人人网 - 抱歉
哦，抱歉，好像看不到了
现在你可以:
看看其它好友写了什么
北京千橡网景科技发展有限公司：
文网文[号··京公网安备号·甲测资字
文化部监督电子邮箱：wlwh@··
文明办网文明上网举报电话： 举报邮箱：&&&&&&&&&&&&根据量子理论，光子具有动量，光子的动量等于光子的能量除以光速，即p=E/C，光照射到物体表面并被反射时，会对物体产生压强，这就是“光压”．光压是光的粒子性的典型表现．光压的产生机理如同气体压强：由大量的气体分子与器壁的频繁碰撞产生了持续均匀的压力，器壁在单位面积上受到的压力就是气体的压强．①激光器发出的一束激光的功率为P，光束的横截面积为S．当该激光垂直照射在物体表面时，试计算单位时间内到达物体表面的光子的总动量．②若该激光束被物体表面完全反射，证明其在物体表面引起的光压是2P/CS．③设想利用太阳的光压将物体送到太阳系以外的空间去，当然只有当太阳对物体的光压超过了太阳对物体的引力才行．现如果用一种密度为1.0×103kg/m3的物体做成的平板，它的刚性足够大，则当这种平板厚度较小时，它将能被太阳的光压送出太阳系．试估算这种平板车的厚度应小于多少？设平板处于地球绕太阳运动的公转轨道上，且平板表面所受的光压处于最大值，不考虑太阳系内其它各行星对平板的影响，已知地球公转轨道上的太阳能量为1.4×103J/m2·s(即在单位时间内垂直辐射在单位面积上的太阳光能量)，地球绕太阳公转的加速度为5.9×10－3m/s2． - 跟谁学
在线咨询下载客户端关注微信公众号
搜索你想学的科目、老师试试搜索吉安
在线咨询下载客户端关注微信公众号&&&分类：根据量子理论，光子具有动量，光子的动量等于光子的能量除以光速，即p=E/C，光照射到物体表面并被反射时，会对物体产生压强，这就是“光压”．光压是光的粒子性的典型表现．光压的产生机理如同气体压强：由大量的气体分子与器壁的频繁碰撞产生了持续均匀的压力，器壁在单位面积上受到的压力就是气体的压强．①激光器发出的一束激光的功率为P，光束的横截面积为S．当该激光垂直照射在物体表面时，试计算单位时间内到达物体表面的光子的总动量．②若该激光束被物体表面完全反射，证明其在物体表面引起的光压是2P/CS．③设想利用太阳的光压将物体送到太阳系以外的空间去，当然只有当太阳对物体的光压超过了太阳对物体的引力才行．现如果用一种密度为1.0×103kg/m3的物体做成的平板，它的刚性足够大，则当这种平板厚度较小时，它将能被太阳的光压送出太阳系．试估算这种平板车的厚度应小于多少？设平板处于地球绕太阳运动的公转轨道上，且平板表面所受的光压处于最大值，不考虑太阳系内其它各行星对平板的影响，已知地球公转轨道上的太阳能量为1.4×103J/m2·s(即在单位时间内垂直辐射在单位面积上的太阳光能量)，地球绕太阳公转的加速度为5.9×10－3m/s2．根据量子理论，光子具有动量，光子的动量等于光子的能量除以光速，即p=E/C，光照射到物体表面并被反射时，会对物体产生压强，这就是“光压”．光压是光的粒子性的典型表现．光压的产生机理如同气体压强：由大量的气体分子与器壁的频繁碰撞产生了持续均匀的压力，器壁在单位面积上受到的压力就是气体的压强．①激光器发出的一束激光的功率为P，光束的横截面积为S．当该激光垂直照射在物体表面时，试计算单位时间内到达物体表面的光子的总动量．②若该激光束被物体表面完全反射，证明其在物体表面引起的光压是2P/CS．③设想利用太阳的光压将物体送到太阳系以外的空间去，当然只有当太阳对物体的光压超过了太阳对物体的引力才行．现如果用一种密度为1.0×103kg/m3的物体做成的平板，它的刚性足够大，则当这种平板厚度较小时，它将能被太阳的光压送出太阳系．试估算这种平板车的厚度应小于多少？设平板处于地球绕太阳运动的公转轨道上，且平板表面所受的光压处于最大值，不考虑太阳系内其它各行星对平板的影响，已知地球公转轨道上的太阳能量为1.4×103J/m2·s(即在单位时间内垂直辐射在单位面积上的太阳光能量)，地球绕太阳公转的加速度为5.9×10－3m/s2．科目:最佳答案（1）
（3）1.6×10－6m解析
知识点:&&基础试题拔高试题热门知识点最新试题
关注我们官方微信关于跟谁学服务支持帮助中心《科学家谈物理》第三辑——粒子世界探秘
&&&&&&&&&&&&&&&&
/ 《科学家谈物理》第三辑——粒子世界探秘　
前 言　　自然界是一个形形色色、丰富多彩的物质世界，人类自古以来就在不断 地进行探索，以便了解这个物质世界是由什么构成的，是怎样构成的。在古 代人们就已经对物质世界的构成提出过许多种理论，但是由于科学技术水平 的限制，这些认识一直停留在非常粗浅的水平上。直到近代，工业革命使得 科学技术获得了突飞猛进的进步，为科学实验的开展提供了前所未有的条 件，也带动了科学理论的飞速发展。　　微观世界一直是人们进行研究的一个主要方面。因为宏观世界是以微观 世界为基础的，研究微观世界及其规律不仅可以使人们对自然界的结构及运 动知其然，而且可以知其所以然。　　19 世纪以前，由于化学和经典物理学的发展，使人们对微观世界的物理 学规律有了许多本质的认识。虽然当时的人们认为科学理论已经发展得日臻 完美，但是，那些理论毕竟仍然受到当时的实验技术水平的限制，还不可能 在实验上接触到大量经典物理学所未涉及到的领域。一直到 19 世纪末，人们 才逐渐注意到一些用经典物理学所不能解释的自然现象。历史进入了 20 世纪，随着相对论的诞生、量子力学的建立，人类对微观物质世界的认识又登上了一层新的台阶。物理学家们通过大量的实验和理论 研究，逐渐认识到组成物质世界的分子和原子并不是微观世界的最小单元， 并且进而建立了原子结构的模型，在这个基础上建立和发展了原子物理学和 原子核物理学，从此，物理学就以前所未有的速度向前飞跃发展。30 年代以来，人类对微观物质世界探索的前沿推进到粒子物理学。物理学家们通过大量的不断涌现的新实验进展和理论研究，60 年代又进一步认识 到组成物质世界的基本粒子并不是微观世界的最小单元，基本粒子并不“基 本”，它们还是由更深层次的粒子组成，认识到物质间的错综复杂的相互作 用都可以还原为粒子间的三种最基本的相互作用，实现对微观物质世界结构 和运动基本规律认识的巨大飞跃。建立和发展了强子结构理论、量子色动力 学和电弱统一理论，形成了粒子物理的标准模型。本书力图用浅显易懂的语言，介绍粒子物理学的起源以及近年来的重大进展，使读者能够对微观世界有一个直观和感性的认识。在书中涉及了从有 关微观物质世界和粒子物理学的最一般的知识，到粒子物理学方面的前沿进 展。　　希望本书能够增加读者对粒子物理学发展的了解。本书撰写中的缺点和 不足之处在所难免，请广大读者不吝指正。　　序二柳斌①　　自然科学是生产实践和科学实验经验的总结，是人类征服自然、改造社 会的有力武器。物理学则是自然科学中一门重要的基础学科。　　十七世纪前后物理学发生了一次巨大的飞跃。以牛顿为代表的一批科学 家用观察和实验的方法研究自然现象，他们建立了以经典力学、热力学、统 计物理学、经典电动力学为基础的一个完整、严密的经典物理学的理论体系。 这个理论体系的建立，大大扩展了人类对客观世界物质结构及其运动规律的 认识，在科学技术领域和哲学领域均产生了划时代的影响，推动了自然科学 和工业革命的迅猛前进。　　十九世纪末二十世纪初，物理学再一次发生巨大飞跃。以爱因斯坦为首 的一批卓越的物理学家创立了相对论、量子力学，为现代物理学奠定了坚实 的理论基础。现代物理学克服了经典物理学形而上学的局限。相对论揭示了 物体在高速（接近光速）运动状态下的各种规律；量子力学打开了微观世界 的大门，发现了微观物质运动的规律。现代物理学在更深的物质结构层次和 更广阔的时空领域内扩展了人类对自然界的认识，揭开了伟大的现代自然科 学革命的序幕。在现代物理学的基础上，原子能、电子计算机、新型材料、空间技术、海洋开发等新技术相继产生，新技术革命蓬勃兴起。 现代科学技术的发展是现代经济发展的基础和前提条件。