推开微观世界的大门:人类的基本粒子研究史

图片来自网络

虽然原子理论对于确定气体或化学反应的属性非常成功,但人们却无法直接证明原子的存在,所以有些科学家并不认同原子论,认为那超越了测量的尺度,根本就没有办法去认识。

1827 年,苏格兰植物学家罗伯特·布朗发现水中的花粉及其他微小悬浮颗粒不停地作不规则的折线运动,人们称之为布朗运动。可是在长达几十年的时间里人们都弄不明白其中的原理。50 年后,J. 德耳索提出这些微小颗粒可能是受到周围分子的不平衡碰撞而导致布朗运动,但只是猜测而已,没有具体的理论论证。

1905 年,爱因斯坦发表了一篇论文,证明正是大量水分子的无规则热运动导致了布朗运动。他根据扩散方程建立了布朗运动的统计理论,成功解释了布朗运动的规律,该理论也成为分子运动论和统计物理学发展的基础。爱因斯坦对布朗运动的解释是原子论的一个重要物理学证据,由此原子论终于得到科学界的完全认可。

当时人们的原子论是这样的:元素是简单物质的极限;元素由原子构成;原子是组成物质的最小微粒;原子是微小的不可分割的小球,它的直径仅是千万分之一毫米;原子像微观台球一样在空间飞舞,相互碰撞,从而结合成分子。

推开微观世界的大门:人类的基本粒子研究史

图片来自网络

在此不得不插一句,爱因斯坦实在是太伟大了!他在1905 年发表的三篇论文每一篇都具有获得诺贝尔奖的水平,分别是:狭义相对论、布朗运动统计理论、解释光电效应的光量子理论。他在1916 年建立的广义相对论也绝对可以当之无愧地获得诺贝尔奖。可惜的是,他只获得了一次诺贝尔奖——光量子理论。他的相对论已经超出了当时人们的理解范围,所谓曲高和寡就是这样吧。现在,当人们不断地在太空中观察到各种符合相对论的现象时,不由得会惊叹爱因斯坦的神奇。说他是世界上最伟大的科学家一点都不为过。

16.3 原子还不是最小

1896 年,法国科学家贝克勒尔发现铀及其化合物能放出一种看不见的射线。1897 年,巴黎大学的居里夫人开始对此现象进行研究,她筛查了大量的化学物质,发现钍及其化合物也能放出类似的射线。她由此断定这是某一类元素的特性,提议将这种现象称为放射性。接着,她的筛查又扩大到了天然矿物,最后发现,沥青铀矿的放射性比铀或钍的放射性大得多。

居里夫人断定沥青铀矿中含有放射性极高的新元素,决定把它找出来。她的丈夫皮埃尔·居里也加入到妻子的研究中来。1898 年7 月,他们从沥青铀矿中分离出放射性比铀强400 倍的物质,是一种新元素的硫化物。居里夫人把这种新元素命名为Polonium(钋),以纪念她的祖国波兰。

推开微观世界的大门:人类的基本粒子研究史

在做提取的居里夫人。图片来自网络

发现钋以后,居里夫妇再接再厉。1898 年12 月,他们又从沥青铀矿中分离出放射性比铀强900 倍的物质,光谱分析表明,这种物质由大量钡化合物与一种新元素化合物混合而成,放射性正是这种新元素所致。他们把新元素命名为Radium(镭),来源于拉丁文radius,意为“射线”。

为了提取出金属镭,居里夫妇在一个简陋的棚屋里开始进行艰苦的提炼工作。因为1t 沥青铀矿中只含有0.36g 镭,所以他们从1899 年到1902 年辛勤工作了四年,才终于从4t 铀矿残渣中制取出0.1g 氯化镭。

1906 年,皮埃尔·居里遇车祸身亡。1910 年,居里夫人和德贝恩合作,用电解氯化镭的方法制得了金属镭。

因为放射性现象的发现,居里夫妇与贝克勒尔分享了1903 年的诺贝尔物理学奖。居里夫人后来又因为分离出纯的金属镭而获得1911 年的诺贝尔化学奖。居里夫人两获诺贝尔奖当然当之无愧,但相比之下,诺贝尔奖或许对爱因斯坦太吝啬了一些。

推开微观世界的大门:人类的基本粒子研究史

镭盐。图片来自网络

镭射线强度是铀的几百万倍,能产生极强的光和热,其光亮甚至强到可以看书,并灼伤人的皮肤。如此强的放射性引起了人们极大的关注,许多科学家满怀热情地投入到对这一新现象的研究之中。不久,卢瑟福发现镭射线是由α 射线、β 射线和γ 射线组成的,其中α 射线、β 射线是带电的粒子流(现在我们知道,α 射线是氦原子核,β 射线是电子),γ 射线是光子流。如图16-1 所示。

原子永恒不变,不可分割的说法被打破了,原子竟会放出α 粒子、β粒子,原子内部竟然隐藏着另一个世界!

