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標(biāo)題: 原子的故事 [打印本頁]
作者: jzxxs 時(shí)間: 2011-4-17 22:17
標(biāo)題: 原子的故事
到20世紀(jì)初，大家已經(jīng)知道，原子是由幾個(gè)部分構(gòu)成的。但是，大家還不知道的是：到底有多少個(gè)部分；它們是怎樣合在一起的；它們呈什么形狀。有的物理學(xué)家認(rèn)為，原子可能是立方體的，因?yàn)榱⒎襟w可以整齊地疊在一起，不會(huì)浪費(fèi)任何空間。然而，更普遍的看法是，原子更像一塊葡萄干面包，或者像一份葡萄干布丁：一個(gè)密度很大的固體，帶有正電荷，上面布滿了帶負(fù)電荷的電子，就像葡萄干面包上的葡萄干。
1910年，盧瑟福（在他的學(xué)生漢斯·蓋格的協(xié)助之下。蓋格后來將發(fā)明冠有他名字的輻射探測儀）朝一塊金箔發(fā)射電離的氦原子，或稱α粒子。令盧瑟福吃驚的是，有的粒子竟會(huì)反彈回來。他說，他就像朝一張紙發(fā)射了一發(fā)38厘米的炮彈，結(jié)果炮彈反彈到了他的膝部。這是不該發(fā)生的事。經(jīng)過冥思苦想以后，他覺得只有一種解釋：那些反彈回來的粒子擊中了原子當(dāng)中又小又密的東西，而別的粒子則暢通無阻地穿了過去。盧瑟福意識(shí)到，原子內(nèi)部主要是空無一物的空間，只有當(dāng)中是密度很大的核。這是個(gè)很令人滿意的發(fā)現(xiàn)。但馬上產(chǎn)生了一個(gè)問題，根據(jù)傳統(tǒng)物理學(xué)的全部定律，原子因此就不應(yīng)該存在。
讓我們稍停片刻，先來考慮一下現(xiàn)在我們所知道的原子結(jié)構(gòu)。每個(gè)原子都由三種基本粒子組成：帶正電荷的質(zhì)子，帶負(fù)電荷的電子，以及不帶電荷的中子。質(zhì)子和中子裝在原子核里，而電子在外面繞著旋轉(zhuǎn)。質(zhì)子的數(shù)量決定一個(gè)原子的化學(xué)特性。有一個(gè)質(zhì)子的原子是氫原子；有兩個(gè)質(zhì)子的原子是氦原子；有三個(gè)質(zhì)子的原子是鋰原子；如此往上增加。你每增加一個(gè)質(zhì)子就得到一種新元素。（由于原子里的質(zhì)子數(shù)量總是與同樣數(shù)量的電子保持平衡，因此你有時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)有的書里以電子的數(shù)量來界定一種元素，結(jié)果完全一樣。有人是這樣向我解釋的：質(zhì)子決定一個(gè)原子的身份，電子決定一個(gè)原子的性情。）
中子不影響原子的身份，但卻增加了它的質(zhì)量。一般來說，中子數(shù)量與質(zhì)子數(shù)量大致相等，但也可以稍稍多一點(diǎn)或少一點(diǎn)。增加或減少一兩個(gè)中子，你就得到了同位素。考古學(xué)里就是用同位素來確定年代的--比如，碳－14是由6個(gè)質(zhì)子和8個(gè)中子組成的碳原子（因?yàn)槎咧褪?/font>14）。
中子和質(zhì)子占據(jù)了原子核。原子核很小--只有原子全部容量的千萬億分之一，但密度極大，它實(shí)際上構(gòu)成了原子的全部物質(zhì)?？肆_珀說，要是把原子擴(kuò)大到一座教堂那么大，原子核只有大約一只蒼蠅那么大--但蒼蠅要比教堂重幾千倍。1910年盧瑟福在苦苦思索的，就是這種寬敞的空間--這種令人吃驚、料想不到的寬敞空間。
認(rèn)為原子主要是空蕩蕩的空間，我們身邊的實(shí)體只是一種幻覺，這個(gè)見解現(xiàn)在依然令人吃驚。要是兩個(gè)物體在現(xiàn)實(shí)世界里碰在一起--我們常用臺(tái)球來作為例子--它們其實(shí)并不互相撞擊。"而是，"蒂姆西·費(fèi)里斯解釋說，"兩個(gè)球的負(fù)電荷場互相排斥......要是不帶電荷，它們很可能會(huì)像星系那樣安然無事地互相穿堂而過。"你坐在椅子上，其實(shí)沒有坐在上面，而是以1埃（一億分之一厘米）的高度浮在上面，你的電子和它的電子不可調(diào)和地互相排斥，不可能達(dá)到更密切的程度。