当前世界各国为了争夺二十一世纪在世界上的有利地位，无不把发展现代科学技术作为战略重点。我国人民长期以来遭受帝国主义的侵略和剥削，近百年来沦于贫穷 落后的殖民地半殖民地地位。为了迅速缩小我国与发达国家在经济上的差 距，为了把我国建设成为一个社会主义的现代化强国，中国人民在中国共产 党的领导下，奋斗了七十多年。积正反两个方面的经验，我们深知，人民大 众在取得政权以后，必须大力改革各种束缚生产发展的政策、法令、规章、 条例以及各种不合理的管理制度，以更大地解放生产力；必须高度重视科学 技术工作和教育工作，尊重知识、尊重人才，以更快地发展生产力。1983 年， 邓小平同志为北京景山学校题词：“面向现代化，面向世界，面向未来”， 高瞻远瞩地指出了教育工作、实际上也包括科学技术工作的奋斗方向。老一 辈科学家艰苦奋斗，为祖国的现代化事业立下了汗马功劳。现在的中学生是 跨世纪的一代，是二十一世纪我国各项事业的生力军，肩负着人民的重托和 历史的重任。当代中学生要有志气，继承老一辈科学家们的未竟事业，从小 热爱包括物理学在内的各门自然科学，做到爱科学、学科学，用现代科学技 术装备我国的工业、农业和国防，加速四个现代化的历史进程，使我们的祖 国尽快繁荣昌盛起来。
《科学家谈物理》丛书的出版，对当代中学生来说是件喜事，年轻的朋 友们不仅可以从中学习许多宝贵的知识，进一步掌握打开科学殿堂的钥匙， 而且可以从中学习科学家们那种为科学事业而执著探索的精神，那种自觉献 身的精神，以及那种实事求是的宝贵品质。我相信，这套丛书的出版，必将①
柳斌：国家教委副主任受到读者的欢迎。1992 年 7 月 30 日序一朱光亚 ①　　中国物理学会主编、湖南教育出版社出版《科学家谈物理》丛书，是一 件很有意义的工作。半个世纪、特别是近二、三十年来，物理学从亚核世界 到整个宇宙广阔领域的探索研究，又取得了惊人的进展和成就。物理学在理 论方法和实验技术上的新突破，使它同数学、生物学、化学、材料科学等邻 近学科的结合与相互作用更密切了，促进了许多边缘、交叉学科以及高、新 技术与产业的诞生及迅速发展，出现了步伐越来越快的新的技术革命。这一 切不仅广泛而深刻地丰富了人们对自然界规律的认识，并预示下世纪将会出 现新的重大突破，而且已使人们的社会生活在短短的几十年间发生了从前难 以想象的变化。　　当然也应当看到，这种变化还只限于一部分发达国家和地区，而且变化 的程度是很不平衡的。全人类的社会进步并不是仅由科学技术的进步所能决 定的。我们面对的仍是一个充满矛盾和激烈竞争的世界。即使是自然科学基 础之一的物理学的重大发现，例如 20 世纪 30 年代关于铀核裂变现象的发现， 揭示了人类有可能从自然界获取一种巨大新能源的美好前景，然而它却不幸 地被首先用于军事和争霸，带来了危及人类生存安全的严重威胁。由我国一批著名科学家撰写专文，向广大读者介绍物理学思想、物理学发展，特别是近代和现代物理学发展，让大家获得新知识，增加对物理学各 分支学科的主要内容及其作用和影响的认识和理解，激励大家为追求美好未 来而努力奋斗，无疑是非常有益的。《科学家谈物理》丛书侧重以广大青少年读者为对象，这又有特殊意义。人类社会正在动荡和不安中准备迎接世纪之交，国际上的种种竞争，关键是 科学技术的竞争，进一步说又在于培养科技人才上的竞争。“科技增强国力。 青年开创未来”，下一世纪在我国科技领域承担开拓前进重任的，只能是当 前正在学习的青少年一代。种种事实表明，包括近年来我国中学生参加国际 数学、物理学、化学、信息学奥林匹克竞赛不断取得优异成绩在内，我国青 少年聪明勤奋，是大有希望的一代。青少年处在长知识、增才干的时期，既 要努力学习，又要善于学习，勤于思考，重视实践，勇于探索，并注意拓宽 知识面。希望《科学家谈物理》丛书能对献身科学、立志攀登高峰、振兴中 华、实现祖国四化的青少年朋友们的茁壮成长有所帮助。1992 年 7 月 27 日①
朱光亚：中国科协主席，中国工程院院长、院士。编者的话　　科学技术的发展，改变着人们的意识，改变着国家的战略，更加速了世 界各国综合国力的激烈竞争。　　全球性科学技术的竞争，实质上是人才的竞争。我们的国家，学校每年 在校人数逾两亿，他们都是 21 世纪的主人，这些人的文化科学素养，标志着 国家未来的盛衰强弱，标志着我国在世界之林的竞争能力，尽多尽快地培养 科技人才，是时代的当务之急。自 17 世纪以来，物理学一直为自然科学的领 头学科，推动着各学科的发展，诱发出许多交叉分支学科和技术领域。物理 学作为一门基础学科，又总是向人类智慧提出一些最深刻的挑战。因此，向 青少年介绍一些现代物理前沿科学、物理学思想，将有利于青少年开阔眼界、 诱发思维、启迪心智，有利于吸引和培养优秀的青少年从了解科学到热爱科 学，早日选定自己的志向从而献身科学。有鉴于此，在 1991 年中国物理学会 第五次全国会员代表大会期间，由中国物理学会和湖南教育出版社共同主 持，正式成立了《科学家谈物理》编委会，讨论并制定了丛书宗旨、编写目 的、编写原则和编写计划。丛书内容包括物理学新知识博采、物理学新领域探奇、物理学重大发现觅踪、物理学佯谬的启示，著名物理学家成才轨迹等。作者将以严谨的科学 内容、活泼的物理思想、通俗流畅的文字表述，为广大青少年提供一套优秀 的科普读物。经过四年的努力，作者和编者，殚精竭虑，丛书终于与广大读者见面了。本丛书的编辑出版，得到“国家杰出贡献科学家”钱学森的关怀和指导；中 国科协主席、中国工程院院长朱光亚和国家教委副主任柳斌在百忙中为丛书 作序；中国老一辈著名科学家、中国科学院院士严济慈、谢希德、王淦昌、■钱三强，中国科学院院长周光召，中国物理学会理事长、中国科学院院士冯端为丛书题词，寄托了他们对新一代科技人才成长的殷切希望；中国物理 学会、中国科学院物理研究所给予了大力支持，中国物理学会副秘书长程义 慧做了大量工作，在此一并表示衷心感谢。本丛书作者都是卓有成就的学者， 对他们从繁忙的教学、科研和社会工作中挤出时间，花费大量精力，满腔热 情来撰写这套科普读物的精神表示敬佩。古今中外有不少的名人、专家、学者，就是因为在青少年时代受过一些优秀科普读物的熏陶、感染，从而早日选定了自己的志向，终生为之奋斗， 终于功成名就，为后世留下可歌业迹。倘若读者能从这套丛书得到启示，在 若干年后出现这样的成果，我们将感到无限欣慰。《科学家谈物理》编委会1992 年 9 月《科学家谈物理》第三辑粒子世界探秘高崇寿 著 责任编辑：谭清莲　　　　　湖南教育出版社出版发行 湖南省新华书店经销 湖南省新华印刷二厂印刷850×1168 毫米 32 开 印张：5 字数：100，0001994 年 12 月第 1 版 1996 年 12 月第 2 次印刷 ISBN7——0/G·2127
定价：7.00 元 本书若有印刷、装订错误，可向承印厂斢换
第一章 走向原子世界§1 历月而莅原子世界　　人类在探索自然奥秘时的一个重要方面是探索研究物质世界的微小结 构。当把一把钢尺截成两把时，每一把钢尺仍表现出铁的性质，除了在数量 上减少外，别的并没有什么不同。这样的分割原则上可以一直继续下去，问 题在于是不是可以这样地无限分割下去，是不是分割到一定程度就不能再分 了。中国古代有一句话：一尺之椎，日取其半，历万世而不竭。 中国古代的这句话，包含着很丰富的数学上极限的思想，也反映对物质微小结构的认识。设想有一把一尺长的钢尺，每天截去一半，留下一半，3 天后，只剩下八分之一尺长，再过 3 天，只剩下六十四分之一尺长。这样地 截下去，钢尺一天天地截短，有没有完的时候？“历万世而不竭”就是说钢 铁无论截到多么小的时候仍然是钢铁，所以可以无穷尽地一直截下去。然而，19 世纪物性学和物理化学的研究发展表明物质的微观结构并不是物质的宏 观结构的简单地缩小，各种物质都是由分子构成的，分子又是由一个或多个 原子构成。分子的性质是物质物理性质和化学性质的基础。如果把单个分子 再加以分割，物质的物理性质和化学性质就会明显地变化。钢尺是由铁原子 所构成，当钢尺被截到只有一个铁原子长时就不能再截了，因为再截时就必 须把铁原子打碎，也就不再是钢尺了。