§1.2 人类对物质结构的认识从原子深入到原子核

元素周期表中每一种元素都是特定的原子. 早期人们认为原子是构成物质结构的最小单元. 但人类对物质结构的认识没有终止在这一层次, 而是继续更深入地探索物质结构的最小单元.

1897年,汤姆孙(J. J. Thomson) (见图1.5)在实验上发现了电子. 汤姆孙做了用电场以及磁体使阴极射线偏转的实验, 证明了阴极射线是带负电荷的粒子, 它们的质量只是最小的原子——氢原子的约 1/1800. 汤姆孙把这种带负电荷的粒子称为电子. 电子的质量约为 0.5 MeV1.电子的发现从实验上打开了进入微观世界的大门,从而也开启了原子物理、原子核物理和基本粒子物理学的新时代.

1911年, 卢瑟福 (见图1.6 左图) 在用三年时间以 α 粒子束流轰击金属薄箔并反复进行实验后, 发现原子内部有一个小核心.α 粒子是天然放射性物质放射出来的, 带正电荷,其质量要比电子重很多,后来人们知道α粒子就是氦原子核.实验中发现大多数入射的α粒子顺利通过金属薄箔,偏转角很小, 但有的偏转角很大,甚至接近 180°, 即反弹回来, 其概率仅约为 1/8000 (见图1.6右图). 卢瑟福由此断定, 原子内部有一个体积极小、密度很大的核心——原子核,从实验上证明了原子是由电子和原子核构成的. 在呈中性的原子内部,原子核带正电, 电子绕原子核运动, 整个原子比原子核大约10000 倍. 卢瑟福原子模型将原子中电子绕原子核的运动看作像行星绕太阳的轨道运动一样, 电子由于电磁相互作用在原子核外围做轨道运动. 后来人们发现, 与地球在绕太阳做轨道运动外还有自转类似, 电子除了绕原子核轨道运动外还有“自转”, 称为自旋2.但在微观世界里自旋只能取整数和半整数, 例如电子的自旋为 (它的自旋角动量为, 其中=h/(2π),称为约化普朗克常数,而h是普朗克常数). 1919年, 卢瑟福利用 α 射线轰击氮气靶实验, 首次实现了原子核的人工裂变,并发现了其中的质子(氢原子核).

1913年,密立根(R. A. Millikan) (见图1.7)油滴实验第一次测量了电子的电荷量为e=(4.774±0.009)×10−10 esu (静电单位,相当于3×10−9 C),这就从实验上确证了元电荷的存在,并使许多物理常数的计算获得了较高的精度.

1932年, 查德威克 (J. Chadwick) (见图1.8) 在约里奥–居里夫妇(F. Joliot-Curie and I. Joliot-Curie)工作的基础上,通过进一步的实验,发现了中子. 约里奥–居里夫妇用铍射线轰击石蜡和其他含氢物质, 观察到石蜡中放射出一种强粒子流. 由于当时人们错误地认为这种铍辐射是一种 γ 辐射, 从而对这种粒子流的放射现象难以做出解释. 查德威克根据约里奥–居里夫妇的实验, 敏锐地觉察到铍辐射绝不是 γ 辐射,很可能是由铍中射出的新的粒子组成的. 进而, 他在用 α粒子轰击核的实验中发现了中子. 中子的发现使人类对物质结构的认识从原子核深入到质子 (p)、中子 (n) 这一层次. 此后,海森堡(W. K. Heisenberg)和伊凡宁柯(D. Iwanenko)立即提出了原子核由质子和中子组成的假说. 不久, 这一假说获得验证. 至此人们认识到, 原子是由原子核和绕核运动的电子组成的, 而原子核由质子和中子通过很强的相互作用结合而成. 氢原子是最简单的原子,它的原子核仅有一个质子.除了氢原子核外, 所有原子核中, 带正电荷的质子的质量和都比原子核质量要轻.由带正电的质子和不带电的中子组成的原子核带正电, 带负电的电子由于电磁相互作用束缚在原子核周围,从而形成原子(见图1.9).

卢瑟福的电子绕原子核做类似行星绕太阳运动的原子模型有根本性困难,因为电子绕原子核运动就有加速度,按经典电磁场理论,这样的电子应以电磁波形式辐射能量,轨道半径愈来愈小,最终落在原子核上 (见图1.10),因而原子必然是不稳定的. 然而,实验上原子是稳定的. 同时,由于辐射,电子绕原子核转动的频率会不断地改变,因而原子光谱应是连续光谱, 可实验表明, 原子辐射的光谱是一条一条很细的谱线,即只有一定的分立频率的光被发射出来. 因此原子光谱实验与经典电动力学理论相矛盾, 卢瑟福原子模型对原子结构的描述遇到了疑难.

1913年,玻尔在从卢瑟福实验室回到哥本哈根后发表了著名的论文《论原子和分子结构》. 该论文分三期发表, 趣称三部曲. 他认为经典电磁学不能用来描述原子内部电子运动的规律.玻尔基于量子论提出两点基本假定: (1)原子中的电子只能在确定的轨道上运动, 这种运动状态称为定态. 每条轨道上的电子都具有一定能量,这些能量只能取分立数值. (2)电子从外层轨道跳到内层轨道时失去能量,相反过程时吸收能量, 吸收和发射的电磁辐射频率正比于两个轨道间的能量差. 这就是玻尔的频率条件. 由此构造的原子模型解决了卢瑟福原子模型遇到的疑难,且得到了一系列实验事实的支持, 从而解释了元素周期律、原子光谱和光的吸收及辐射等现象. 1914年,玻尔又到卢瑟福实验室访问,后于 1916年回到哥本哈根任教授.

玻尔的这两条基本假定完全不能用经典电磁学解释, 而实验事实则支持这种奇妙的物理图像.电子为什么在固定的轨道上运动？它在固定轨道上的运动规律, 即原子内部电子的运动规律是什么? 这些问题在玻尔的模型中没有答案. 然而,正是这一模型直接导致了20世纪20—30年代量子力学的建立. 量子力学是描述微观粒子运动的基本理论, 有两种等价的表述——波动力学和矩阵力学. 波动力学由薛定谔() (见图1.11)创立. 在这一表述中,微观自由粒子的运动遵从薛定谔波动方程

其中 m 是粒子的质量, ψ = ψ(x, t) 为波函数, 它的模方, 可以解释为概率密度 (上式采用了自然单位制, 令=c=1). 量子力学能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收及辐射等现象,成为描述在原子、分子乃至更深层次上的微观世界的一个基本理论. 人们发现,微观粒子,如电子,不仅具有粒子性而且具有波动性,波粒二象性支配着微观世界的现象和规律.

20世纪最初的二三十年是物理学发展的黄金时代.相对论和量子力学两大基本规律的建立不仅影响着自然科学的发展,而且带动了20—21世纪人类科学技术的大发展和工业上的巨大进步.

1 eV (电子伏)本是能量单位, 1 eV ≈1.602×10−19 J.但在粒子物理学中,习惯用其也表示粒子的质量,此时 eV所代表的质量实际上是 eV/c2,其中 c为真空光速.

2 这一图像很直观,但并不严格,粒子的自旋不能简单地解释为自转.