推开微观世界的大门:人类的基本粒子研究史

图16-1 原子核衰变的三种方式,它们所包含的放射性是指某些元素的原子核能自发地放出射线而衰变形

16.4 原子内部结构

1897 年,英国物理学家汤姆逊通过研究气体放电现象发现了电子。他测定了电子的荷质比,从而确定了电子是一种基本粒子,成为最先打开通向基本粒子物理学大门的科学家。

也许在我们的潜意识中会把电子想象成一个像小圆球一样的粒子,但是没有任何证据表明电子是小圆球,而且到现在人们也没有测出电子的半径,只知道它小于10−19m,甚至从某种意义上来说可以将其看作一种没有体积的点粒子。

1909 年,英国物理学家卢瑟福和他的学生马斯顿在进行α 粒子散射实验研究时,用准直的α 射线轰击厚度为4 微米的金箔,发现绝大多数的α 粒子都直穿过薄金箔,偏转很小,但有少数α 粒子发生角度大得多的偏转,大约有1/8000 的α 粒子偏转角大于90°,甚至观察到偏转角等于150°的散射。卢瑟福后来回忆说:

“这是我一生中从未有的最难以置信的事,它好比你对一张纸发射出一发炮弹,结果被反弹回来而打到自己身上……”

由此,卢瑟福认为只有原子的几乎全部质量和正电荷都集中在原子中心的一个很小的区域,才有可能出现α 粒子的大角度散射。于是他在1911 年提出了原子的核式结构模型。1913 年,他出版了《放射性物质及其放射》一书,书中他再次介绍了他的原子模型理论,并第一次使用了“原子核”这个词。在此他明白无误地判断原子核带正电,由带负电的电子包围着,这一设想后来得到证实。

推开微观世界的大门:人类的基本粒子研究史

卢瑟福。图片来自网络

1918 年,卢瑟福用α 粒子轰击氮原子核,注意到在使用α 粒子轰击氮气时他的闪光探测器记录到氢原子核的迹象。卢瑟福认识到这些氢核唯一可能的来源是氮原子,因此氮原子必须含有氢核。他因此建议原子序数为1 的氢原子核是一个基本粒子,于是质子也被发现了。质子被命名为proton,这个单词是由希腊文中的“第一”演化而来的。

卢瑟福发现质子以后,当时人们都认为原子核是由质子和电子组成。但是1932 年,英国物理学家查德维克证实了原子中有中性粒子——中子的存在,并测定了中子的质量。同年,德国物理学家海森堡获悉查德维克的发现,把名为《关于原子核的结构》的论文递交给了《物理学杂志》,提出原子核并不像人们所设想的那样由质子和电子组成,而是由质子和中子组成。

推开微观世界的大门:人类的基本粒子研究史

图片来自网络

质子和中子的质量差不多,可是它们比电子重得多,是电子质量的1800 多倍,所以原子核占据了整个原子质量的99.99% 以上,而原子核却非常非常小。如果把原子放大到一个足球场那么大,那原子核也只有绿豆那么小!

根据新的设想,原子核内不再有电子。尽管如此,仍然存在着一个问题:为什么在如此小的空间里多个质子不会由于电荷间的同号排斥作用而产生波动?

这个问题后来人们解决了,是因为原子核内的核子之间存在一种强相互作用力——强力,强力是四种基本作用力之一。强力是短程力,作用范围只在原子核尺度范围内,超出这个尺度迅速衰减为零。在原子核尺度内强力比电磁力大得多,所以质子之间不会互相排斥。正是强力的存在才维持了原子核的稳定。

之后很长时间,人们一直以为质子和中子就是“基本”的粒子,直到夸克被发现。

16.5 原子结构的初期模型

1911 年,卢瑟福发现原子核后,提出了原子的核式太阳系模型。他把原子类比为一个微型的太阳系,电子被带正电的原子核吸引,围绕原子核进行轨道运动,就像行星围绕太阳运行一样。这个模型在当时来说已经是巨大的进步,但是在经典物理学框架内,这个模型存在巨大的困难。按经典理论,电子在绕核运动的途中会释放能量,轨道也会逐渐变小,最后掉到原子核里。但实际上,这些情况都没有发生。