铁的密度是每立方厘米 7.87 克，原子 量是 55.85，可以估算出钢铁中相邻铁原子的距离平均为一百亿分之二点三 米。一尺长的钢尺，日取其半地截了 30 天后，就只剩下一百亿分之三点一米 长，这时就不能再截了。实际上，截了 27 天后，剩下的钢尺只有 11 个铁原 子排起来长，已经难以保持钢铁原有的固体性质了。因此，从现代科学来看， “一尺之椎，日取其半”，不是“历万世而不竭”，而是“历月而莅原子世界”。§2 原子和分子　　事实上，“原子”这个名字本身就具有不可再分的含义。提出它的古希 腊人德谟克利特（Democritus）认为物质是由一些不可再分的原子构成的， 不同的物质是不同的原子组合而成的。虽然，这种观点当时遭到一些人如亚 里士多德（Aristotle）的反对，但在今天看来，这种观点却是非常合理的。 我们知道，自然界的物质都是由分子构成的。不同分子的大小和结构很 不相同。有的分子只由单个原子组成；而 绝大多数分子是由多个原子组成的， 并且组成它们的原子的数目和种类也是不同的。许多种物质的分子是由不同种元素的原子构成的，它们被称为化合物。 自然界已知存在着一千几百万种化合物，分别由各自的分子组成。在原子世界中来看，虽然这些化合物的分子千差万别，但它们都是由 111 种元素 的原子结合而成。在这 111 种元素当中，最轻的元素是氢，化学符号为 H， 它的原子序数为 1，原子量为 1.00794，是宇宙中含量最丰富的元素；最重的 已经确定化学符号的元素则是符号为 Mt 的人造元素，它的原子序数为 109， 原子量为 266.1378，它是不稳定的，半衰期为 3 微秒。1994 年 11 月发现了 原子序数为 110，原子量约为 269 的元素，它也是不稳定的，半衰期约为几 千分之一秒，其化学符号还未规定。一个月之后又发现了原子序数为 111， 原子量约为 272 的元素，它也是不稳定的，半衰期约为千分之四秒，其化学 符号也还未规定。这 111 种元素原子的质量相差很大，但他们在固体状态下平均每个原子所占体积却相近。把某种固体物质的分子量用阿伏伽德罗常数去除，就得到 以克为单位的每个分子的质量。再用以每立方厘米克为单位的这种物质的固 体密度去除，就得到固体状态下这种物质每个分子所占的体积。我们可以这 样来考察固体状态下各种元素每个原子所占的体积。原子世界的尺度是非常 小的，常用埃 作为长度的单位。例如，在常温下是固体的元素中，原子量最 小的是锂，锂的原子量为 6.941，金属锂的密度很小，是每立方厘米 0.534 克，这样，金属锂中每个原子所占的体积相当于边长为 2.78 埃的立方体。铀 原子量为 238.0289，是锂原子量的 34.3 倍，金属铀的密度很大，是每立方 厘米 18.95 克，这样，金属铀中每个原子所占的体积和锂几乎相等，也相当 于边长为 2.75 埃的立方体。取从锂到铀的 14 种常温下为固体的元素，按上 面的方法计算固体中平均每个原子所占体积立方体的边长，结果列如下表。 从表中可以看到，尽管各种元素的原子量不同，但其中每个原子所占体积的 边长都在 2.00 埃到 3.12 埃之间。元素
原子量
密度（克\立方厘米）
立方体边长（埃）
Li 锂Be 铍
6.9419.1.848
2.7842.008
C 石墨
12.011
2.265
2.065
Al 铝
26.
2.551
Si 硅Ti 钛
28.085547.88
2.334.54
2.7152.597
Fe 铁
55.847
7.87
2.276
Cu 铜
63.546
8.96
2.275
Ge 锗Sn 锡
72.61118.710
5.3237.31
2.8292.999
W 钨
183.84
19.3
2.510
Pt 铂
195.08
21.45
2.472
Pb 铅U 铀
207.19238.18.95
3.1182.753
阿伏伽德罗（Ameldeo Avogadro）是意大利自然科学家，曾提出著名的阿伏伽德罗定律，即在同温同压的条件下，具有相同体积的任何气体所含的 分子数都相等。化学上以他的名字命名的阿伏伽德罗常数指的就是 1 摩尔物 质所含的微观微粒数目，它是一个普适常数，给出了宏观世界和微观世界的 联系。§3 原子的有核结构原子的有核结构　　物质在固体状态下平均每个原子所占体积相近的特点是与原子的结构有 着密切的联系的。一般说来，原子的直径大约是 1 埃；原子中心有一个带正 电的原子核，原子核带的正电是单位正电荷的整数倍，这个整数就是这种原 子的原子序数；在原子核的周围有原子序数个带负电的电子在围绕它运动； 原子核很重，原子核外的电子的总质量只占原子质量的万分之二到万分之 六；原子核的直径大约是十万分之几埃，而一个电子的直径则小于一亿分之 一埃。如果把原子放大到一个足球场那样大，原子核就像一粒小米到黄豆那 么大，而电子就比最细的土粉还要细。由此可见，原子内部的结构情况是很 稀松的，物质粒子所占的空间只是原子所占空间的很小的一部分。“布丁模型”和“行星模型”
然而，原子的这种类似太阳系的内部结构并不是一开始就被确立起来 的。1897 年，英国物理学家汤姆生（JosephJohn Thomson）通过演示在真空 管放电时，阴极所发出的粒子可以被电场所偏转，从而确定了人类认识到的 最早的几种粒子之一——电子的存在。　　到了 20 世纪初，人们通过许多实验的结果已经认识到原子并不是不可再 分的，在一定条件下原子会放出电子。因此，原子应当是由电子和与电子电 量中和的带正电的部分构成的。当时汤姆生认为正电荷在原子中均匀分布， 而电子则散布在其中，被称为原子结构的“布丁模型”（见图 1-1）。与此 同时，来自新西兰的英国物理学家卢瑟福（Ernest Rutherford）利用 a 粒子（氦的原子核，带两个单位正电荷，质量约为 4 个原子单位，即约为质子的4 倍）去轰击金属箔做成的靶。a 粒子带正电，当它射入到原子内部时，由于 与原子中带正电的部分和电子之间存在的库仑力的共同作用，会产生散射， 使它在射出原子时方向偏离原来的入射方向。如果原子内部的正电荷像汤姆 生所认为的那样是均匀地分布在原子内部的，那么通过计算可以证明，散射 的角度，即 a 粒子的出射方向与入射方向之间的夹角是很小的。若要达到 1°左右的偏转角度，a 粒子在金属箔中前进时必须与金属原子碰撞许多次； 而要达到 90°左右的散射角的几率几乎等于零。然而，卢瑟福的实验显示出a 粒子通过金属靶时的大角度的散射的几率远远大于汤姆生模型给出的结 果，甚至存在有的 a 粒子的散射角度达到了 180°左右（见图 1-2 所示的示意图），而这对于“布丁模型”来说几乎是不可能的。就好像高射炮的炮弹 打中了蚊子后被弹回来了。据此，卢瑟福提出了原子结构的另外一个模型， “行星模型”（见图 1-1）。他认为原子核虽然包含了几乎全部的原　　子质量，但它所占有的体积却是原子中很小的一部分； 原子核处于原子 的中心，而电子就像行星环绕太阳一样环绕带正电的原子核运动。“行星模 型”的最重要的意义是揭示了原子内部的核式结构。在此基础上，逐渐发展 成我们今天所熟知的原子结构的图象。原子核　　各种元素原子之间的不同首先表现在原子核的不同，从而决定在原子核 的周围运动的电子数目也不同，但各种元素的原子所占的体积大体是相同 的。原子核是由质子和中子组成，质子带一个单位正电荷，中子不带电。质 子的质量大约是电子的 1836.15 倍，也是人们最早认识的粒子之一；中子的 质量比质子略重，大约是电子的 1838.68 倍，是英国物理学家查德威克（James Chadwick）于 1932 年发现的。原子序数就是指原子核中质子的数目，原子量 近似地是原子核中质子数和中子数之和。原子的化学性质主要由原子序数决 定，质子数相同而中子数不同的原子是同一种化学元素的不同的同位素，化 学中测定的各种元素的原子量实际是该种元素的各同位素原子量按其所占比 例的平均值。　　第二章 原子世界§1 原子稳定性问题　　从一个静止的原子来看，原子核很重，在中心基本不动。