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物理学史上的微观探索之路

 松竹同音 2017-04-06



牛顿建立的经典力学,在相当长的时间里使人类对世界的认识都局限于经典物理。经典物理也可以理解为以牛顿建立的力学为基础之一,衍生出来的理论。

牛顿力学对宏观低速的解释是相当完善的了,但是当牛顿力学进入微观世界,就会显得力不从心,这时我们就需要发展出新的理论,那么,人类在探索微观世界的过程中经历了怎样的忐忑呢?!!!


到了20初,人类对于微观世界才有了像模像样的认识,在此之前则是在一片迷雾中前行。


1897年前后,科学家才弄明白电子是每个原子必备的共同组成成分。


科学家知道电子带负电,原子整体则是电中性,也就是不带电,则推测,原子中势必还有带正电的物质,科学家再对这个带正电的物质研究时出现了下面的理论。




汤姆孙葡萄干面包模型



汤姆孙认为原子内部的正电荷及其质量均匀的分别在原子内部,电子就像是西瓜里的瓜子镶嵌其中。这个模型也就是“西瓜模型”或者叫“葡萄干面包模型”。

葡萄干面包模型



卢瑟福行星模型


α粒子(带正电的高能粒子)散射实验,简单点说就是向原子内部发射α粒子,而其中少量的α粒子发生的偏转角度比汤姆孙预言的大得多,有1/8000的α粒子发生了大于90°的偏折,有的甚至发生了150°偏折,称为大角散射。这就意味着原子中这个带正电荷的物质的体积很小(其中的1/8000可以说明该正电荷体积小)。而α粒子能发生那么大的偏转,就说明了原子中相当大的一部分质量分布在这个带正电的物质中。


后来,卢瑟福提出了卢瑟福模型,这个模型就是 “行星运动模型”——原子核就像太阳,电子就像行星,围绕在太阳周围公转。 由于这个理论与当时的实验高度吻合,所以很快被物理学界接受。

卢瑟福模型


但是很快大家发现,核外电子绕核运动要有加速度,根据经典的电磁理论,核外电子就要释放能量,原子的能量则会逐渐减少,发出的频率逐渐改变,那么发出了的光谱应该是连续的。再看看核外电子,由于电子不断释放能量,慢慢的电子会接近原子核,最后落到原子核上。


卢瑟福模型告诉我们什么呢?一是原子发出的光谱是连续的,二是电子最后会落到原子核,原子则是一个不稳定的系统。但事实表明原子不仅是稳定的,发出的光谱也是不连续的。这是一部分物理学家做出了重要的抉择,就抛弃掉在宏观世界建立起的经典物理。


玻尔在“行星运动模型”的基础上运用了普朗克的量子假说和爱因斯坦的光子假说,提出了电子在核外的量子化轨道,解决了原子结构的稳定性问题,建立了氢原子结构理论,但还是它还是存在理论缺陷的(只能处理氢原子的问题)。


不久,德布罗意博士提出了微观物质具有波粒二象性来解释原子结构(波粒二象性简单地说就是任何物质不仅有波动的特征,还有粒子的特征)。



测不准原理


现在关于微观世界的研究仍在继续,这里只能简单大概的介绍一下学界目前公认的事实,微观粒子具有波粒二象性,粒子的位置和动量不能同时有确定值(不能知道某个位置状态下的粒子的动量,因为测量需要观察,观察要借助光,当光子打到要测量的粒子上的一瞬间粒子动量就会发生不连续变化,即便知道这一瞬间位置,也无法得知其动量),测不准原理也关联了量子的概率理论。

普朗克 



现代电子云模型



电子在原子核外很小的空间内做高速运动,其运行没有固定的规律,只能用概率统计出电子在某一点出现的频率,不能确切地说电子在某一时刻究竟会出现在原子核外的哪个地方,只能知道它在某处出现的机会有多少。因此,就以单位体积内电子出现几率表示,即几率密度大小。用小红点的疏密来表示,小红点密处表示电子出现的几率密度大,小红点疏处几率密度小,看上去好像一片带负电的云状物笼罩在原子核周围,因此叫电子云。

电子云动态图


量子理论的建立为微观世界的研究送来了光明,可是上帝不喜欢掷骰子,而量子理论就建立在概率理论的基础上。虽然不知道粒子在下一时刻会出现在哪,但是可以知道粒子在某一位置出现的概率,因此还是有规律可循的,所以不能说量子理论支持自由意志!


来源:物理小识

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