好在当时量子理论已经发端。1913 年,玻尔提出一个新的原子结构模型(见图16-2),它仍然是电子绕原子核运动的经典轨道图像,但此模型提出的两个假设奠定了原子结构的量子理论基础:

推开微观世界的大门:人类的基本粒子研究史

图16-2 玻尔原子模型示意图

(1)定态假设:原子系统只能处在一系列不连续的能量状态,在这些状态中,虽然电子绕核运转,但并不辐射电磁波,这些状态称为原子的定态。定态所对应的能量称为能级。

(2)能级跃迁假设:当原子从一个定态跃迁到另一个定态时,原子才发射或吸收特定频率的光子。

玻尔模型成功地解释了氢原子光谱,计算值和实验值相吻合。但是如果把玻尔模型推广到多电子原子时,即使是只有两个电子的氦原子,计算结果也与光谱实验相差甚远,说明这个模型还很不完备。

1916 年,德国物理学家索莫菲全面推广和发展了玻尔的量子理论。他主要做了两件事:把玻尔的圆形轨道推广到椭圆轨道;引入了相对论修正。当时人们已经观察到,原子的某些特征谱线是由一些波长非常接近的谱线叠加而成的,这些谱线构成了原子谱线的精细结构。

推开微观世界的大门:人类的基本粒子研究史

索莫菲。图片来自网络

索莫菲模型对氢原子光谱精细结构的计算与实验值惊人的一致,所以被人们看作是一个巨大的胜利,在随后几年中,人们利用该模型完成了对碱金属光谱的描述。虽然这一进展极大地推动了光谱学的研究,但是人们在这种半经典半量子化模型的道路上却越走越艰难。其原因现在看来是不言自明的,电子在原子内的运动具有明显的波粒二象性,而经典的运动轨道完全没有反映出波动性,显然是不可能正确反映原子结构的。

直到1926 年,薛定谔用他新建的量子力学理论重新解释了原子结构,真正解开了原子结构之谜。量子力学可以很好地解释各种原子的各种光谱现象,人们终于彻底放弃了经典轨道的概念。

现在我们知道,原子中的电子并无任何明确、连续、可跟踪、可预测的轨道可循,它们只能以一定的概率分布规律出现在原子核周围的空间区域。在量子力学中,用波函数描述原子中电子的运动状态,这样的波函数称为原子轨道,但它并不具有经典力学中运动轨道的含义,只不过是借用“轨道”两个字罢了。

16.6 电子云:电子在哪儿?

1926 年,薛定谔建立了其量子力学体系——波动力学。波动力学的核心就是薛定谔方程,通过求解原子的薛定谔方程可以解出电子的能级和波函数。虽然与经典轨道没有任何相同之处,但人们仍然沿用“原子轨道”这个名称来称呼原子中电子的波函数。在求解薛定谔方程的过程中,自然而然就得到了原子能量量子化的结论,而不必像玻尔那样进行人为的硬性规定。对解出来的波函数ψ 作图,就能知道电子的运动状态。氢原子是能够精确求解其薛定谔方程的原子,正是从它身上,

首页上一页12下一页尾页
责任编辑: 蔚 蓝 文章来源:
免责申明】 【打印文章
 相关文章:
[更 多]
 
最新新闻
推开微观世界的大门:人类的基本粒子
《科学》公布2018十大科学突破技术
暴力截访闹出人命,“权力外包”之恶
截访公司的“火热生意”
52岁上访者被截访后死亡 媒体揭“截
“10年前已无罪撤案”,为何上访者至
微博大V能赚多少钱?2018年收入268亿
拟允许进城落户农民依法自愿有偿退出
热门TOP
国产新一代核潜艇已经上路敬请期待
俄军宣布“萨尔马特”洲际导弹将于
美军B21隐形轰炸机获得重大进展:2
国家宪法日,一起学宪法!
韩国陆军计划12年内完成“师改旅”
我国产歼FC31或终于要获得订单?过
未来100年内,地球将从0.72型文明
有钱就能任性?美国有多强,NASA就
     
精彩推荐

《科学》公布2018十大科学突破技

国产新一代核潜艇已经上路敬请期

  
| 关于我们 | 广告服务 | 免责申明 | 网站地图 |
·主办: 中国在线 网络信息中心 旌华传媒
·官方门户: 中国在线 CNN.OOO China Online
·信箱: cn1n@163.com
·网址: www.cn1n.com  www.cnn.ooo For more information , please visit our website
·版权所有: 中国在线 网络信息中心 (C) 2005 - 2016
·备案许可: 鄂ICP备15005328号