粒子物理学简史

作者:mxyr;参考资料:维基百科

序 原子论

古代哲学中的原子论

  关于“物体到底是有什么构成的”这个问题,人类的祖先从数千年前便开始了研究。庄子认为,物体没有最小的构成单位,他在其著作——《庄子•天下》中写道:“一尺之捶,日取其半,万世不竭。”意思是,一尺长的木棍,每天取其一半,永远都取不完。当然,从数学的角度来看,这体现出一种极限的思想,可以说是一种进步。但是,我们若从物理的角度来看,这句话则体现出庄子认为物体没有最小的构成单位。同时期,墨子则在其著作《墨子•经下》中提出:“非半弗斫,则不动,说在端。”意思是一个物体被多次分割,最终会变得不可再分割。墨子认为,物体是有其最小构成单位的,存在不可再分割的东西。同时期的古希腊,德谟克利特创建了“原子论”,他认为每一种事物都是由原子所组成的,整个世界的本质只是原子和虚空。原子不可分割,并不完全一样。

道尔顿原子模型

  在这之后,原子论沉寂了上千年,直至15世纪初,古希腊原子论著作残片被发现,被意大利学者带回意大利传抄,于15世纪下半叶出版,并于17世纪被译成法语、英语广为流传。但是,当时的原子论更多的是一种哲学概念,并没有形成系统的科学理论。1661年,爱尔兰自然哲学家罗伯特•波义耳发表了《怀疑派的化学家》,在这部著作中波义耳批判了一直存在的四元素说,并且提出了元素的微粒的概念。但是此时,人们对于这种“微粒”,哪怕是概念上的理解,也是相当模糊。

  后来,经过大量的实验与研究,18世纪末,在没有涉及原子理论的概念条件下,在化学领域,发现了两条有关化学反应的规律
  1. 化学反应前后反应体系的总质量不变,也就是说反应物与生成物的质量相等,即质量守恒定律。
  2. 无论一种反应物的量有多少,反应前后组成它的各种元素的质量的比例总是保持不变,即定比定律。

  这两条规律为原子理论成为一个科学理论提供了实验依据。
  约翰•道尔顿基于牛顿的原子论在他1808年发表的《化学哲学的新体系》中提出了他的原子理论
  1. 所有的化学元素都是由一种非常小的粒子组成,即原子,这些粒子无法借由化学方法进一步的分割。
  2. 同种元素的原子具有相同的大小,质量和性质。不同元素的原子是不同的,即元素性质由组成它们的原子决定。
  3. 如果两种元素能形成多于一种化合物,在一种元素的质量一定时,各种化合物中的第二种元素质量的比例会是一个简单整数比,即倍比定律。
  至此,原子的概念开始逐渐为人们所接受。

汤姆逊的葡萄干-布丁原子模型

  1897年,约瑟夫•汤姆孙在阴极射线管实验中发现了有趣的现象。

  从负极发射出去说明了这是一种带有负电的粒子,同时,粒子束在磁场中的偏转方向更加印证了这一推论。在更精确的测量后,汤姆逊估算出,构成阴极射线的粒子比氢原子轻1000倍。这说明了,原子并不是真正的不可分割,还有比原子更小的存在。

  这种构成阴极射线的粒子后来被命名为电子,道尔顿原子模型也被改进为葡萄干-布丁原子模型:

  这个模型指出,带有负电的电子仿佛葡萄干一样嵌在充满正电的“原子布丁”里,因而原子整体显电中性。同时,依据电荷之间的相互作用而建立的数学模型指出,电子分布于几个同心圆球面。

行星原子模型

  1909年,欧内斯特•卢瑟福和汉斯•盖革以及欧内斯特•马士登在英国曼彻斯特大学进行了卢瑟福散射实验。实验是用α粒子(携带正电)束轰击真空室中的金箔。

  依据汤姆逊的葡萄干-布丁原子模型,实验预期如下所示:

  然而事实上,实验结果如下所示:

  假若这葡萄干布丁模型是正确的,由于正电荷完全散开,而不是集中于一小片区域,大部分α粒子都应该径直穿过原子,其移动方向应该只会有小角度偏差。

  然而,他们得到的实验结果非常诡异,大约每8000个α粒子,就有一个粒子的移动方向会有很大角度的偏差(超过90°);而其它粒子都直直地冲过金箔纸,没有任何偏差。从这结果,拉塞福断定,大多数的质量和正电荷,都集中于一个很小的区域(原子核);电子则包围在区域的外面。当一个α粒子移动到非常接近原子核,它会被很强烈的排斥,以大角度反弹。原子核的小尺寸解释了为什么只有少数的α粒子被这样排斥。从纯属对称性和审美性的观点,这个质量与电荷集中的区域,应该处于原子中心。
  由于在卢瑟福模型中,电子仿佛行星一样环绕于原子核四周,因此,这一模型又称行星模型。

  在进一步了解原子模型的发展之前,我们需要先了解一个全新的物理概念——量子物理。

量子物理

  在学习量子物理之前,我们需要先澄清一件事,物理我们都知道,但是,啥是量子?“量子”这个词,似乎离我们的生活十分遥远,但又似乎随处可见。上至“墨子号”量子通讯试验卫星,量子计算机;下至长辈们经常被推销的“养生量子床”、“健康量子水”。但是,量子究竟是什么意思呢?
  量子一词来自拉丁语quantum,意为“有多少”,代表“相当数量的某物质”。在物理学中,量子的概念是指一个不可分割的基本个体
  现在,我们已经了解了量子这个词的含义,我们再来看看,量子物理是怎样发展起来的。