而电子则在原 子核周围作有心运动。既然原子核中的质子带正电，而中子不带电，那么为 什么这些带正电的质子不会因为彼此间的库仑排斥力而分散开来，从而导致 原子核的破裂呢？原来，在质子和中子之间有很强的相互作用力，称为强相 互作用。在两个质子和中子之间的强相互作用在距离为十万分之一埃或更近 时很强，远比两个质子间的电磁相互作用要强几十倍。但当距离为一万分之 一埃或更远时，强相互作用迅速减弱，减弱到和电磁相互作用相比微不足道、 完全可以忽略的地步。质子和中子靠这种近距离很强的强相互作用结合成原 子核，但原子核和核外电子之间主要是电磁相互作用，靠这种相互作用结合 成原子。　　原子核带正电，电子带负电。它们之间的电磁相互作用主要是库仑吸引 力。库仑吸引力的大小与距离平方成反比，这种行为和万有引力相同。这自 然启示我们原子的结构应该像一个微小的太阳系，原子核相当于原子世界中 的一个小太阳，电子相当于原子世界中的行星。太阳系中各行星在太阳的万 有引力下沿着各自的椭圆轨道作稳定的周期运动，一般说来，行星的能量取 的值可以在相当大的范围内从很小到大连续地变化。这样原子也应该是电子 环绕原子核作稳定的运动，电子的能量可以取的值也应该可以在相当大的范 围内从小到大连续地变化。然而电磁学告诉我们，带电粒子作变加速运动的 时候，将不断地向外辐射能量。这样如果电子在原子核的库仑吸引力作用下， 环绕原子核作椭圆运动，则将不断地辐射能量，能量不断地减少，最后势必 掉到原子核上去，根本不可能成为稳定的系统。因此，原子中的电子并不是 简单地绕原子核作椭圆轨道运动。20 世纪初，物理学家探讨原子世界物质结构基本规律时，遇到了几个基本的原有的经典物理学理论不能解释的实验结果，这些问题都和原子结构的 规律有关，这些问题的研究导致对原子世界物质运动基本规律认识的革命。§2 黑体辐射疑难黑体辐射第一个问题是黑体辐射的规律。 物体加热到高温时，就会发光，随着温度的升高，发光的颜色也不断变化，开始时是红光，然后逐渐变黄、变绿、变蓝、变白。实际上物体表面总 是在不断地吸收接收到的电磁辐射，同时又不断地向外发射电磁辐射。物体 表面吸收电磁辐射的能力和发射电磁辐射的能力成正比，吸收能力最强的物 体发射能力也最强。光是一种电磁波，热辐射也是一种电磁波，但它和光不 同，它不能被直接看到。黑色的物体对各种颜色的光都不反射、都吸收，对 热辐射也是都不反射、都吸收。电磁辐射包括的范围很广，波长长的是通常 的无线电长波、中波、短波、超短波、微波，波长再短的是红外线，即热辐 射，然后是可见光：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，接着又是不可见的紫外 线，波长更短的是 X 射线，然后是伽玛射线（见图 2-1）。如果某物体对所 有各种波长的电磁辐射都完全不反射、都完全吸收，就称为“绝对黑体”。 绝对黑体是吸收电磁辐射能力最强的物体，也就是发射电磁辐射能力最强的 物体。当然，实际存在的物体中没有一个是绝对黑体，有些黑色的物体看起 来比较接近黑体，但和严格意义下的绝对黑体仍然有相当的距离。人们发现， 如果有一个有小窗口的黑色内壁闭合空腔，一束电磁辐射从小窗口射进去 后，就很难经过在腔内通过多次反射再穿过小窗口射出来。因此，这个闭合 空腔的小窗就可以近似地看作是一个绝对黑体的表面.紫外灾难　　研究具有一定温度的黑体发射电磁辐射的规律，发射的电磁辐射包括的 波长从很长到相当短的都有，辐射能量随辐射的频率形成一定的分布。如果 黑体的温度很低，发射的电磁辐射主要是频率较低的，即波长较长的电磁辐 射。如果黑体的温度较高，发射的电磁辐射主要是频率较高的，即波长较短 的电磁辐射。1893 年德国物理学家维恩（Wil-helm Wien）发现辐射能量最 大的频率值正比于黑体的绝对温度，并给出辐射能量对频率的分布公式，这 个公式在大部分频率范围内都与实验符合得很好，只在频率很小时与实验符 合得不好（见图 2-2）。既然黑体辐射讨论的是电磁波的发射问题，电磁学 中已经知道，带电粒子或电流作简谐振动时就将辐射电磁波，黑体辐射问题 就应该可以在电磁学的理论基础上讨论解决。1899 年，英国物理学家瑞利（Third Baron Rayleign）和天体物理学家金斯（JamesHopwood Jeans）在 电动力学和统计物理学的基础上从理论上又普遍导出一个辐射能量对频率的 分布公式。在这个公式中，当辐射的频率趋于无穷大时，辐射的能量是发散 的。实际上，这个公式在频率小时与实验符合得很好，但在频率大时与实验 严重不符合（见图 2-2），在这里，经典物理学理论碰到了严重的困难。由 于频率很大的辐射处在紫外线波段，故而这个困难被称为“紫外灾难”。　　19 世纪末，经典物理学体系已经在几乎所有方面都取得了巨大的成功。 当时在许多科学家心中普遍存在着一种乐观的情绪，认为宏伟的科学大厦已 经基本建立起来了，当然还有一些小问题没有解决，后辈的物理学家只要对　　现有的理论进行一些小小的补充和修正就能够解决了。的确，那时经典物理 学已经成为一套相当完美的体系，人们能够用它来解释大到天体运行，小到 烧一壶开水等形形色色的物理现象。但是，正如英国物理学家开尔文（Lord Kelvin）所说的，在物理学晴朗的天空的远处，还存在着两朵“乌云”。其 中一朵指的是迈克尔孙-莫雷实验，它的结果否定了“以太”的存在，最终导 致了相对论的诞生，我们在本书的后面还会提到它；另一朵指的就是“紫外 灾难”，它使物理学家们最终建立了量子力学。这两朵乌云的存在，正在开 始动摇经典物理学的基础，从而引发物理学史上一场伟大的革命。普朗克的量子假说　　为了解决瑞利-金斯公式遇到的困难，1900 年，德国物理学家普朗克（Max Planck）提出量子假说：频率为 v 电磁辐射的发射是按照最小能量单位 hv 的整数倍进行的。这里 h 是一个普适常数，称为普朗克常数。在这个假说的 基础上，普朗克普遍导出一个新的辐射能量对频率的分布公式，这个公式在 频率小时自动回到瑞利-金斯公式，在频率大时又自动回到维恩公式，对所有 频率都与实验符合得很好（见图 2-2）。这个假说太富于革命性了，在它刚被提出时，没有人 　　赞同它，甚至连普朗克本人都不喜欢它。的确，在经典物理学的思想里， 能量是连续的，而在量子假说中，能量只能是一份一份地被发出来，这看上 去是不可思议的。普朗克认为这个假说破坏了物理学的完美，实际上，他还 曾经花费了 15 年的时光来试图找到一种能从经典物理学导出的方法来代替 量子假说以解决科学家们在黑体辐射方面所遇到的困难。但是这个试探没有 成功，只有采用量子假说，黑体辐射的理论才能与实验很好地符合。直到 5 年以后，瑞士美籍德国物理学家爱因斯坦（Albert Einstein）的努力才真正 使人们注意到了量子假说所闪现的光芒。普朗克常数　　既然能量是量子化的，那么为什么我们平时观察到的能量的传递都是连 续的呢？问题的关键在普朗克常数上面，它的数值是h=6.-34J·s　　这个数值实在是太小了，一般可见光的频率在 1015 赫兹的数量级，也就 是说可见光的光量子的能量大约在 10-19 焦耳的数量级，这对于我们平时所接 触到的宏观世界来说实在是微不足道的。就好像我们能望见一望无际的汪洋 大海，却看不到海水里的水分子。同样，我们感觉不到能量子的存在，除非　　我们进入到了原子的尺度，从原子的角度来看待问题，量子效应就变得十分 重要了。　　　　　　　　　　　　　　　§3 光电效应第二个问题是光电效应的规律。　　从 19 世纪末到 20 世纪初的几年中，物理学家发现一个重要的新现象， 金属板在紫外线照射下会发射电子，这个现象称为光电效应，这样发射的电 子称为光电子。经典物理学认为紫外线是波长很短的电磁波，金属板受到电 磁波照射时，从电磁波中接收到能量，而这个能量的大小则取决于电磁波的 强度。当金属板中电子接收到的能量超过电子从金属板中脱出来所需要的能 量时，就会从金属板中脱出而表现为光电子。这样光电子的发射应该与入射 光的频率没有直接关系，而光电子的能量则应该直接由光的强度所决定。