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物理学新大陆 第二节 原子结构
一、原子结构 原子是组成单质和化合物分子的最小粒子。不同元素的原子具有不同的平均质量和原子结构。原子是由带正电的原子核和围绕核运动的、与核电荷核数相等的电子所组成。原子核由质子和中子组成，原子的质量几乎全部集中在原子核上。在物理化学反应中，原子核不发生变化。只有在核反应中原子核才发生变化。 汤姆逊的原子核模型是最早提出的原子核模型，他认为：构成原子的正电荷是均匀分布于球状原子内，原子大小乃是此正电荷球之大小，电子则埋藏于此正电荷中，当电子受到外界激励时，它即以平衡位置为中心作振动而发射光。当a粒子穿过此原子时，a粒子将受到散射，因电子质量很小，这项散射之主要原因是正电荷之斥力作用。由电磁理论预示加速的带电物体如振动的电子等会发射电磁辐射，故根据汤姆生模型，便可了解受激原子会发射电磁辐射的性质。在实际计算其可能发射的辐射能谱，即发现此模型所导致的结果，与实验观察到的能谱在数值上并不相符。1911年卢瑟福对原子核散射a粒子的实验加以分析之后，便得出汤姆生模型不正确的结论。卢瑟福分析的结果表明，正电荷并非布满在整个原子内，而是集中在原子中心的极小区域，或原子核内，从此，汤姆生的原子模型便被废弃了。 但卢瑟福的原子核模型跟经典的电磁理论发生了矛盾，按照经典电磁理论，做加速运动的电子应该辐射出电磁波，因此它的能量要逐渐减少，电子绕核运行的轨道半径也要减小，于是电子将沿着螺旋线的轨道落入原子核，这样看来，原子应当是不稳定的，然而实际上并不是这样． 丹麦物理学家玻尔认为：要解决原子的稳定性问题，“只有量子假说是摆脱困难的唯一出路．”玻尔首先将原子现象和原子核现象区分开来，在听了别人的建议之后，玻尔仔细地分析和研究了当时已知的大量光谱数据和经验公式，特别是巴尔末公式，受到了很大的启示，光谱学和原子结构，这原先互不相干的两门学科，玻尔看到了它们的内在联系，光谱学中大量的实验数据和经验公式，为原子结构提供了十分有用的信息．玻尔据此写出了“伟大的三部曲”．玻尔的论文把卢瑟福、普朗克、爱因斯坦的思想结合起来，创造性地将光的量子理论引入到原子结构理论中来，克服了经典理论解释原子稳定性的困难． 玻尔根据原子行星模型用经典运动规律和普朗克的量子概念提出了原子结构的初步理论。这一理论的基础是两个基本假设：（1）电子在原子中不可能沿着经典理论所允许的能量连续变化的所有的轨道运动，而只能沿着一组特殊的轨道运动。只有当电子运动的动量矩等于h/2π（h为普朗克常数）的整数倍时，其轨道才是稳定的。在每一稳定轨道中，原子具有一定的能量。处于稳定状态的电子不吸收也不发出辐射。（2）当电子从一个定态跃迁到另一个定态时，才产生辐射的吸收或发射现象。当原子从能量为En的能级跃迁到另一个能量为Em的能级时，将发射或吸收一定频率的光，频率的数值为 v = En - Em /h 玻尔的理论只考虑到电子的圆周轨道，即电子只具有一个自由度，因此它对只有一个电子的氢原子和类氢原子的谱线频率作出了解释，对于具有两个或更多电子的原子所发的光谱，这理论遇到了根本的困难。后来索末菲将玻尔的量子化条件加以推广，使得它不仅能解释氢原子的光谱，而且对于只有一个价电子的复杂原子光谱也能较好地解释。 做加速运动的电子为什么不沿着螺旋线的轨道落入原子核？原子为什么是稳定的？玻尔认为只有量子假说是摆脱困难的唯一出路。其实并不一定。电子不落入原子核而是另有原因。 做加速运动的电子是辐射出了电磁波，由于在我们周围空间中本来就存在着各种频率和各种相位的电磁波，用频谱仪就可以探测到这种电磁波，也称为白噪波。如果空间电磁波的相位完全和电子产生的电磁波的相位一致，它们之间就会发生共振而产生能量的交换，能量大的一方会向能量小的一方转移。