《量子的世界--扶好你将被惊掉的下巴》
第7节

作者: geffect_fraily
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  不是都想不出电子怎么才能不辐射能量吗?那好,我就假设有这么一个轨道,电子沿着它运动不会辐射能量。
  不是想不出怎么才能有不连续的光谱吗?那我就假设上述的轨道有固定的几条,电子只能在这几个轨道里蹦来蹦去。蹦来蹦去这个动作就叫做“跃迁”。
  这两个假设解决了电子怎么运动的问题了吗?没有,因为仍然想象不出这个假设的轨道是什么样的。虽然如此,这两个假设仍然意义重大,因为它们就像一个垃圾篓,把所有想不通的事情都扔到里边,情况就变得清晰多了,数字化工作也可以继续下去了:每个轨道对应着电子的一个能量值,在轨道之间“跃迁”就会吸收或发射两个轨道之间差值的能量。能量=普朗克常数*频率。通过测得的光谱的各频率值,就可以计算出各原子有多少条轨道以及每条轨道对应的能量值。等等等等。

  整个原子不再是一团迷雾,把这堆迷雾全都清扫到了那些假设出来的轨道中。于是原子也就有了条理清晰的结构。
  日期:2013-03-20 22:38:29

  二十、“光子”存在的又一铁证
  想象一下,你穿着红色的衣服站在镜子前,却看到镜子里的自己的衣服变成了蓝色,你会什么感觉?
  这就是“康普顿效应”。当然并不如上述的情况那么诡异和恐怖,但基本情况差不多。因为我们知道光的颜色的变化就代表光的频率发生了变化。而康普顿效应正是这种情况:用X射线(高频率的电磁波,也就是高频率的光)照射石墨,散射出来的射线的波长发生了变化,也就是频率发生了变化!我们知道照射过程X射线只可能损失能量,所以也就意味着光的能量的变化引起了频率的变化,也就是能量和频率有着直接的关系。通过具体实验数据可以证实再一次的符合了(能量=普朗克常数*频率)。

  现在我们需要来进行总结一下了:
  光的干涉、衍射、偏振、还有那个著名的泊松亮斑都毋庸置疑地说明光具有波动性。而从1900年开始,“光具有粒子性且(粒子的能量=普朗克常数*频率”)这一点又被“普朗克公式符合实验数据”,“光电效应”,“康普顿效应”等毋庸置疑地证实。而且同时利用这一点再加上玻尔的轨道假设也使原子的结构问题有了很大进展。也就是光的波粒二象性已经不容怀疑了,再想凭借已有的经典物理学已经不可能解释了,物理学界必须给出可以解释光的这个特性的新理论!

  到了现在有的朋友可能还是想象不出“波粒二象性”究竟是什么样的东西,其实此时科学家也想不出。我们现在只要这么对待就行:光是这么一种东西,当我们用研究波的实验方式研究他的时候,他就呈现波的特点;当我们用研究粒子性的实验研究他的时候,他就呈现粒子的特点。也就是说他会根据我们不同的观察方式展现自己不同的特点。只要这么理解就好。
  世界上有一个不可理解的光,你会感觉头疼,但还凑活能接受,那如果有人告诉你全世界任何的物体,包括你我,全都像光一样具有波粒二象性,你是不是要崩溃掉了?
  然而,有人就是那么不识趣。他是一个王子,一个法国王子!
  日期:2013-03-21 14:49:26
  附注一、波的数学表达
  附注比较枯燥,大家不想看的就略过就好
  波,我们是很常见的,比如石头入水形成四面发散的水波,抖动绳子形成上下摆动的波。我们脑海中都有波的样子(咳咳,别想歪)。但正如那位科学家所说的,我们需要能够用数学来描述才算真正的了解。我们仔细思考波的形成:石头入水,引起那一点的水面上下移动,然后这个移动沿着四面八方传播。所以我们给波下一个定义:一个点的状态变化沿着特点方向以特定的速度传播。这样我们就可以用数学公式来表示波了:t表示时间,f(t)表示原点的状态(对水波就是水面的高度,对绳子就是绳子的高度,对电磁波就是场强)随着时间的变化。假设波的传播速度为v, 那么原点的状态就会经过x/v的时间传播到距离原点x处。所以x处时间为t时的状态值g(x,t)就应该等于时间为t-x/v时原点的状态值。即:g(x,t) = f(t-x/v).这样知道了原点状态的变化规律f(t),我们就可以求出任意点的状态值了。

  日期:2013-03-21 14:56:33

  二十一、王子你就骑着白马去取经,来这里添什么乱
  这个王子叫做德布罗意。首先得澄清一下,这个王子并非指的是国王的儿子。德布罗意祖上因军功获得了世袭的“亲王”爵位,所以他被称为王子。这位王子特别喜欢物理学,时刻关注着物理学的发展。
  王子就是王子,思考问题天马行空不着痕迹,极具浪漫主义情怀,当他了解到物理学的最新进展后,开始了“不走寻常路”的思考:
  长久以来被认为是波的光突然被证明具有粒子性,那一直被认为是粒子的万物为什么不可以具有波动性呢?

  (光子的能量=普朗克常数*频率),那我也就认为其他粒子也符合这个公式。光可以用这个公式通过频率计算光子能量,那反过来我就要用粒子已知的能量来计算粒子的频率!
  然后,他停止了天马行空,把注意力集中在了当前令人挠头的电子身上。
  玻尔的理论说电子只能在固定的几个轨道上运动,那什么样的波才能满足这个条件呢?思来想去,突然他把目光盯在了琴弦上。
  先让这位王子盯着琴弦看一会,咱们来科普一个特殊的波:驻波。
  我们想象一根琴弦,或者两端都被固定的绳子。拨动它,就会形成驻波。这个波很特殊,由于两端都被固定,所以波的形状只能是类似于下图这样:
  发现了什么特点了吗?没错,只能形成半波的整数倍。不信你就拿笔画两个点,然后在它们之间画波,肯定只能画出整数倍的半波。
  王子德布罗意就是受此启发,他认为电子以波的形式像下图一样存在于原子中

  整
  数倍的波首尾相连,在以原子核为圆心的圆周轨道上转动。于是,只有周长是波长整数倍的圆周才能作为电子的轨道,电子只能运行在固定轨道上的问题解决了。最最最关键的是,电子是平均地分布在圆周上有木有!电荷也就平均分布在圆周上有木有!电子绕圆周转动电荷却不再移动了有木有!再也不用辐射电磁波了有木有!很完美啊有木有!
  然而,只是漂亮、和谐是没有说服力的,现在最重要的是,如果电子真的这么分布,那么电子在每条轨道上的能量值就可以计算了!还记得光谱吗,光谱上的频率都是精确的测量出来的。要想证明你这个模型是正确的,那你通过它计算出的能量值必须能和光谱对应上才行!
  紧张的时刻到了,如此完美的模型可千万不要竹篮打水一场空啊!
  日期:2013-03-21 16:18:28
  二十二、朝谁说理去!
  要验证,仍然选取最简单的氢原子。还记得上面的氢原子光谱图吗?当时我们只关注了黑线之间是不连续的这一特点,现在回过头来仔细看一看,一定会发现这些黑线的排布是有着规律的。我们平常人也可以看出规律,比如越往右,线之间间隔的越窄。没错,这确实是规律,但这再一次验证了凯尔文所说:不能用数字表示根本算不上有所知。我们发现的这规律完全起不到用处嘛。现在就到了数学上场的时候了。
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