物理学发展札记——原子和原子核部分(一)

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物理学发展札记——原子和原子核部分(一)

公主 冷月无声

发布日期:2011-06-03 22:59:50

物理学发展札记——原子和原子核部分(一)






公主 冷月无声

发布日期:2011-06-03 22:59:50


自然科学刚跨入20世纪,物理学领域内首先掀起了革命的浪潮。19世纪末,物理学实验上的一系列重大发现,冲击着经典物理学的连续观念、绝对时空观念和原子不可再分的观念,使原有的经典理论显得无能为力。这一冲击,对当时的物理学家们的影响是很大的。因为19世纪物理学取得巨大成就时,不少物理学家除了赞叹以外,还流露出满足和无所作为的思想。著名的德国物理学家基尔霍夫(G.R.Kirchhoff,1824—1887)曾经表示过:“物理学将无所作为了,至少也只能在已知规律的公式的小数点后面加上几个数字罢了。”普朗克的导师也曾经说过,物理学将会很快地具备自己的终极的稳定的形式。并表示,虽然在这个或那个角落里,还可能发现或消除掉一粒尘土或一个小气泡,但作为整体的体系却足够牢固可靠了。理论物理学已明显地接近几何学100年来已经具有的那种完善程度。在刚跨入20世纪的第一天,世界著名物理学家开尔文(Lord Kelvin,原名为W.Thomson,1824—1907)也曾经说过:“在已经建成的科学大厦中,后辈物理学家只能做一些零碎的修补工作了。”但是,他又敏锐地发现,在物理学晴朗的天空里,还有两朵小小的令人不安的乌云。这两朵“乌云”是指什么?为什么这两朵乌云会引起这样著名的物理学家的不安呢?我们还是回顾一下历史吧!

物理学进入到19世纪80年代以后,物理学的经典理论不断完善,与此同时,物理学实验上却陆续发现一些重大的结果,这些结果使旧有的物理学理论显得无能为力。这些实验中,至少有7个重大的发现,不但旧理论无法解释,有的还导致观念上的更新。

第一个实验是1887年赫兹(H.R.Hertz,1857—1894)在验证麦克斯韦(J.C.Maxw-ell,1831—1879)预言电磁波存在的实验过程中,发现了光电效应。赫兹在研究电磁波发射和接收的实验过程中,发现产生火花的光与接收间隙隔绝时,必须缩短接收间隙,才能使它发生火花;任何其他火花的光射到间隙的端点,也能使间隙之间发生火花。当赫兹进一步研究后,发现这一现象中起作用的是光的紫外部分。当这部分光射到间隙的负极时,作用最强。这就表示紫外光照射负极时,负极更容易放电,即有更多的电子逸出负极的表面。用其他光照射时,就没有这种现象。按照经典理论,从金属表面逸出电子的数目与光的强度有关,而与光的频率无关。这一矛盾,赫兹无法解释,但他仍以“论紫外光对放电现象的效应”为题发表论文,描述了这一现象和结果,向物理学经典理论发起了挑战。

第二个实验是1887年的迈克耳逊-莫雷实验。这一结果使持有光是“以太”中的波动这一观点的人大失所望,连迈克耳逊本人也不了解这一实验结果的重要意义。

第三个实验是1895年伦琴(W.K.Runtgen,1845—1923)发现了X射线。这一发现是对“不可入性是物质的固有属性”观念的挑战,也是对建筑在这一观念基础上的经典物理学的有关理论的挑战。

第四个实验是1896年贝克勒尔(A.H.Becquerel,1852—1908)发现了放射性辐射。这一实验结果表明化学元素是能蜕变的,它会变成其他元素,改变了人们一成不变的观念。

