了解原子结构

原子模型

  1903年,汤姆逊发展了他前一年提出的原子构造模型:原子是一个半径大约为10—10米的球体,正电荷均匀地分布于整个球体,电子则稀疏地嵌在球体中,这是一个类似葡萄干面包的原子模型。同年,物理学家长冈半太郎认为正负电子不可能相互渗透,提出了电子均匀地分布在一个环上,环中心是一个具有大质量的带正电的球,被他称为“土星型模型”结构。1911年,卢瑟福借助于α粒子散射研究,提出原子正电荷必定集中在半径10-15米的范围内,而原子半径却有10-10米,因此原子里面绝大部分是空虚的,从而证明汤姆逊的模型更接近于物理真实。

电子环绕原子核运动

  1913年,玻尔把卢瑟福的原子模型和普朗克的量子论巧妙地结合起来,并且把原来只用于能的量子概念加以推广,为以后各种物理量的量子化打开了大门,提出了新的原子结构理论。其理论要点是,一电子只能在一些特定的轨道上运行,二电子在特定轨道上运行时,不发射也不吸收能量;三当电子从一个具有较高能量的轨道跃迁到具有低能量的轨道时,就要发射出能量,反之吸收。这个理论显然是违反古典理论的,由古典理论估算,电子在绕核运行时,必定不断损失能量,轨道会来越小,而终于落到核中, 并计算出在一个直径为10-10米的原子,在10-12秒时间内就会崩溃。但他在大量研究和计算的基础上,坚持真理,为长期以来一直无法解释的经验公式做出了统一的理论解释。玻尔因此而获1922年诺贝尔物理学奖。


解释微观世界


  玻尔的理论取得了很大成功,但它只能用于氢原子,对于带两个电子的普通的氦原子却困难重重。  

  1923年,物理学家德布罗意提出了电子作为粒子,应该具有波动的性质,他在自己晚年回忆这段经历时说"经过长期的孤寂的思索和遐想之后,在1923年我蓦然想到:爱因斯坦在1905年所作出的发现,应当加以推广,把它扩展到一切物质粒子,特别是电子。"他提出了物质波理论,预言电子波的衍射,并获1929年诺贝尔物理学奖。1925年,物理学家薛定谔把德布罗意的理论大大向前推进,建立了波动力学体系,加深了对微观客体的波粒二象性的理解,为数学上解决原子物理学、核物理学、固体物理学和分子物理学问题提供了一种有力的理论工具。他于1933年获诺贝尔物理学奖。1927年戴维孙和汤姆逊发现了晶体对电子的衍射和电子照射晶体的干涉现象,证实了德布罗意的预言,他们因此获1937年诺贝尔物理学奖。

量子力学体系建立


  1925年,海森伯(1932年获诺贝尔物理学奖)为建立新力学理论的数学方案,抛弃了玻尔的电子轨道概念及其有关的古典运动学的量,而代之以可观察到的辐射频率和强度这些光学量,并充分利用了数学家创造出的先进的数学工具-矩阵论。同时的玻恩(1954年获诺贝尔物理学奖)也做了大量工作。1925年,狄拉克使用了一种比矩阵更为方便和普适的数学工具,轻而易举地把这个能用极其简单的形式描述古典力学的基本方程改造成为量子力学方程。他们所提出的量子力学新思想与波动力学相结合,建立起了完整的量子力学的理论体系,1927年海森伯又提出了微观领域所特有的"测不准关系"概念,它们成功地揭示了微观世界的基本规律,极大地加速了原子物理学和固态物理学的发展,为核物理学和(基本)粒子物理学准备了理论基础;而且通过化学键理论,为众多化学规律提供了物理理论基础;同时,对分子生物学的产生也产生启迪作用,使生物学逐步出现新的面貌。因此,量子力学可以说是20世纪最迷人的科学理论。

 

 

 

  玻尔:谁如果在量子面前不感到震惊,他就不懂得现代物理学;同样如果谁不为此理论感到困惑,他也不是一个好的物理学家。

探索原子核奥秘的钥匙-中子


  1932年,物理学家查德威克发现了其质量同质子相当的中性粒子,这正是1920年卢瑟福猜想原子核内可能存在的一种中性的粒子,即中子。他因此获1935年诺贝尔物理学奖。1932年,海森伯和伊凡宁柯各自独立地提出了原子核是由质子和中子组成的核结构模型。由于中子不带电荷,不受静电作用的影响,可以比较自由地接近以至进入原子核,容易引起核的变化,因此,它立即被用来作为轰击原子核的理想"炮弹"。

  中子的发现为核物理学开辟了一个新的纪元,它不仅使人们对原子核的组成有了一个正确的认识,而且为人工变革原子核提供了有效手段。它可以说是打开原子核奥秘的"钥匙",在开发原子能的伟大事业中大显身手。

开启能量宝库的大门


  中子可以引起裂变链式反应,科学家们根据爱因斯坦质能公式,即E=mc2,估算出一个铀核裂变时会释放出2亿电子伏的能量,这比一个碳原子氧化成二氧化碳分子时所释放的能量(煤燃烧时的化学能)大5000万倍。

