物理學(xué)發(fā)展札記——原子和原子核部分

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1、物理學(xué)發(fā)展札記——原子和原子核部分自然科學(xué)剛跨入20世紀(jì)，物理學(xué)領(lǐng)域內(nèi)首先掀起了革命的浪潮。19世紀(jì)末，物理學(xué)實驗上的一系列重大發(fā)現(xiàn)，沖擊著經(jīng)典物理學(xué)的連續(xù)觀念、絕對時空觀念和原子不可再分的觀念，使原有的經(jīng)典理論顯得無能為力。這一沖擊，對當(dāng)時的物理學(xué)家們的影響是很大的。因為19世紀(jì)物理學(xué)取得巨大成就時，不少物理學(xué)家除了贊嘆以外，還流露出滿足和無所作為的思想。著名的德國物理學(xué)家基爾霍夫（G.R.Kirchhoff，1824—1887）曾經(jīng)表示過：“物理學(xué)將無所作為了，至少也只能在已知規(guī)律的公式的小數(shù)點后面加上幾個數(shù)字罷了?！逼绽士说膶?dǎo)師也曾經(jīng)說過，物理學(xué)將會很快地具備自己的終極的穩(wěn)定的形

2、式。并表示，雖然在這個或那個角落里，還可能發(fā)現(xiàn)或消除掉一粒塵土或一個小氣泡，但作為整體的體系卻足夠牢固可靠了。理論物理學(xué)已明顯地接近幾何學(xué)100年來已經(jīng)具有的那種完善程度。在剛跨入20世紀(jì)的第一天，世界著名物理學(xué)家開爾文（LordKelvin，原名為W.Thomson，1824—1907）也曾經(jīng)說過：“在已經(jīng)建成的科學(xué)大廈中，后輩物理學(xué)家只能做一些零碎的修補工作了。”但是，他又敏銳地發(fā)現(xiàn)，在物理學(xué)晴朗的天空里，還有兩朵小小的令人不安的烏云。這兩朵“烏云”是指什么？為什么這兩朵烏云會引起這樣著名的物理學(xué)家的不安呢？我們還是回顧一下歷史吧！物理學(xué)進入到19世紀(jì)80年代以后，物理學(xué)的經(jīng)典理論

3、不斷完善，與此同時，物理學(xué)實驗上卻陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一些重大的結(jié)果，這些結(jié)果使舊有的物理學(xué)理論顯得無能為力。這些實驗中，至少有7個重大的發(fā)現(xiàn)，不但舊理論無法解釋，有的還導(dǎo)致觀念上的更新。第一個實驗是1887年赫茲（H.R.Hertz，1857—1894）在驗證麥克斯韋（J.C.Maxw-ell，1831—1879）預(yù)言電磁波存在的實驗過程中，發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。赫茲在研究電磁波發(fā)射和接收的實驗過程中，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生火花的光與接收間隙隔絕時，必須縮短接收間隙，才能使它發(fā)生火花；任何其他火花的光射到間隙的端點，也能使間隙之間發(fā)生火花。當(dāng)赫茲進一步研究后，發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象中起作用的是光的紫外部分。當(dāng)這部分光射到間隙

4、的負極時，作用最強。這就表示紫外光照射負極時，負極更容易放電，即有更多的電子逸出負極的表面。用其他光照射時，就沒有這種現(xiàn)象。按照經(jīng)典理論，從金屬表面逸出電子的數(shù)目與光的強度有關(guān)，而與光的頻率無關(guān)。這一矛盾，赫茲無法解釋，但他仍以“論紫外光對放電現(xiàn)象的效應(yīng)”為題發(fā)表論文，描述了這一現(xiàn)象和結(jié)果，向物理學(xué)經(jīng)典理論發(fā)起了挑戰(zhàn)。第二個實驗是1887年的邁克耳遜-莫雷實驗。這一結(jié)果使持有光是“以太”中的波動這一觀點的人大失所望，連邁克耳遜本人也不了解這一實驗結(jié)果的重要意義。第三個實驗是1895年倫琴（W.K.Runtgen，1845—1923）發(fā)現(xiàn)了X射線。這一發(fā)現(xiàn)是對“不可入性是物質(zhì)的固有屬性”

5、觀念的挑戰(zhàn)，也是對建筑在這一觀念基礎(chǔ)上的經(jīng)典物理學(xué)的有關(guān)理論的挑戰(zhàn)。第四個實驗是1896年貝克勒爾（A.H.Becquerel，1852—1908）發(fā)現(xiàn)了放射性輻射。這一實驗結(jié)果表明化學(xué)元素是能蛻變的，它會變成其他元素，改變了人們一成不變的觀念。第五個實驗是1897年J.J.湯姆孫（J.J.Thomson，1856—1940）發(fā)現(xiàn)了電子。電子的發(fā)現(xiàn)和證實，向建筑在經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)上的舊觀念發(fā)起了沖擊，它表明比原子小的粒子是存在的，原子并不是最小的客體，指出了經(jīng)典的物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論的局限性。J.湯姆孫獲得了1906年的諾貝爾物理學(xué)獎，這是表彰他在氣體導(dǎo)電方面的理論和實驗的研究成果，而只字未提發(fā)

6、現(xiàn)電子。這就表明傳統(tǒng)觀念是比較深的，不少人不容易接受新生事物。第六個實驗是1898年居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性元素。這一重要發(fā)現(xiàn)，同樣證明化學(xué)元素是要蛻變的，而原子并不是不可分的，它會放射出更小的粒子而改變自己的性質(zhì)，再次說明經(jīng)典理論的局限性。第七個實驗是黑體輻射實驗。普朗克（M.Planck，1858－1947）提出了“量子”的概念，拋棄了經(jīng)典物理學(xué)特有的兩條原則：從一個狀態(tài)過渡到另一個狀態(tài)必須是連續(xù)的原則，吸收和釋放能量必須是連續(xù)的原則，宣布了量子物理學(xué)的誕生。上述7個主要實驗結(jié)果，用經(jīng)典的物理學(xué)理論根本無法加以解釋。第三個實驗對傳統(tǒng)的觀念（即“不可入性是物質(zhì)的固有屬性”）發(fā)起了沖擊，說明

7、“不可入性”并不是物質(zhì)的“固有的”屬性。第四、五、六個實驗，表明化學(xué)元素會蛻變，會變成其他元素：比原子小的微?！娮拥陌l(fā)現(xiàn)，說明原子并不是不可再分的最小的實體，對原子是不可再分的觀念也發(fā)起了沖擊。第七個實驗開創(chuàng)了量子物理學(xué)，同時應(yīng)用量子論的觀點也能解釋第一個實驗的結(jié)果。第二個實驗，只有等待狹義相對論誕生以后，才能很好地加以解釋。前面提到開爾文所說的“兩朵烏云”，就是指邁克耳遜-莫雷實驗和黑體輻射實驗。其實這不是什么“烏云’，而是物理學(xué)發(fā)展的一