按 照这样的光电子产生机理，如果入射光的强度很弱，只要照射的时间足够长， 电子吸收的能量也可以积累到足以从金属板中脱出而成为光电子。然而光电 效应的实验显示出：对于确定的金属板，用频率低于某个阈频率的电磁波照 射时，无论其强度多么大，无论照射的时间多么长，都不会产生光电子；但 用频率高于该阈频率的电磁波照射时，不论电磁波的强度多么小，都会立即 产生光电子，光电子的能量由电磁波的频率决定，光电流的强度正比于照射 电磁波的强度。光电效应的这些实验规律性和经典物理学理论的预期完全不符。　　1905 年，爱因斯坦发展了普朗克的量子理论，对光电效应的规律在量子 理论的基础上给以解释。爱因斯坦认为，不仅电磁辐射的发射是按照最小能 量单位的整数倍进行的，而且在电磁波的传播过程和被吸收时，也都是按照 这个最小能量单位的整数倍进行的，这个电磁波的最小能量单位的实体就称 为光量子。当电磁波照射到金属板上时，金属板上接收到的是大量光量子。 如果电磁波的频率较低，一个光量子的能量小于电子从金属板中脱出所需要 的能量时，电子吸收了一个光量子后也不能从金属板中脱出而表现为光电 子，这样就没有光电流出现。如果电磁波的频率较高，一个光量子的能量大 于电子从金属板中脱出所需要的能量时，电子吸收了一个光量子后就能从金 属板中脱出而表现为光电子，这样就有光电流出现。当然，在这时入射电磁 波的频率越高，光电子的能量越大；入射电磁波的强度越大，光电流的强度 也越大，爱因斯坦关于光电效应的光量子理论很好地解释了光电效应的实验 规律。按照经典物理学的观念，带电物体和电流的周围空间中充满了电磁场，在空间每一点都有一定的电场强度和一定的磁场强度。如果有一个带电粒子 作简谐振动，就将造成周围的电场强度和磁场强度周期性地变化，这种电磁 场的周期性变化传播出去，就是辐射电磁波，通过电磁波把能量传送出去。 简谐振动的频率就是辐射电磁波的频率，简谐振动的振幅大小决定辐射电磁 波的强弱。如果发射电磁波的带电粒子的振动减弱，电磁波的强度也就随之 减弱，通过电磁波传送出去的能量也就减少，原则上可以连续地减弱到零。 按照普朗克和爱因斯坦的量子理论，电磁波不仅仅是电磁场周期性变化的传 播，而且电磁波的发射、传播和吸收的能量都是不连续的，它有一个最小单 元，称为光量子，电磁波的发射和吸收都是按光量子为单位来进行的。电磁 波有双重属性：电磁波是波动，具有波长、频率、位相传播速度等属性，同 时电磁波由光量子组成，光量子是微粒，具有动量、能量、速度等属性，电 磁波的这两方面的属性是紧密联系的。　　　　　　　　　　　　　　§4 氢原子光谱第三个问题是氢原子光谱的规律。 不同颜色的光之间的差别是它们的频率不同，可见光的频率从小到大是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，白光则是这七种颜色光的混合，光谱就是指 光的强度按频率的分布情况。用各种不同元素的蒸汽充实制作的光源发出的 是该种元素的特征光线，各种元素发的光线并不相同，钠光是黄色的，汞光 则是青白色的，各种元素的光谱是识别该元素的特征。各种元素的光谱都不 是连续光谱而是分立的线光谱，到 1885 年时人们已经在可见光和近紫外光谱 区观察到了氢原子的 14 条光谱线，波长最长的一条是红线，以后各条谱线的 强度和谱线间的间隔都随频率的增加而递减，其中可见光的范围内有四条。 年，瑞士巴塞尔女子中学教师兼巴塞尔大学讲师巴耳末（Johann Jakob Balmer）提出了氢原子光谱波长的经验公式1 4 ?
1?B 21 ?n 2 ?n ? 3,4,5 ?? ? 2 ?　　公式中只有一个经验参数 B=3645.6 埃，参数 n=3，4，5，6?，就精确 地给出了氢原子光谱各谱线的波长值，这个光谱线系后来称为巴耳末系（见图 2－3）。1889 年瑞典物理学家里德伯（Johannes Robert Rydberg）给出了一个氢原子光谱各谱线波长普遍的公式1 ?
? H ? m2?n 2 ?这个公式中仍只有一个经验常数 RH=4/B，但出现两个正整数参数 m 和 n，其中 n 要大于 m.m=2 的光谱线就是位于从可见光到紫外线区域的巴耳末系光 谱线；m=1 的光谱线位于紫外线区，1914 年由赖曼（Theodore Lyman）所发 现，称为赖曼系；m=3 的光谱线位于红外线区，1908 年由帕邢（Friedrich Paschen）所发现，称为帕邢系；m=4 的光谱线位于近红外区，称为布喇开（F.Brackett）系（见图 2－3）；m=5 的光谱线位于远红外区，称为芬德（H.A.Pfund）系；m=6 的光谱线位于远红外区，称为汉弗莱（C.S.Humphreys） 系。里德伯公式普遍概括了氢原子光谱线的分布，它给出氢原子光谱的任何 一条谱线的波数都是两个“光谱项”之差，光谱项等于里德伯常数被一个正　　整数的平方去除，而各光谱项的差别仅在于正整数所取的值不同，这个 普遍的经验公式为探索氢原子结构提供了启示和基础。　　　　按经典物理学的观念，电荷或电流的振荡就会发射电磁波。实验显示所 有的原子光谱都是线光谱，这表明原子内部电荷应该可以作相应频率的振 荡。在可以产生振荡的力学系统中，除了有基本频率的振荡外，常常还可以 发生倍频振荡。然而在各种元素的原子光谱中，尽管有很强的规律性，但并 没有观察到倍频光谱线。这表明在经典物理学的基础上很难理解原子光谱显 示的规律性。　　§5 氢原子结构的玻尔模型　　1913 年，丹麦物理学家玻尔（Niels Henrik DavidBohr）提出一个氢原 子模型理论，认为氢原子的原子核是一个质子，原子核带正电，原子核外有 一个电子，带负电，它们之间的电磁相互作用主要是与距离平方成反比的库 仑吸引力。玻尔提出，电子环绕原子核运动时，只有满足一定条件时，运动 才是稳定的。这个稳定性条件称为量子化条件，量子化条件要求电子环绕原 子核运动时的角动量不能取任意值，只能取约化普朗克常数的整数倍。约比 普朗克常数是普朗克常数 h 被 2π除，用符号 h 代表。在许多理论中，大量 出现的是约化普朗克常数，有时也把它简称为普朗克常数。量子化条件的要 求相应地导致稳定氢原子的能量可取值也不能在一定的范围内从小到大连续 地变化，而只能是某些特定的分立值。按照这个模型，稳定状态的氢原子的 能量是负的，并且其值与某一正整数的平方成反比，这个正整数称为主量子 数。　　玻尔提出，当氢原子从一个能量高的稳定状态变到能量较低的稳定状态 时，多余的能量就要以电磁辐射的形式放出，表现为一个有确定能量的光量 子。在玻尔的理论中，除了量子论中新引进的普朗克常数外，没有引进任何 新的常数。按照玻尔的氢原子模型理论，严格地、精确地导出了普遍描述氢 原子光谱的里德伯公式。玻尔的氢原子模型理论是人们认识原子世界的重大的一步，是一个里程碑。再经过 15 年，物理学家们对原子世界物质运动的基本规律有了崭新的认 识，建立了量子力学。　　　　　　　　　　　§6 量子力学的建立物质粒子的双重属性和量子力学的建立　　1924 年，法国物理学家德布罗意（Louis Victor deBroglie）提出在原 子世界中不仅电磁波有双重属性，既是波动，又是微粒，而且所有的物质粒 子也都普遍有双重属性，既是波动，又是微粒。例如电子，人们熟知它是微 小的带电微粒，但它又有波动性质。在电子运动传播时，既表现为一个个电 子的运动传播，又表现为某种“电子波”的运动传播，可以表现出波的干涉、 衍射等现象和特征。正因为物质粒子的这种基本性质，不仅是光量子，一切 物质粒子都只能一个个地被发射和吸收，同时一切物质粒子运动时又都遵循 波动运动传播的基本规律。德布罗意提出具有能量 E 和动量 P 的物质粒子又 表现为频率ν和波长λ的波动，它们之间由普遍公式E=hν，Pλ=h，　　所联系。1927 年，美国物理学家戴维孙（Clinton JosephDavisson）、 革末（Lester Helbert Germer）用电子束投射到镍单晶上，结果观察到和 X 射线照射同样的衍射现象。