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物理學對微觀世界的探索

牛頓建立的經典力學, 在相當長的時間裡使人類對世界的認識都局限於經典物理。 經典物理也可以理解為以牛頓建

牛頓力學對宏觀低速的解釋是相當完善的了,

但是當牛頓力學進入微觀世界, 就會顯得力不從心, 這時我們就需要發展出新的理論, 那麼, 人類在探索微觀世界的過程中經歷了怎樣的忐忑呢?!!!

到了20初, 人類對於微觀世界才有了像模像樣的認識, 在此之前則是在一片迷霧中前行。

1897年前後, 科學家才弄明白電子是每個原子必備的共同組成成分。

科學家知道電子帶負電, 原子整體則是電中性, 也就是不帶電, 則推測, 原子中勢必還有帶正電的物質, 科學家再對這個帶正電的物質研究時出現了下面的理論。

湯姆孫葡萄乾麵包模型

湯姆孫認為原子內部的正電荷及其品質均勻的分別在原子內部, 電子就像是西瓜裡的瓜子鑲嵌其中。

這個模型也就是“西瓜模型”或者叫“葡萄乾麵包模型”。

葡萄乾麵包模型

盧瑟福行星模型

α粒子(帶正電的高能粒子)散射實驗, 簡單點說就是向原子內部發射α粒子, 而其中少量的α粒子發生的偏轉角度比湯姆孫預言的大得多, 有1/8000的α粒子發生了大於90°的偏折,

有的甚至發生了150°偏折, 稱為大角散射。 這就意味著原子中這個帶正電荷的物質的體積很小(其中的1/8000可以說明該正電荷體積小)。 而α粒子能發生那麼大的偏轉, 就說明了原子中相當大的一部分品質分佈在這個帶正電的物質中。

後來, 盧瑟福提出了盧瑟福模型, 這個模型就是 “行星運動模型”——原子核就像太陽, 電子就像行星, 圍繞在太陽周圍公轉。 由於這個理論與當時的實驗高度吻合, 所以很快被物理學界接受。

盧瑟福模型

但是很快大家發現, 核外電子繞核運動要有加速度, 根據經典的電磁理論, 核外電子就要釋放能量, 原子的能量則會逐漸減少, 發出的頻率逐漸改變, 那麼發出了的光譜應該是連續的。 再看看核外電子, 由於電子不斷釋放能量, 慢慢的電子會接近原子核, 最後落到原子核上。

盧瑟福模型告訴我們什麼呢?一是原子發出的光譜是連續的, 二是電子最後會落到原子核, 原子則是一個不穩定的系統。 但事實表明原子不僅是穩定的, 發出的光譜也是不連續的。

這是一部分物理學家做出了重要的抉擇, 就拋棄掉在宏觀世界建立起的經典物理。

玻爾在“行星運動模型”的基礎上運用了普朗克的量子假說和愛因斯坦的光子假說, 提出了電子在核外的量子化軌道, 解決了原子結構的穩定性問題, 建立了氫原子結構理論, 但還是它還是存在理論缺陷的(只能處理氫原子的問題)。

不久, 德布羅意博士提出了微觀物質具有波粒二象性來解釋原子結構(波粒二象性簡單地說就是任何物質不僅有波動的特徵, 還有粒子的特徵)。

測不准原理

現在關於微觀世界的研究仍在繼續, 這裡只能簡單大概的簡說一下學界目前公認的事實, 微觀粒子具有波粒二象性, 粒子的位置和動量不能同時有確定值(不能知道某個位置狀態下的粒子的動量, 因為測量需要觀察,觀察要借助光,當光子打到要測量的粒子上的一瞬間粒子動量就會發生不連續變化,即便知道這一瞬間位置,也無法得知其動量),測不准原理也關聯了量子的概率理論。

普朗克

現代電子雲模型

電子在原子核外很小的空間內做高速運動,其運行沒有固定的規律,只能用概率統計出電子在某一點出現的頻率,不能確切地說電子在某一時刻究竟會出現在原子核外的哪個地方,只能知道它在某處出現的機會有多少。為此,就以單位體積內電子出現幾率,即幾率密度大小。用小紅點的疏密來表示,小紅點密處表示電子出現的幾率密度大,小紅點疏處幾率密度小,看上去好像一片帶負電的雲狀物籠罩在原子核周圍,因此叫電子雲。

電子雲動態圖

量子理論的建立為微觀世界的研究送來了光明,可是上帝不喜歡擲骰子,而量子理論就建立在概率理論的基礎上。雖然不知道粒子在下一時刻會出現在哪,當時可以知道粒子在某一位置出現的概率,還是有規律可循的,所以不能說量子理論支持自由意志!

文/《科學認識論》、編輯:物理小識(原載)

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因為測量需要觀察,觀察要借助光,當光子打到要測量的粒子上的一瞬間粒子動量就會發生不連續變化,即便知道這一瞬間位置,也無法得知其動量),測不准原理也關聯了量子的概率理論。

普朗克

現代電子雲模型

電子在原子核外很小的空間內做高速運動,其運行沒有固定的規律,只能用概率統計出電子在某一點出現的頻率,不能確切地說電子在某一時刻究竟會出現在原子核外的哪個地方,只能知道它在某處出現的機會有多少。為此,就以單位體積內電子出現幾率,即幾率密度大小。用小紅點的疏密來表示,小紅點密處表示電子出現的幾率密度大,小紅點疏處幾率密度小,看上去好像一片帶負電的雲狀物籠罩在原子核周圍,因此叫電子雲。

電子雲動態圖

量子理論的建立為微觀世界的研究送來了光明,可是上帝不喜歡擲骰子,而量子理論就建立在概率理論的基礎上。雖然不知道粒子在下一時刻會出現在哪,當時可以知道粒子在某一位置出現的概率,還是有規律可循的,所以不能說量子理論支持自由意志!

文/《科學認識論》、編輯:物理小識(原載)

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