光电效应

  科学家们发现,当某些光线照射在金属表面时,金属表面会有电子发射出来。

  如图所示,当光线照射在左边的金属板上时,会有电子被发射出来。这些电子会在两个金属板之间的电场中被加速。因为发射出来的电子具有不同的动能,当我们调节下面可别列样的电压时,会有不同数量的电子到达右边的集电极。

  实验结果如图所示:

  如图所示,纵轴I代表电流,反映了单位时间内,到达右边电极的电子的多寡。横轴V代表我们通过调节电源给予两电极之间的电压。a、b、c从高到低,分别代表了光照的强度(光的频率一定)。Vstop代表临界电压,即恰好没有任何电子可以成功到达右侧电极(电流为零)时的电压,这个值本身与被激发出来的电子的最大动能有关。Is代表了最大电流,即所有激发出来的电子都成功到达了右侧电极。

  通过实验,我们发现了三个有趣的现象,这些现象与经典物理相悖:
  1. 对于特定频率的光,无论光强度怎样改变,临界电压总是一个定值;(根据经典理论,光强度越大,电子最大动能越大,因此临界电压应该相应升高)
  2. 光的频率存在一个临界值,如果低于该频率,无论光的强度多大,电子也不会被激发出来;(依据经典理论,临界频率不应该存在,电子只要积累足够多的能量,就会被激发出来)
  3. 电子被激发出来,这一过程几乎是瞬间的。(依据经典理论,即便频率高于临界频率,如果光的强度过低,电子仍需要时间来吸收能量从而被激发)
  这些结果印证出,光波可以看做是一种粒子,我们称之为光子。单个光子具有的能量与其频率成正比,E=hf,h是普朗克常数。

  这其实也是量子物理思想的一种体现,一束光由若干光子构成,然而对于这束光来说,它的能量最低只能分解到光子这个程度,光子的能量不可再被分割。也就是说,能量的变化实际上是离散的,而非经典理论所假设的是连续的。
  那么,之前那三个现象就可以使用光量子理论来解释:
  1. 根据量子理论,单个光子的能量只取决于光的频率,与光强度无关,光强度则决定了光子数量上的多少。因此对于特定频率的光,无论光强度如何改变,所改变的只是光子的数量,单个光子的能量并不会因此而变化。因此对于特定频率的光,电子所获得的最大动能永远是一个定值,等于光子的能量减去逸出功。因此对于特定频率的光,无论光强度如何改变,临界电压永远是一个定值。
  2. 根据量子理论,电子只能吸收一个光子,而不可以连续地吸收多个光子。无论光的强度多么强,那只决定了光子数量上的多少,并不会影响单个光子的能量。如果光的频率低于临界值,即光子不具有足够高的能量使电子从原子中逃逸,则电子无法被激发出来。因此存在一个临界频率。在这个临界频率上,单个光子的能量等于电子的逸出功。
  3. 只要光的频率超过临界频率,无论光的强度多么低(无论光子的数量多么得少),只要单个光子的能量超过了电子的逸出功,则电子就会获得足够高的能量,从原子中被激发出来。因此无论光的强度多么的低,只要超过临界频率,电子总能瞬时地被从原子之中激发出来。

  正是依靠这一伟大的发现,爱因斯坦获得了1921年诺贝尔物理学奖。这一发现也最终确认了光的粒子性质,在进一步研究与讨论后,终结了数百年来对于光的本质的争论——光具有波粒二象性。

  这可能有些令人费解,一个东西怎么可能既是波又是粒子呢?事实上,我们说光既是波又是粒子,这种说法是不严谨的。先看看左边的图片。一个圆柱在两个不同方向上的投影分别为矩形与圆形。我们当然不能说圆柱既是矩形又是圆形,我们顶多可以说,圆柱同时具有矩形和圆形的性质。同样道理,光同时具有波和粒子的性质。

波尔原子模型

  量子物理建立之后,之前行星模型的不足之处也迎刃而解。在量子物理之前,行星模型的不完善之处在于,电子围绕原子核运转时,依据经典理论,运动的电荷一定会不断的向外辐射电磁波。因而电子的总机械能会不断降低,从而越来越靠近原子核,最终坠入原子核。引入了量子物理的概念,波尔成功解决了这一问题。

  在波尔原子模型中,电子的轨道被量子化,也就是说,只有某些具有特定能量的轨道被允许。电子通过吸收或者释放光子的方式,来获得或者释放能量,从而在不同轨道间进行跃迁。

电子云模型

  随着量子力学的发展,我们现在使用电子云模型。依据量子物理中的测不准原理,我们无法准确得知电子所处的方位,相反的,我们只能给出电子处于某一区域的可能性。将电子出现概率大于等于95%的区域,使用几何的方法表示出来,即是下图所示的电子云模型。

物质波

  进一步的研究表明,波粒二象性不只局限于光子,电子、质子、原子甚至是多个原子组成的分子都能够显现出波粒二象性。鉴于时间有限,想了解详细实验的同学我可以课后再详细讲解一下。法国物理学家路易•德布罗意于1923年在他的博士论文提出:波与粒子的共存性,可以被拓展到全部的微观粒子。他指出:λ=h/p
  其中,λ是波长,p是动量,h是普朗克常数。
  这一理论以及后续的实验验证表明,万物皆具波粒二象性,只不过随着物体质量与速度的改变,波性与粒子性的体现强弱不同。

  原子模型的演变也正是我们观察探知世界的视角的演变。我们对于世界的认知在不断进步,越来越接近真理。

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