由于空间的温度不为绝对零度，微波辐射的温度是2.7K，因此任何一种频率的电磁波的强度不会为零，电子产生的电磁波和空间存在的电磁波会发生共振。共振处于平衡时，它们之间就没有能量的交换，从而电子也就不会掉到原子核上了。因此做加速运动的电子既可能向空间辐射电磁波，也可能从空间吸收电磁波。当然，随着物体绝对温度的降低，原子半径逐渐缩小，小到一定的程度，物体就会出现一些超流超导等奇异性质。当物的体温度降到绝对零度，此时做加速运动的电子就会掉到原子核上了，此时物质是什么性质就不得而知了。 由于电子既绕原子核公转，本身又有自转，同时空间中又存在各种频率和相位的电磁波，它们之间的相互作用使得电子的某些频率才是稳定的，这一点也不奇怪。 二、太阳系结构 无论是白天的一轮红日还是晚上的满天繁星，恒星在我们的世界里占有绝对显赫的位置。 从远古时代，人类就对宇宙充满了神奇的想象。产生了古代中国和古代希腊关于“地球是宇宙的中心”和“天国众神主宰一切”的神话。事实上，从远古起直到哥白尼时代，人类对宇宙的认识一直处于原始、蒙昧、迷茫和梦幻中。伽里略和牛顿的望远镜以及哥白尼的日心说，打破了这种蒙昧和梦幻，才使人类直接通过科学的观测手段逐步认识到，我们的地球不仅不是宇宙的中心，而且在地球以外还有太阳系、银河系以及诸多的星系。 我们居住的地球是太阳系行星家族的一个成员。太阳是个恒星，她很亮很大，其实不过是和天上许多星星一样的一颗恒星。天上有许多星，人用肉眼可以看到的不过2000颗。看上去绵延不断的银河其实也由许多恒星组成，大约包含1011颗恒星。这些恒星聚集成铁饼的形状。所以在我们的眼中，银河系就成了夜晚星空中的一条亮河，我们中国人称其为银河。在广漠的宇宙中，太阳系尽管不大，却俨然是一个群星的家庭。围绕其运转的核心就是太阳，而我们的地球则是她的第三颗行星。目前，地球被认为是唯一一颗生机勃勃的绿色星球。 人类认识太阳系已有相当的历史了。中国早在秦汉之前，就已经认识了太阳、月亮和金、木、水、火、土五大行星，而古希腊则提出了地心说的原始宇宙模型。直到16世纪，哥白尼才对太阳系有了一个清晰正确的大致描述。随着探测技术的不断进步，尤其是空间技术的发展和应用，人们才对太阳系的各成员有了更多的了解。 太阳系由太阳、九大行星及其66颗卫星、小行星和彗星以及行星际间的介质等组成。大行星是一些绕太阳公转的较大星体，卫星是绕行星公转的星体如月球，还有大量小行星分布在火星与木星之间绕日公转。而彗星则是沿着以太阳为焦点的高度偏心轨道公转着的一系列冰质的小个体，行星间的介质则是无数的星际尘埃、气体等。然而，太阳系的实际内容要比这复杂，例如在冥王星以外，人们推测还存在着“柯依柏环带”（Kuiper）和不断派发出彗星的“奥尔特星云”（Oort）。 近来，人们不仅发现了太阳系内、外的一些新的小行星，而且还发现了太阳系的第十大行星“塞德娜”。太阳系挤满了大大小小的众多天体，它们分布在尺度为几十亿千米的太空中，主要是围绕着太阳朝一个方向旋转。尽管现代科学技术帮助人类取得了观测太阳系的许多新进展，但至今我们也不能肯定人类已经完全认识了太阳系。 1543年，哥白尼在《天体运行论》一书中首先完整地提出了地球自转和公转的概念。此后，大量的观测和实验都证明了地球自西向东自转，同时围绕太阳公转。 1851年，法国物理学家傅科在巴黎成功地进行了一次著名的傅科摆试验，证明地球的自转。地球自转周期约为23时56分4秒平太阳时， 三、物质结构的特点 无论是原子结构还是行星结构，它们的结构是基本相同的。原子结构是核外电子绕原子核旋转，行星结构是行星绕恒星旋转。只不过核外电子绕原子核旋转的向心力是核外电子带有的负电荷和原子核带有的正电荷之间的静电吸引力，行星绕恒星旋转的向心力是行星和恒星之间的万有引力。 圆周运动是一种能长期保持的运动。直线运动只能是短暂的，不可能长期在一个小的范围内保持下来。而物质是长期存在的，因此，圆周运动是物质的基本结构，也是物质结构的一个特点。 |