英国物理学家汤姆生（George Paget Thomson） 通过快速电子穿过薄金属片，也观察到了衍射图样。他们的实验证实了德布 罗意的假设。1925 年，德国物理学家海森伯（Werner Karl Heisen－berg）提出了矩阵力学，1926 年，奥地利物理学家薛定谔（Erwin Schroedinger）提出波动 力学，并且证明矩阵力学和波动力学是等价的，它们是微观世界物质粒子运 动的基本规律，量子力学的不同表述。从 1924 年到 1926 年，物理学经历了 一场巨大的变革，物理学家们认识到微观物质粒子运动的力学规律不再是以 牛顿三定律为基础的经典力学，而是反映物质粒子双重属性的量子力学。物质粒子的双重属性使其运动行为和过去通常的了解很不相同。如果有一个电子，以一个确定的动量运动。按经典力学的了解，粒子将会沿一个直 线轨道做匀速直线运动，并且在任一时刻粒子位置在哪里都是完全确定的。 但是电子的双重属性表现为，当电子以一个确定的动量运动时，也表现为一 个确定波长的电子波沿动量方向传播。然而具有确定波长的波动是一个无穷 长平面波描写的电子，但在任一时刻粒子的位置在哪里却是完全不确定的。 物质粒子的双重属性的一个重要表现是物质粒子的动量的不确定度ΔP 和位 置不确定度Δx 之间满足关系式ΔP·Δx＞ h4?　　因此物质粒子不可能同时具有确定的动量和确定的位置，物质粒子的动 量越确定，位置就越不确定。这个关系式称为不确定关系，反映了原子世界 物质粒子的普遍基本特性。粒子的全同性　　原子世界物质粒子的另一个基本特性是粒子的全同性。粒子的全同性就 是指同一种粒子是完全相同的，不可区分的。考虑两个电子，它们都是带一 个单位的负电荷，具有相同的质量。在开始时给这两个电子编号为一和二，　　如果电子运动有特定的轨道，就可以随着时间的变化沿着电子的轨道追踪， 始终能辨认得出第一号电子和第二号电子。但是由于不确定关系，不能沿着 电子的运动轨道追踪和辨认电子。如果两个电子有微小的差别，比如第一个 电子的质量略重一些，就可以用这个微小差别来区分和辨认两个电子。所有 的电子都是完全相同的，如果发现有一个电子的质量比别的电子确定地重一 些，可以用质量把它和其他电子区分开，则这个重一些的电子实际上并不是 电子，而应该是某种新粒子。物质粒子的全同性还决定了，当几个全同粒子 在一起运动时，可以存在的运动状态只能是能体现物质粒子全同性的状态， 不符合这要求的运动状态根本不能存在。　　原子世界物质粒子体系的运动状态用状态函数描写，能体现物质粒子全 同性的状态有两大类。一类是完全对称状态，这时任意两个全同粒子互相交 换就导致整个状态函数不变，1924 年印度物理学家玻色（Satyendranath Bose）首先研究了这类粒子的统计物理规律。还有一类是完全反对称状态， 这时任意两个全同粒子互相交换就导致整个状态函数变符号，正变负，负变 正，1926 年美籍意大利物理学家费米（Enrico Fermi）首先研究了这类粒子 的统计物理规律。　　所有的粒子都可以有自旋，量子力学给出普遍要求，粒子的自旋角动量 可以用一个称为自旋量子数的量 s 来标志，s 的值可以取 0，1/2，1，3/2，2，?。 它的物理意义在于以约化普朗克常数为单位来表述自旋角动量时，自旋角动 量数值的平方等于 s（s＋1）乘约化普朗克常数的平方，自旋角动量沿某一 特定方向投影的可取值为 s，s-1，?-s+1，-s 乘约化普朗克常数，共 2s+1 个值。各种粒子按自旋角动量的性质分成两大类：自旋量子数 s=0，1，2，? 的全同粒子运动状态是完全对称状态，这类粒子称为玻色子；自旋量子数 s=1/2，3/2，5/2，?的全同粒子运动状态是完全反对称状态，这类粒子称为 费米子。光子的自旋量子数 s=1，是玻色子，电子、质子、中子的自旋量子数 s=1/2，都是费米子。§7 电子的壳层结构　　1925 年美籍奥地利物理学家泡利（Wolfgang ErnstPauli）提出电子的 不相容原理：一个多电子系统中，不能有两个或两个以上电子具有相同的单 粒子运动状态。按照这个不相容原理，在同一个原子里的两个电子不可能同 时具有相同的轨道量子数、角动量量子数和自旋量子数。这个原理是对费米 子普遍适用的，后来被称为泡利不相容原理。　　量子力学建立后，物理学家们将玻尔提出的原子模型理论建立到严格的 量子力学基础上，认为原子中心是一个很重的带正电的原子核，原子核外有 一些带负电的电子运动，它们之间主要是库仑吸引力。电子环绕原子核运动 时，只有满足一定条件时，运动才是稳定的，相应地电子的能量可取的值也 只能是某些特定的分立值，称为能级。按照这个模型，原子各能级的能量是 负的，并且其数值与主量子数 n 的平方成反比，同一主量子数的 2n2 个运动 状态属于同一能级。　　氢原子的原子核外有一个电子，能量最低时电子在 n=1 能级。氦原子的 原子核外有两个电子，能量最低时两个电子都在 n=1 能级。锂原子的原子核 外有 3 个电子，能量最低时两个电子在 n=1 能级，这个能级的运动状态都已 各有一个电子，根据泡利不相容原理，不能再容纳电子，再 有一个电子在 n=2 能级。铍原子的原子核外有 4 个电子，能量最低时 2 个电子在 n=1 能级，这 个能级的运动状态都已填满，再有两个电子都在 n=2 能级。这样随着原子序 数的加大，原子核外的电子数逐渐增多，能量最低时电子按主量子数从小到 大地分层排列。只是当原子序数大时，核外电子数比较多了，电子之间还有 库仑排斥力的作用，造成同一主量子数的各运动状态的能量随电子运动的轨 道角动量不同而能量也有所不同。量子力学给出，电子运动的轨道角动量平 方的可取值是约化普朗克常数平方的 l（l+1）倍，这里 l 称为轨道量子数， 可取值是零或正整数，同一轨道量子数 l 下，轨道角动量沿某一特定方向投 影的可取值为 l、l-1、?、-l+1、-l 倍约化普朗克常数，共有 2l+1 个不同 的运动状态。由于电子是自旋量子数为 1/2 的粒子，自旋角动量沿某特定方 向的投影可以有两个不同的取值。同一轨道量子数 l 下共可以有 4l+2 个不同 的运动状态。在原子中电子所处运动状态的主量子数给定下，轨道量子数只 能比主量子数小，这时同一个能级分裂成几个能级，轨道量子数越大的能级 越高。考察原子序数大的原子，原子核外的电子分层地分布在原子核的周围 运动，能量最低时，电子首先进入能量最低的运动状态，按照能级的高低形 成按主量子数和轨道量子数从低到高填充分布。原子结构的电子分层分布， 是决定各种元素的原子化学性质的物理基础，是元素化学性质周期律的物理基础。§8 元素周期律的物理基础　　到了 19 世纪，人们已经知道，物质是由不同的元素构成的。在每一种元 素被发现的同时，它的原子量也被尽量精确地测定。随着被发现的元素的增 多，科学家们也越来越感到迷惑，因为每一种元素的化学性质都不相同，于 是他们就开始逐渐寻找这些元素之间的联系。19 世纪 60 年代，俄国化学家 门捷列夫（Dmitry Ivanovich Mendeleyev）和德国化学家迈耶（Julius Lothar Meyer）在前人工作的基础上发现，尽管当时已发现的元素已经有几十种，但 是它们的化学性质并不是杂乱无章的，而是可以找到一定的规律的，比如最 轻的金属锂的化学性质就与食盐中所含的一种元素钠的化学性质相仿。他们 总结了这种规律性，而且将当时已经发现的每一个元素按照这种规律性排列 成了一个表格，这就是著名的化学元素周期表。门捷列夫的这个表基本是按 照原子量的顺序排成的，具有类似的性质的元素被排在了同一组。当某一个 元素的性质并不符合它按照顺序应当符合的一组时，他就在这个元素之前留 出一个空位，并且宣布这个空位所在的地方必定被某一个还未被发现的新元 素占据着，这个元素将来一定会被发现，同时他还根据这张表预言了这些元 素的性质。后来，门捷列夫所预言的三个待发现的元素镓、钪、锗都很快就 被发现了，并且它们的性质也证实了门捷列夫的预言。