差不多人人的腦海里都有一幅原子圖，即一兩個(gè)電子繞著原子核飛速轉(zhuǎn)動(dòng)，就像行星繞著太陽轉(zhuǎn)動(dòng)一樣。這個(gè)形象是1904年由一位名叫長岡半太郎的日本物理學(xué)家創(chuàng)建的，完全是一種聰明的憑空想像。它是完全錯(cuò)的，但照樣很有生命力。正如艾薩克·阿西莫夫喜歡指出的，它給了一代又一代的科幻作家靈感，創(chuàng)作了世界中的世界的故事，原子成了有人居住的太陽系，我們的太陽系成了一個(gè)大得多的體系里的一顆微粒。連歐洲核子研究中心也把長岡所提出的圖像作為它網(wǎng)站的標(biāo)記。物理學(xué)家很快就意識(shí)到，實(shí)際上，電子根本不像在軌道上運(yùn)行的行星，更像是電扇旋轉(zhuǎn)著的葉片，想要同時(shí)填滿軌道上的每一空間。（但有個(gè)重要的不同之處，那就是，電扇葉片只是好像同時(shí)在每個(gè)地方，電子真的就同時(shí)在每個(gè)地方。）
不用說，在1910年，或在此后的許多年里，知道這類知識(shí)的人為數(shù)甚少。盧瑟福的發(fā)現(xiàn)馬上產(chǎn)生了幾個(gè)大問題。尤其是，圍繞原子核轉(zhuǎn)動(dòng)的電子可能會(huì)墜毀。傳統(tǒng)的電動(dòng)力學(xué)理論認(rèn)為，飛速轉(zhuǎn)動(dòng)的電子很快會(huì)把能量消耗殆盡--只是一剎那間--然后盤旋著飛進(jìn)原子核，給二者都帶來災(zāi)難性的后果。還有一個(gè)問題，帶正電荷的質(zhì)子怎么能一起待在原子核里面，而又不把自己及原子的其他部分炸得粉碎。顯而易見，那個(gè)小天地里在發(fā)生的事，是不受適用于我們宏觀世界的規(guī)律支配的。
隨著物理學(xué)家們深入這個(gè)亞原子世界，他們意識(shí)到，那里不僅不同于我們所熟悉的任何東西，也不同于所能想像的任何東西。"由于原子的行為如此不同于普通的經(jīng)驗(yàn)，"理查德·費(fèi)曼有一次說，"你是很難習(xí)慣的。在大家看來，無論在新手還是在有經(jīng)驗(yàn)的物理學(xué)家看來，它顯得又古怪，又神秘。"到費(fèi)曼發(fā)表這番評(píng)論的時(shí)候，物理學(xué)家們已經(jīng)有半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間來適應(yīng)原子的古怪行為。因此，你可以想像，盧瑟福和他的同事們?cè)?/font>20世紀(jì)初會(huì)有什么感覺。它在當(dāng)時(shí)還完全是個(gè)新鮮事物。
與盧瑟福一起工作的人當(dāng)中，有個(gè)和藹可親的丹麥年輕人，名叫尼爾斯·玻爾。1913年，他在思索原子結(jié)構(gòu)的過程中，突然有了個(gè)激動(dòng)人心的想法。他推遲了蜜月，寫出了一篇具有劃時(shí)代意義的論文。
物理學(xué)家們看不見原子這樣的小東西，他們不得不試圖根據(jù)它在外來?xiàng)l件作用下的表現(xiàn)方式來確定它的結(jié)構(gòu)，比如像盧瑟福那樣向金箔發(fā)射α粒子。有時(shí)候，這類實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是令人費(fèi)解的，那也不足為怪。有個(gè)存在很久的難題跟氫的波長的光譜讀數(shù)有關(guān)。它們產(chǎn)生的形狀顯示，氫原子在有的波長釋放能量，在有的波長不釋放能量。這猶如一個(gè)受到監(jiān)視的人，不斷出現(xiàn)在特定的地點(diǎn)，但永遠(yuǎn)也看不到他是怎么跑過來跑過去的。誰也說不清是什么原因。
就是在思索這個(gè)問題的時(shí)候，玻爾突然想到一個(gè)答案，迅速寫出了他的著名論文。論文的題目為《論原子和分子的構(gòu)造》，認(rèn)為電子只能留在某些明確界定的軌道上，不會(huì)墜入原子核。根據(jù)這種新的理論，在兩個(gè)軌道之間運(yùn)行的電子會(huì)在一個(gè)軌道消失，立即在另一軌道出現(xiàn)，而又不通過中間的空間。這種見解--即著名的"量子躍遷"--當(dāng)然是極其奇特的，而又實(shí)在太棒，不能不信。它不但說明了電子不會(huì)災(zāi)難性地盤旋著飛進(jìn)原子核，而且解釋了氫的令人費(fèi)解的波長。電子只出現(xiàn)在某些軌道，因?yàn)樗鼈冎淮嬖谟谀承┸壍?。這是個(gè)了不起的見解，玻爾因此獲得了1922年--即愛因斯坦獲得該獎(jiǎng)的第二年--的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