第五个实验是1897年J.J.汤姆孙(J.J.Thomson,1856—1940)发现了电子。电子的发现和证实,向建筑在经典物理学基础上的旧观念发起了冲击,它表明比原子小的粒子是存在的,原子并不是最小的客体,指出了经典的物质结构理论的局限性。J.汤姆孙获得了1906年的诺贝尔物理学奖,这是表彰他在气体导电方面的理论和实验的研究成果,而只字未提发现电子。这就表明传统观念是比较深的,不少人不容易接受新生事物。

第六个实验是1898年居里夫妇发现放射性元素。这一重要发现,同样证明化学元素是要蜕变的,而原子并不是不可分的,它会放射出更小的粒子而改变自己的性质,再次说明经典理论的局限性。

第七个实验是黑体辐射实验。普朗克(M.Planck,1858-1947)提出了“量子”的概念,抛弃了经典物理学特有的两条原则:从一个状态过渡到另一个状态必须是连续的原则,吸收和释放能量必须是连续的原则,宣布了量子物理学的诞生。

上述7个主要实验结果,用经典的物理学理论根本无法加以解释。第三个实验对传统的观念(即“不可入性是物质的固有属性”)发起了冲击,说明“不可入性”并不是物质的“固有的”属性。第四、五、六个实验,表明化学元素会蜕变,会变成其他元素:比原子小的微粒——电子的发现,说明原子并不是不可再分的最小的实体,对原子是不可再分的观念也发起了冲击。第七个实验开创了量子物理学,同时应用量子论的观点也能解释第一个实验的结果。第二个实验,只有等待狭义相对论诞生以后,才能很好地加以解释。前面提到开尔文所说的“两朵乌云”,就是指迈克耳逊-莫雷实验和黑体辐射实验。其实这不是什么“乌云’,而是物理学发展的一个前奏。当物理学进入20世纪以后,就诞生了量子论和相对论,开创了现代物理学。实际上还有一朵乌云,就是前面提到的第四、五、六3个实验,这朵乌云导致了20世纪现代物理学中的关于物质结构理论的发展。这段历史深刻地说明了,终极真理的观念、无所作为的观念都是不对的,都是不符合千万年的自然史和几百年的自然科学史的史实的。

【迈克耳逊和干涉实验】

迈克耳逊(Albert Abraham Michelson,1852.12.19-1931.5.9)是美国物理学家。他以毕生的精力从事于光速的精密测量。

迈克耳逊为了提高测量地球相对于以太运动的速度的精度,在柏林工作期间,设计了一种干涉仪(即现在称为的迈克耳逊干涉仪)。19世纪初,托马斯·杨(Thomas Young,1773—1829)和菲涅耳(A.J.Fresnel,1788—1827)的研究,使光的波动说取得了很大的成功。但是根据经典力学的观点,波的传播必须存在介质,所以人们想借助“以太”来传播光,并想利用各种方法来检验“以太”的存在,确定它的属性。到了80年代根据天文学和物理学的知识,认为“以太”是充满整个太阳系,地球就在这个“以太”的海洋中运动,但是又认为地球在这个“以太”海洋中运动,不会扰乱“以太”原有的分布。根据这一图象,人们就希望利用实验来测定地球相对于“以太”的运动速度,这就是平时所说的“以太”的漂移速度。从 1880年开始,迈克耳逊就利用干涉仪来测量“以太”的漂移,以证实“以太”的存在。那时,他想比较光在直角时的路径,作为发现地球相对“以太”运动的一种方法,也就是地球运动的平行方向和垂直方向之间,光通过同一距离的时间应当不同,这一差异在干涉仪上应该出现干涉条纹的移动。1881年,测量的结果是否定的。后来,他和美国化学家莫雷(E.W.Morley,1838—1923)合作,改进实验装置,提高精度,继续研究。经过一段时间的努力,于1887年12月发表论文“论地球运动和传光的以太”,宣布得到了否定结论的实验结果,表明测量不出“以太”的漂移速度,由此说明地球和以太之间不存在相对运动。这就是物理学史上有名的“零结果”。这一结果表明过去的这幅图象是不正确的,从而表明以往的观念和理论有片面性。