随着时间的推移，元 素周期表中空缺的位置被一个一个地填充，迄今为止，表中的元素已经增加 到了 111 种。量子力学的建立使人们对化学元素周期表有了本质的认识。由于原子核外的电子按泡利不相容原理，依次按能量由低到高占据不同的轨道，而每当 具有某一量子数的轨道全部被占满，而余下的电子则开始占据具有更高量子 数的轨道，在最外层具有相同电子数目的元素就会表现出类似的性质。比如 镁的第一、二层（n=1，2）已被电子填满，第三层（n=3）只有两个电子，即 所谓的“价电子”，而钙的第一、二层（n=1，2）已被填满，第三层（n=3） 也已被填入 8 个电子，属于部分地填满了，第四层（n=4）有 2 个电子，由于 结构的相似，这两种金属就表现出了相似的化学性质，都是正二价的碱土金 属。于是，由于原子物理学的发展人们已经能够从本质上理解门捷列夫的周 期表了。原子光谱的研究对原子的能级结构分布给出丰富的信息，它显示电子还要有自旋角动量，是自旋量子数为 1/2 的费米子，同时还显示出电子还要有 与自旋角动量成正比的自旋磁矩。量子力学普遍给出，带电粒子做轨道运动 时，将要有与轨道角动量成正比的轨道磁矩，比例系数应是该带电粒子电荷 与质量之比的一半。实验显示，电子自旋磁矩与自旋角动量的比例系数则是 电子电荷与质量之比，即是轨道运动时的 2 倍。电子自旋磁矩的这个性质显 得“反常”，但却是实验显示的结果。　　原子核外的电子在广阔的天地中非常活跃地运动。如果测量这些电子的 运动速度，就会发现它们的平均速度至少达到每秒 2188 公里。不同元素的原 子核外的电子数目不同，它们都在大体差不多的区域内运动。原子内部的结 构虽然是很稀松的，但是原子相互之间还是有很强的不可入性，很难把两个 原子压缩使它们重叠起来。当两个原子结合成一个分子时，只在两个原子的 边界区有少量的重叠。　　§9 真空光速疑难　　前面说过，19 世纪末 20 世纪初，物理学晴朗的天空中飘着两朵乌云， 一朵是前面已经提到的“紫外灾难”，另一朵指的就是迈克尔孙-莫雷实验的 结果，与当时物理学家们的期望相反，它否定了“以太”的存在，同“紫外 灾难”一起，猛烈地摇撼着经典物理学大厦的地基。伽利略变换　　我们知道在牛顿的经典力学体系中，一切物理规律在相互作无加速运动 的参考系中都是相同的。空间任何一个质点在两个相互作匀速直线运动的参 考系中的坐标是有一定联系的。假设参考系 S'相对于参考系 S 的 x 轴的正方 向以速度 v 作匀速直线运动，如图 2－4 所示；并且，我们在两个坐标系中使 用同样的计时系统，即 t'=t。在经典物理学的思想里，时间是绝对的，也就 是说，时间的度量可以和参考系的选择无关。因此，这个关于时间的假定也 是完全合理的。这时，如果观察一个质点的运动，那么对于此质点在参考系S 和 S'中的坐标，我们能够得到变换关系式 x=x'+vt， y=y't， z=z'， t=t'，这个变换关系式被称为伽利略（Galileo Galilei）变换。从这个关系式我们还可以得到该质点速度的变换式 vx=v'x+v， vy=v'y， vz=v'z，在能够用伽利略变换联系起来的参考系中，物理规律的形式是不变的。“以太”　　很久以来，光的微粒说与波动说展开了旷日持久的论战。到了 19 世纪 末，波动说已完全占了上风，这要归功于英国物理学家麦克斯韦（James Clerk Maxwell）的卓越贡献，他把经典物理学中的电磁理论发展到了近乎完美的程 度，并预言了无线电波的存在。既然光是一种电磁波，那么它显然应当是一 种波动。至此，波动说似乎已经取得了决定性的胜利。但坚持光的波动说的　　人们面临着一个难题，光传播时所依靠的媒质究竟是什么。我们知道，任何 形式的波动都是要依赖于某种媒质而传播的。例如，声波的传送就是依靠空 气进行的。然而，光波的传送似乎是不依赖于什么物质，在几百万光年、几 千万光年，甚至几亿光年之外的恒星所发出的光能够安安全全地抵达地球， 而光波所穿过的宇宙空间实在是十分空的，甚至平均 1 立方米不到一个原 子，这么稀薄的空间中的物质怎么能够用来转播光线呢？因此，物理学家们 假设，有一种物质，它的存在我们至今没有证明，它就是光的传播所依赖的 物质，这种物质被命名为“以太”。“以太”所在的参考系是绝对静止的惯 性系。根据“以太”的存在所必须肩负的一系列的使命，科学家们总结了“以 太”所应具有的一些特殊性质，例如，由于光是横波，“以太”必须是固体， 而且强度必须非常大，密度极小，充满在所有物质中，并且与任何物质之间 的摩擦力都几乎是零，等等。能够同时具有这些特征的物质简直太不可思议 了，然而，没有“以太”的存在，光的传播问题就无法得到合理的解释。于 是，物理学家们便投入了极大的热情、做了许多的实验去寻找这个传奇般的 物质——“以太”。迈克尔孙-莫雷实验　　由于地球在太阳系中环绕太阳在公转，并且地球还有自转，地面参考系 相对于“以太”显然有运动。光在“以太”中以光速传播，这样地面参考系 相对于“以太”的速度就应该可以在地面的实验中察觉出来。为了测量地面 参考系相对于“以太”的运动速度，1897 年，美国物理学家迈克尔孙（Albert Abraham Michelson）和化学家莫雷（Ed－ward Williams Morley）设计了一 个实验。由于光是一种波动，所以光也具有干涉现象。它们利用迈克尔孙干 涉仪中的一个半透明半反射的平面镜将一束单色光分解成两束并经过两段结 构相似但方向垂直的光路，如图 2－5 所示。这样，当这两列光波存在一定的 位相差时，就会发生干涉。假设地球相对于“以太”以一定的速度运动，那 么，当整个迈克尔孙干涉仪沿着水平面转动一定角度时，这两列波的位相差 就会随着发生变化，这样干涉条纹也就会随之产生一定的位移。他们将整个 仪器放在浸泡在水银中的一块大石板上，从而避免了由于仪器在转动时发生 的畸变对实验造成的影响。同时通过增加光的反射次数使得条纹的观察变得 比较容易。他们根据伽利略变换对这个实验的结果进行了估计，尽管估计出 的位移是很小的，但却是能够测量的。然而，实验的结果却显示，无论干涉 仪旋转到什么角度，干涉条纹都不会发生变化。换句话说，光的速度是不依 赖于参考系的，同时，“以太”的存在也成了一个问题。在此之后，许多人 又反复重复了这个实验，得到的结果仍然同迈克尔孙和莫雷得到的一样。直 到后来，爱因斯坦建立了相对论，物理学家们通过大量的实践，终于认识到 “以太”是不存在的，从此“以太”便退出了历史的舞台。　　§10 狭义相对论　　为了解释迈克尔孙-莫雷实验的否定性结果，爱因斯坦于 1905 年发表了 一篇题目为《论运动物体的电动力学》的论文。在文中爱因斯坦做了两个假 设：一个是相对性假设，他认为在一切相互作匀速直线运动的参考系中，物 理规律都相同；另一个假设就是真空光速恒定假设，他认为真空中光的传播 速度与光源的运动无关。基于这样两条假设，爱因斯坦创立了狭义相对论。 对于第二条假设当时有许多人并不赞同，但是在随后进行的大量实验结果， 都证实了这个假设的正确性。同时，由于真空中的光速具有不变性，它也就 成为自然界的基本常数之一。最新确定的真空中的光速为　　　　　　　　　　c=m·s-1。 在狭义相对论中，不再使用伽利略变换，而是利用荷兰物理学家洛仑兹（Hendrik Antoon Lorentz）提出的更普遍的变换，即洛仑兹变换，实际上， 伽利略变换就是洛仑兹变换在低速情形时的极限。为了简单起见，同样假设 参考系 S'相对于参考系 S 的 x 轴的正方向以速度 v 作匀速直线运动，并且假 设两个坐标系的三个坐标轴的方向都相同，如图 2－4 所示；而且当 t'=0 时 两个参考系的坐标原点重合，这时 t=0。这样在时刻 t=0 时，从 S 参考系和 S'参考系共同的坐标原点发出的球面光波的波前在 S 考考系中满足方程　　　　　　　　　　　　c2t2-（x2+y2+z2）=0；同样，这个波前在 S'参考系中满足方程
c2t'2-（x'2+y'2+z'2）=0。* 由此，我们可以导出
x? ?x ? vt,v21 ?
c 2y? ? y,z? ? z,vt ?