與此同時(shí)，不知疲倦的盧瑟福這時(shí)候已經(jīng)返回劍橋大學(xué)，接替J.J.湯姆遜擔(dān)任卡文迪許實(shí)驗(yàn)室主任。他設(shè)計(jì)出了一種模型，說明原子核不會(huì)爆炸的原因。他認(rèn)為，質(zhì)子的正電荷一定已被某種起中和作用的粒子抵消，他把這種粒子叫做中子。這個(gè)想法簡單而動(dòng)人，但不容易證明。盧瑟福的同事詹姆斯·查德威克忙碌了整整11個(gè)年頭尋找中子，終于在1932年獲得成功。1935年，他也獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。正如布爾斯及其同事在他們的物理學(xué)史中指出的，較晚發(fā)現(xiàn)中子或許是一件很好的事，因?yàn)榘l(fā)展原子彈必須掌握中子。（由于中子不帶電荷，它們不會(huì)被原子中心的電場排斥，因此可以像小魚雷那樣被射進(jìn)原子核，啟動(dòng)名叫裂變的破壞過程。）他們認(rèn)為，要是在20世紀(jì)20年代就能分離中子，"原子彈很可能先在歐洲研制出來，毫無疑問是被德國人"。
實(shí)際上，歐洲人當(dāng)時(shí)忙得不亦樂乎，試圖搞清電子的古怪表現(xiàn)。他們面臨的主要問題是，電子有時(shí)候表現(xiàn)得很像粒子，有時(shí)候很像波。這種令人難以置信的兩重性幾乎把物理學(xué)家逼上絕境。在此后的10年里，全歐洲的物理學(xué)家都在思索呀，亂涂呀，提出互相矛盾的假設(shè)呀。在法國，公爵世家出身的路易－維克多·德布羅意親王發(fā)現(xiàn)如果把電子看做是波，那么電子行為的某些反常就消失了。這一發(fā)現(xiàn)引起了奧地利人埃爾文·薛定諤的注意。他巧妙地做了一些提煉，設(shè)計(jì)了一種容易理解的理論，名叫波動(dòng)力學(xué)。幾乎同時(shí)，德國物理學(xué)家維爾納·海森伯提出了一種對(duì)立的理論，叫做矩陣力學(xué)。那種理論牽涉到復(fù)雜的數(shù)學(xué)，實(shí)際上幾乎沒有人搞得明白，包括海森伯本人在內(nèi)（"我連什么是矩陣都不知道。"海森伯有一次絕望地對(duì)一位朋友說），但似乎確實(shí)解決了薛定諤的波動(dòng)力學(xué)里一些無法解釋的問題。
結(jié)果，物理學(xué)有了兩種理論，它們基于互相沖突的前提，但得出同樣的結(jié)果。這是個(gè)令人難以置信的局面。
1926年，海森伯終于想出個(gè)極好的妥協(xié)辦法，提出了一種后來被稱之為量子力學(xué)的新理論。該理論的核心是"海森伯測不準(zhǔn)原理"。它認(rèn)為，電子是一種粒子，不過是一種可以用波來描述的粒子。作為建立該理論基礎(chǔ)的"測不準(zhǔn)原理"認(rèn)為，我們可以知道電子穿越空間所經(jīng)過的路徑，我們也可以知道電子在某個(gè)特定時(shí)刻的位置，但我們無法兩者都知道。任何想要測定其中之一的努力，勢必會(huì)干擾其中之二。這不是個(gè)需要更精密的儀器的簡單問題；這是宇宙的一種不可改變的特性。
真正的意思是，你永遠(yuǎn)也無法預(yù)測電子在任何特定時(shí)刻的位置。你只能認(rèn)為它有可能在那里。在某種意義上，正如丹尼斯·奧弗比所說，電子只有等到被觀察到了，你才能說它確實(shí)存在。換句稍稍不同的話來說，在電子被觀察到之前，你非得認(rèn)為電子"哪里都有，而又哪里都沒有"。
如果你覺得被這種說法弄得稀里糊涂，你要知道，它也把物理學(xué)家們弄得稀里糊涂，這是值得安慰的。奧弗比說："有一次，玻爾說，要是誰第一次聽說量子理論時(shí)沒有發(fā)火，這說明他沒有理解意思。"當(dāng)有人問海森伯是不是可以想像一下原子的模樣，他回答說："別這么干。"
作者: 李濟(jì)科 時(shí)間: 2011-4-18 11:25
本帖最后由 李濟(jì)科 于 2011-4-18 11:39 編輯
謝謝讓我分享了美味佳肴，這是一篇很好的文章！是的，我也很喜歡量子力學(xué)，但我又真弄不懂。因?yàn)樗鼪]揭示微觀粒子電磁作用的真正原因，只揭示了一些微觀粒子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。對(duì)于微觀世界的問題，我是人云我信；但又真不懂。
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