  1942年,费米建成了第一个反应堆。这是人类第一次实现人工自控链式反应,开创了可控核能释放的历史。目前人类正探索着热核聚变反应,其燃料氘可直接从海水中提取,为人类能源开辟了相当广阔甚至可以说是用之不竭的来源。

  中子发现后,人们认识到各种原子都是由电子、质子和中子组成,于是把这三种粒子和光子称为基本粒子。随着物理实验技术的提高,人们很快发现更多的基本粒子。

 


 

进入基本粒子的世界


  1932年,物理学家夸克饶夫特和瓦尔顿用倍压线路产生的高电压加速质子,建成倍压加速器。它可以把质子加速到7*108电子伏。他们用质子(H)1轰击锂核(7Li),使之分裂成两个a粒子(4He)。这是历史上第一次用人工加速粒子实现的核反应,他们因此获1951年诺贝尔物理学奖。

 

1989年建成的具有世界先进水平的北京正负电子对撞机直线加速器 芝加哥城外费米实验室的同步加速器主环,直径达二公里

汽泡室


  汽泡室是一个装满液体的容器,该液体处于压力之下,温度接近沸点。如果压力减低,液体的沸点也随着降低,但若压力的改变够快,液体回变成超热状态(温度超过沸点,但仍然维持液体状态)。假设压力改变是发生在粒子束刚经过之后,那么室内的液体将会变的不稳定,沿着电离离子的路径开始沸腾,很多小气泡因此形成,可以拍摄下来,带电粒子的轨迹于是就出现在我们眼前。

气泡室的影象显示出碰撞后粒子的轨迹

基本粒子的结构


  1933年,狄拉克关于正电子存在的预言被证实,1936年安德森因此获诺贝尔物理学奖。1955年塞格雷和钱伯林利用高能加速器发现了反质子,他们因此获1959年物理奖。第二年又有人发现了反质子。1959年王淦昌等人发现了反西格玛负超子。这些都为反物质的存在提供了证据。莱因斯等利用大型反应堆,经过3年的努力,终于在1956年直接探测到铀裂变过程中所产生的反中微子。他因此获1995年物理学奖。到1968年,人们才探测到了来自太阳的中微子。 1947年鲍威尔利用自己发明的照相乳胶技术在宇宙线中找到了1934年汤川秀树提出的介子场理论中预言的介子。汤川秀树获1949年物理奖,鲍威尔获1950年物理奖。到50年代末,基本粒子的数目已达30种。这些粒子绝大多数是从宇宙射线中发现的。自1951年费米首次发现共振态粒子以来。至80年代已发现的共振态粒子达300多种。

 

1988年中科院近代物理所建成的重离子加速器是国际上为数不多的先进装置

夸克模型


  基本粒子如此之多,难道它们真的都是最基本、不可分的吗?近40年来大量实验实事表明至少强子是有内部结构的。

  1964年盖尔曼提出了夸克模型,认为介子是由夸克和反夸克所组成,重子是由三个夸克组成。他因此获1969年物理奖。1990年弗里德曼、肯德尔和泰勒因在粒子物理学夸克模型发展中的先驱性工作而获物理奖。1965年,费曼、施温格、朝永振一郎因在量子电动力学重整化和计算方法的贡献,对基本粒子物理学产生深远影响而获物理奖。温伯格和萨拉姆等以夸克模型为基础,完成了描述电磁相互作用和弱相互作用的弱电统一理论。他们因此而获1979年物理奖。目前统一场论的发展正向着把强相互作用统一起来的大统一理论和把引力统一进来的超统一理论前进。并且这种有关小宇宙的理论与大宇宙研究的结合,正在推进着宇宙学的进展。

基本粒子相互作用


  基本粒子按照其质量、寿命、自旋以及参与的相互作用等性质,可分为轻子、强子(重子、介子),以及相互作用的传递子等。这些基本粒子所组成的基本粒子的世界中存在着四种相互作用,即引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。引力作用在微观世界中太弱因此可以不考虑。
  温伯格和萨拉姆等以夸克模型为基础,完成了描述电磁相互作用和弱相互作用的弱电统一理论。他们因此而获1979年诺贝尔物理学奖。目前科学家们想把强相互作用和引力相互作用也统一进来,但困难比较大,目前最有希望的理论是超弦理论。

杨振宁、李政道


  1956年杨振宁、李政道提出在电磁相互作用和强相互作用中基本粒子遵循一定的对称和守恒定律,但在弱相互作用中宇称是不守恒的,他们因此获1957年物理奖。

  “数学的运用能力是很重要的,因为方程式就是工具”。“研究是一件连续不断的事情”,“你不能计较早晨或黄昏,一天二十四小时都是你的工作时间。”-李政道

  “我们愈研究自然,自然愈显得复杂”,在三十四岁即获得诺贝尔奖金的杨振宁相信,年轻人在科学的进展中最具有冲刺力:“当你老了,你就会变得愈来愈胆小......因为一旦你了新思想,会马上想到一大堆永无止境的争论,而害怕前进。当你年轻力壮的时候,可以到处寻求新观念,大胆地面对挑战。我有时候常常自问:是否已经丢掉自己的胆魄?。"