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“量子力学”的基础,是这么诞生的

来源: 科普中国  发布时间:2022-12-26

  原子一词是古希腊人发明的,意思是“不可分割”。一些古希腊哲学家认为,万物都是由不可分割的原子组成的,不过因为古希腊的物理学只处于萌芽阶段,没有办法验证,所以这种观点只停留在哲学上。

  18世纪末,化学家发现化学反应前后的质量是不变的,而且化学反应的时候参加反应的反应物比例也是不变的。比如说,铁和氧气反应如果得到红色粉末,那么一定是每100份铁对应42份氧。如果是黑色粉末,那就一定是100份铁对应28份氧。这说明,化学反应的时候存在某种看不见的基本单元,所有的反应都只能以这个基本单元的倍数进行。化学家约翰·道尔顿参考古希腊人的命名,把这个基本单元命名为“原子”,这就是科学原子论的诞生。

  但是,现代意义上的原子也像古希腊人认为的那样不可分割吗?1897年,物理学家汤姆生制造出了一种带有电荷的射线。汤姆生认为这种射线不是电磁波,而是由某种微小颗粒组成的,他测量了这种颗粒的质量,发现它非常之轻,是最小的原子——氢原子的一千八百分之一。于是汤姆生认为,原子是可分的,这种带电的颗粒就是原子的组成元件。后人把它命名为电子。

  电子带有负电荷,但原子是中性的。负电的电子如何组成中性的原子?当时就有物理学家认为,原子的结构就像太阳系一样,电子在外围环绕,正电荷位于中心,这就是所谓的原子的行星模型。但是汤姆生指出,和行星不同,电子是带电的,做圆周运动会释放出能量,导致原子不稳定。所以,他提出了另一个模型:原子是一团均匀的正电荷,其中点缀着单个的电子,就像面包里嵌着葡萄干一样,二者电荷抵消,让原子整体表现为电中性。

  这个模型解释了原子的稳定性,在当时占据了压倒性的优势,但是在几年之后,就遇到了一个更大的困难。

  汤姆生的学生欧内斯特·卢瑟福发现,放射性原子可以自发地放出射线,他把这些射线分成三类,其中第一类称为alpha射线。他认为alpha射线也是由微小颗粒组成的,想用和老师一样的办法测量颗粒的重量。可是他发现,这些颗粒撞到空气就会到处乱飞,导致无法准确测量。

  汤姆生自己测量电子的时候遇到过这个问题,他的解决办法是抽真空。卢瑟福也用抽真空测出了颗粒的重量,但他发现这个颗粒非常重,是电子的几千倍。

  这就奇怪了。电子很轻,撞在空气里的原子上被弹开可以理解。alpha射线如此之重,穿过葡萄干面包模型的原子应该不费吹灰之力才对,为什么反而会被弹开呢?看来,葡萄干面包模型存在某种严重的问题。

  20世纪初的物理学家没有任何办法直接看到原子内部结构。但是,存在间接的办法,看看粒子打在原子上会发生什么,就是其中之一。空气里的原子布满整个空间,处处皆可反弹,结果一团乱麻,但如果改变实验条件,只允许反弹在指定的时间地点进行,就有可能解决这个谜题。

  接下来卢瑟福进行了一系列的实验。他把金属压成很薄的层,放在真空环境里,再用alpha射线击打。结果发现,大部分的alpha射线直接穿了过去,少量发生了偏转,还有极少情况下发生了巨大的反弹,超过90度。

  如何理解这个现象?假如原子是均匀的电荷,就不会出现相差这么大的结果。因此卢瑟福认为,原子里的正电荷不是像葡萄干面包模型那样摊开的,而是高度集中在原子内部的一小块区域,形成一个原子核。射来的alpha射线如果离核心很远,就直接穿过;如果正中核心,就会被大角度摊开。至于电子,则分布在外围。就这样,他用实验证明了,行星模型是对的。

  虽然这个证据十分强力,足以彻底推翻葡萄干面包模型,但是它反过来也逼迫物理学家去面对行星模型原本的问题:电子环绕原子核应该是不稳定的,为什么实际上是稳定的呢?量子力学,就是在解决这个问题的过程中诞生的。如果没有卢瑟福,现代物理的半壁江山不知道会晚诞生多少年。



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