物理学发展札记——原子和原子核部分(四)

高中物理 COOCO.因你而专业 !
套卷教案课件下载new 试题搜索答案
你好!请登陆注册

物理学发展札记——原子和原子核部分(四)

公主 冷月无声

发布日期:2011-06-03 23:05:18

物理学发展札记——原子和原子核部分(四)






公主 冷月无声

发布日期:2011-06-03 23:05:18


【玻尔和原子模型】

玻尔(Niels Henrik David Bohr,1885.10.7—1962.11.18)是丹麦物理学家。他对物理学的主要贡献有:提出了氢原子结构和氢光谱理论,奠定了原子物理学的基础;提出了对应原理,对量子论和量子力学的发展起了重要作用;以他为首形成了量子力学的哥本哈根学派,对现代物理学的发展影响甚大。

1911年,卢瑟福(E.Rutherford,1871—1937)提出了原子有核模型。但是,根据经典物理学理论,按照这一模型建立的原子都是不稳定的,因为电子不停地围绕原子核旋转,不停地向外辐射能量,使电子到原子核的距离不断减小,最后便落到原子核上。这一结论无法说明氢原子的稳定性。同时,氢原子不停地辐射能量,具有连续性,所以氢光谱应该是连续光谱,而不应该是分立的线光谱。这些矛盾困惑了当时不少的物理学家。

玻尔经过2年研究,以他独特的智慧解决了这一难题,推动了原子物理学的发展。首先他认为,普朗克(M.Planck,1858—1947)提出的量子概念是正确的,应该用量子概念来解释原子结构理论,普朗克常数h是一个很重要的常数,应把普朗克常数引入到原子结构的参数中去(例如表明原子半径的公式中包含了普朗克常数h)。其次,根据大量实验结果,玻尔提出两大概念——定态和跃迁。他认为,电子在原子中的运动轨道不是任意的,只有当电子运动的动量矩等于h/(2π)的整数倍时,运动轨道才是稳定的,形成了定态。处于稳定轨道上的电子具有一定的能量,这些不连续的能量组成了原子的各个“能级”。他又认为,电子只有在不同的能级之间的跃迁,才会发射或吸收光谱,可以计算出光的频率,即τnm=[En-Em]/h。利用这两个假设,结合原子模型,成功地解释了氢原子的稳定性及其来谱线。由于这一贡献,他获得了1922年诺贝尔物理学奖。



【德布罗意和物质波思想】

德布罗意(Louis Victor de Broglie,1892.8.15-)是法国物理学家。他对物理学的主要贡献是提出了物质的波动概念。

1923年9月10日,在法国科学院会议通报上发表了一篇题为“波和量子”的小文章,作者是L.德布罗意。文中提出了物质的波动的概念,当时几乎没有引起人们的注意。

20世纪20年代,人们已经普遍认识到光是一种电磁波,但对能量是量子化的,能量的单位是hv,光具有波粒二象性的特性等新观念,许多学者感到困惑,不解其意。就在这时,年轻的德布罗意却得到启发,将二象性推广到物质客体上去,在“波和量子”文章中阐述了自己的观点。首先,他使用了“简单的周期性现象”来谈论他的波动概念。他很快注意到他自己所谈论的波动具有一个超光速的相速度,并由此进一步断言,只能将他所提议的波,视作一种“与动点运动相缔合的假想的波,它不可能对应于能量的转移”,并且引进了“相”的概念。一年之后的博士论文中,谈及该波的物理意义时,作了保留,“我特意在相波和周期性现象的定义上留下了相当的含混之处,??因而现今的理论便可以视作一种物理内容尚未精密确定的构架,而不是一种已经完全完成、定义明确的教义。”关于波与粒子之间的联系,在“波和量子”一文中,L.德布罗意先后使用了“相一致”、“相联系”这样的动词,并称粒子是一种内在的周期性现象的“中心”,波和粒子的关系是一种“共存”。至于“物质波”这一术语最初是由薛定谔(E.Schrǒdinger,1887—1961,奥地利物理学家)于 1927年在现今流行意义上使用的。德布罗意在研究的基础上,提出了著名的公式ν=E/h,λ=h/p ,它成为建立波动力学的物理学基础。由于这一些研究成果,L.德布罗意获得了1929年诺贝尔物理学奖。

【查德威克和中子的发现】

查德威克(Sir James Chadwick,1891.10.20—1974.7.24)是英国实验物理学家。他对物理学的最大贡献是发现了中子。

1919年发现质子以后,物理学家们就在议论原子核是由哪些粒子组成的,当时也提出了各种假说,例如原子核是由质子和电子组成的等等,但都无法完善地解释实验的结果。1920年,卢瑟福(E.Rutherford,1871—1937)在—次通俗讲演中,从各种实验结果提出,是否存在一种轻重与质子差不多、不带电荷呈中性的粒子,由这种粒子和质子组成原子核。该预言当时也没有被人所注意。

事过10年,在德国发现用氦核轰击铍的实验过程中,会产生一种穿透性很强的辐射,称之为铍辐射。法国物理学家约里奥·居里夫妇(F.Joliot-Curie,1900—1958,法国物理学家皮埃尔·居里夫妇的女婿)知道这一结果后,立即重复了这一实验,得到同样的结果。同时利用铍辐射的射线去轰击石蜡或含氢物质时,能观测到后者放射出一种强质子流的现象。大家思考这种铍辐射到底是什么,当时普遍认为,它是一种γ辐射。但是,γ辐射要能打出这样的强质子流,必须具有很高的能量,这在当时是不可思议的。

德国和法国科学家对此问题研究结果的信息传到了英国,引起了查德威克的极大兴趣,因为他也在研究同样的课题,他也重复了约里奥·居里夫妇的实验,得到了同样的结果。这时他敏锐地觉察到这不是γ辐射,同时想起10多年前卢瑟福的预言,于是明确提出这种辐射不是γ辐射,应该是中子辐射。通过一系列的实验研究,终于证实了中子的存在。于是,1932年查德威克在《自然》杂志上发表了专文“中子可能存在”。中子发现以后,德国物理学家海森堡(W.K.Heisenberg,1901—1976)和前苏联物理学家伊万宁柯(Д.Д.Иванечко,1904-)分别同时提出了原子核是由质子和中子组成的核结构模型,从此原子核物理学研究进入到一个新阶段。

由于发现中子,查德威克获得了1935年诺贝尔物理学奖。