《物理的故事——在悖论中前行》
第42节作者:
江湖小片 1900年,普朗克提出能量子的概念,那年爱因斯坦21岁,正值书生意气、挥斥方遒之时。普朗克不喜欢能量子,但是爱因斯坦却没有那么多顾虑,他把普朗克的能量子放到光电效应中,也得到了完美的解释:
1.光束是一群离散的量子,而不是连续性波动;
2.每个光量子的能量就是能量子,可用E=h×f表示;
3.电子溢出需要给它一个能量,当能量子的能量大于等于临界能量A时,光子就可以溢出,溢出的光子有动能;
4.当能量子小于A时,则电子不会溢出。
再回顾一下光的历史,从开始的惠更斯光的波动说被牛顿的微粒说一直打压,100多年后微粒说波动说彻底打败,直到没有人再相信光是个微粒时,爱因斯坦又把微粒给请回来了。这才过了多少年啊!折腾来折腾去,也不管光受得了受不了。
受不了也得受,虽然爱因斯坦只是往前迈了一小步,但是文明却前进了一大步。而这一小步也是需要很大的勇气的,因为“光是电磁波”在赫兹之后就已经盖棺定论了,光作为微粒实际上已经在人们心中死去了,正因为如此,所以从1899到1905年的6年时间里,没有人试图用微粒学说去解释光电效应。初生牛犊不怕虎,敢于对原有理论挑战正是年轻人的特长,而综观物理学史,大有见解的理论或者假说大部分出自年前人之手,这个圈子可能注定容不下太多的大器晚成的人。
日期:2017-08-22 21:17:19
第三十九回:原子的轨道模型
可能是汤姆逊比较爱吃嵌入葡萄干的蛋糕,所以把原子模型以蛋糕作比。但是肯定有这样的吃货,他们只吃蛋糕里的葡萄干,那么当原子里最后一个葡萄干被吭完时,剩下的是什么样子的呢?汤姆逊的一个外国学生给出了更精彩的答案。
欧内斯特卢瑟福(Rutherford,1871-1937)生于离欧洲遥远的新西兰,父亲是一名工人,家庭条件一般,但是不妨碍他个中翘楚,于是优秀地度过了小学、中学、大学,又以优秀的成绩获得了剑桥大学的奖学金。据说他收到剑桥大学的录取通知书时,他还在挖土豆,他高兴的对一个土豆说道:“你是我挖的最后一个土豆。”24岁的卢瑟福成为汤姆逊的学生,毕业后,在汤姆逊的推荐下,去加拿大任教。9年后,重新返回英国曼彻斯特任教,此后一直在英国工作直至病逝。
自本生和基尔霍夫的元素光谱出来之后,人类进入了新型元素的爆发期。1868年,法国和英国的天文学家在观测太阳的光谱时,先后发现了一种新线的暗线,这个新线不属于任何当时已知的元素,只知道来源于太阳,所以就以希腊神话中的太阳神(Helios)命名,化学符号为He。
在今天的《元素周期表》中,用红色表示放射性元素。放射性元素都具有一种性质—衰变。衰变可以简单理解为:元素会渐渐的变化成其他多个元素,同时质量减少、能量变低。
卢瑟福在研究元素衰变上取得了巨大的成功,第一次提出“半衰期”(Half-Life,与游戏“半条命”同名)的概念。在不同元素的衰变产生的新粒子中,有些是同种元素,他将其分为两种:带正电的叫α粒子,带负电的叫β粒子(即高速的电子)。这个2个粒子都有很强的穿透性,他还证明α粒子就是He离子(没有电子的原子)。
1908年,卢瑟福因此获得的诺贝尔化学奖。当获奖通知下达的时候,卢瑟福有些懵懂,他一直以为他在研究物理学,没想到一不小心就成化学家,他笑称“这是我一生中绝妙的一次玩笑”,幸好,诺贝尔每年的奖金都是均分的,要是化学奖的奖金比物理学奖的低,卢瑟福就亏大发了。从以后发展来看,卢瑟福研究的确实是物理。
1911年,卢瑟福带领着徒弟们做实验,这个实验被称为“物理学上最美实验之一”。他用穿透力极强的α粒子轰击金箔片,同时在圆盘上放置一个可以绕轨道自由转动的望远镜,借以观察轰击后的α粒子。实验图如下:
实验推论:
1.大部分粒子能通过,只有极少的部分粒子会在原子正中间发生散射,这说明原子内部很空,而正中间有一个原子核;
2.部分粒子改变方向,是由于α粒子带正电,原子中间原子核也带正电,同性相斥的结果;
3.极少数粒子撞到了原子核被弹了回来。
所以,卢瑟福有理由相信,原子是由一个原子核和核外电子组成的,原子核带正电荷,正好等于所有核外电子的电荷总量,那么原子核和核外电子怎么共存呢?卢瑟福提出一个新的原子模型:
日期:2017-08-22 21:17:39
原子的内部应该像我们的太阳系一样,有个太阳(原子核),然后有一群绕着太阳转动的行星(电子)组成。这种模型被称为“行星模型”。
除了实验中一系列眼花缭乱的操作外,得出的结论也是唯美的。如果上帝创造了宇宙,那么肯定不会厚此薄彼,即便宏大如星系,微小若原子。
这个图几乎成为了近代科学的符号,经常出现在书籍封面中,甚至上世纪90年的某电视台的Logo就以此为蓝本绘制的。就图形来说确实好看,但是很不中用。不管在什么时候,哪怕是上帝在吹牛B,也必须坚信原子是稳定的,要不然就没有牛,也没有B,更没有宇宙。
与太阳系模型相比,二者有本质上的区别,那就是恒星和行星都不带电。在星系中,太阳对地球的引力可以充当地球圆周运动的向心力,虽然原子核对电子的库仑力也可以充当电子圆周运动的向心力,但是根据麦克斯韦的电磁理论,变速的电子会产生电磁波,要向外辐射能量。当电子的内部能量会越来越小,电子会越来越靠近原子核,最终会坍缩到原子核上。实际上,如果电子真的要坍缩的话,在读完上述文字的时候,宇宙就已经不存在了,或者说宇宙根本就没存在过。显然这个模型也不是成功的,至少还欠缺了点什么。
卢瑟福推翻了老师汤姆逊的模型,但很快卢瑟福的模型又被他的学生改进。长江后浪推前浪,前浪死在沙滩上。但是和蔼可亲的卢瑟福肯定是不会在意的,桃李不言,下自成蹊,连同自己带上学生,他们一共获得了一打诺贝尔奖(12个),其中就包括对卢瑟福模型改进的尼尔斯玻尔,而玻尔获的诺贝尔奖感言中称卢瑟福是他的第二个父亲。
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