,v21 ?　　　　　　　　　　　　　　　　　c2这就是洛仑兹变换。它的逆变换是x ? ? vt ?x ? ，v 21 ?y ? y ?，z ? z?，t ? ?c2v2
，v 21 ? c2这就是狭义相对论所依赖的基本关系式。 理论物理学曾研究两个相对做匀速直线运动的参考系之间的坐标变换关系的普遍形式。如果不假定时间是绝对的，但是假定时间是单向的、均匀的， 空间是均匀的、各向同性的，则可以推导出两个相对做匀速直线运动的参考 系之间的坐标变换关系的普遍形式就是洛仑兹变换，只是其中出现的参数 c 是一个量纲为速度的普适常数。它的物理意义是一切物体运动的极限速度， 任何一个物体在任何参考系中的运动速度都不能超过 c。如果一个运动物体 在一个参考系中的运动速度为 c，则它在相对于这个参考系做匀速直线运动 的任意参考系中的速度都是 c。如果这个极限速度趋于无穷大，洛仑兹变换 就还原到伽利略变换。由此可见，洛仑兹变换是更普遍的变换，伽利略变换 只是它的一个特殊情形。狭义相对论中的真空光速恒定假设实际上就是确认 了真空光速就是洛仑兹变换中的极限速度。§11 时间和空间的相对性　　狭义相对论最重要的思想就是否定了时间和空间的绝对性。在狭义相对 论的理论中，只有真空中的光速是不变的，事件的因果关系是绝对的。爱因 斯坦放弃了经典物理学中绝对时间和绝对空间的概念，建立了一套全新的时 空观，认为时间和空间是紧密相连的，统一称之为“时空”。并且由此可以 引出同时的相对性、运动物体沿运动方向的长度收缩和运动时钟延缓等现 象。这些现象虽然在我们的日常生活中是很难被观察到的，但是在现代物理 学和天文学的研究中却起着极为重要的作用。同时的相对性　　由于时间的相对性，“同时”的概念也就具有了相对性。在一个参考系 中的不同地点同时发生的两个事件，在另外一个相对于它运动的参考系中观 察却是先后发生的。这是怎么发生的呢？当人们说两个事件是同时发生的， 必定是指他们通过某种方式“观察”到了两个事件的同时发生，也就是说， 当他们处于两个事件的中点时，或者是他们听到了两个事件发出的声音，或 者是他们看到了两个事件发出的光线。假如有一个很长的火车站，有一个观 察者站在站台中点进行观察，在站台两端各用闪光灯闪了一下，如果观察者 同时接收到这两个闪光信号，则这个观察者必然作出结论说这两个闪光是同 时发生的。但如果这个过程中有一列高速火车开过站台，在火车上中点处也 有一个观察者，他就将先接收到迎面来的信号，后接收到从车尾方向追过来 的信号，他就会作出结论说这两个闪光不是同时的，车头方向的闪光先闪。 这样，同时性就不再具有绝对的含义了，它是与参考系的选择有关的。一般 说来，如果在不同时间、不同空间位置发生的两个事件 A 和 B，在一个参考 系中观察是同时发生的，在另一个参考系中观察就可能是 A 先于 B 发生，再 换一个参考系中观察又可能是 B 先于 A 发生。时间是否同时，先后次序都是 相对的了，这就是时间的相对性，同时的相对性。因果关系的绝对性　　如果两个事件 A 和 B 之间是可以有因果关系的，事件 A 和 B 之间一定可 以通过小于或等于真空光速的信号联系起来，这时事件 A 和 B 的时间顺序就 是绝对的了。在任何参考系中来看，都是“因”在前，“果”在后，不会因 果时间顺序互换，不会在某个参考系中就“倒因为果”，这就是因果关系的 绝对性。四维时空间隔　　如果有两个事件 A 和 B，在某个参考系中进行观察，把它们空间距离的 平方减去时间间隔的平方乘真空光速的平方称为这两个事件的四维时空间隔 的平方。这个量的值是不随参考系的选择而变的，反映了事件 A 和 B 的联系。 如果四维时空间隔的平方大于零，则称间隔是类空的，这反映事件 A 和 B 之 间不会有因果联系。如果四维时空间隔的平方小于零，则称间隔是类时的，　　这反映事件 A 和 B 之间可以有因果联系。如果四维时空间隔的平方等于零， 则称间隔是类光的，这反映事件 A 和 B 之间可以有通过真空光速传播的信号 的因果联系。同时的相对性发生在类空间隔的事件之间，因果关系的绝对性 出现在类时间隔和类光间隔的事件之间。运动方向上的长度收缩　　运动物体沿运动方向的长度收缩是由狭义相对对论可以导出的一个重要 的现象。假如有一把尺沿着 x 轴放置，在相对于它静止的 S 参考系中长度是 L0，称为自然长度或原长，那么在相对于它运动的 S'参考系中观察它有多长 呢？在 S 参考系中有　　在 S'参考系中有L0=x2-x1，L=x'2-x'1，由洛仑兹变换关系式，并考虑 t’1=t’2，有L0=x2-x1=γ（x'2-x'1）=γL，其中1?
? ，v21 ?　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　c2由此得出L=L0/γ。由于γ总是大于 1，上式说明在运动的参考系中观察，在参考系的运动方向上长度收缩了。运动时钟的延缓　　运动时钟的延缓是由狭义相对论导出的另一个重要的现象。假设使用相 对于 S 参考系静止的时钟测量一段时间间隔，且测量结果为τ0，称为原时，则有τ0=t2-t1，　　同样，如果使用相对于这个时钟运动的 S'参考系中的时钟来测量这段时 间间隔，并且考虑到 x1=x2，则有
τ=t'2-t'1=γ（t2-t1）=γτ0. 所以，总是能够得到τ大于τ0 的结果。也就是说当我们在某个参考系中去观察另一个参考系中的事件过程所用的时间τ总是大于在那个参考系中测 到的时间τ0，这就说明，物体在运动中的物理过程的节奏会变慢。这个性质 在高能物理的研究中起着很大的作用，因为，许多粒子的寿命都是非常短的， 这是观测中的一大障碍，但是，当粒子以接近光速的速度相对于观察者运动 时，在观察者看来，它们的寿命就会大大地“延长”，从而达到可以观测的 程度。有一种介子称为 K-介子，是一种不稳定的粒子，静止时的平均寿命是12.371 纳秒，这样当 K-介子产生后，经过 12.371 纳秒，就衰变到只剩下原来数量的 36.79％了。如果想要用这种 K-介子再去碰撞别的粒子以产生反 应，就需要让 K-介子在产生后飞出一段距离去碰别的粒子。如果这段距离取作 5 米，按 K-分子以接近光速运动估计，不考虑时钟延缓的效应，经过 5 米 后，大部分的 K-介子将衰变掉，将只剩下原来数量的 26.00％的 K-介子可以 用于碰撞了，这当然是效率很低的了。然而由于相对论的时钟延缓效应，情 况要有利得多。如果 K-介子产生时获得动量为 2.OGeV/c，考虑到 K-介子的质 量为 0.493677GeV/c2，可以推算出经过 5 米后，K-介子将只衰变掉很小的一 部分，还剩下原来数量的 71.69％的 K-介子可以用于碰撞，这当然是效率很 高的了，这高效率的来由是“相对论时钟延缓”。　　由运动时钟延缓，曾经有一个关于“双生子佯谬”的有趣争论。有人问， 如果对于一个观察者运动的物体的内部物理节奏都会变慢，那么，假设有一 对双生子，具有一样的年龄，它们中的一个登上了宇宙飞船，以很高的速度 到宇宙中去邀游，而另外一个则留在了地球上。这时对于这两个双生子来说， 每一个人都看到另一个人以很高的速度离自己而去，并且对方的生理节奏都 放慢了，过了一段时光，乘宇宙飞船的那一个返回了地球，这时，根据狭义 相对论，好像每个人都应该觉得对方年轻了。当然，这是不可能的。实际上， 那个进行旅行的双生子确实由于相对论效应而变得年轻了。他曾经通过相对 惯性系作加速运动达到旅行的速度，然后逐渐减速到停止，再反向加速，再 旅行，再减速，最后回到地球，于是，经过这样一个复杂的过程，他就比他 的同胞兄弟年轻了一些。　　§12 物体的极限速度　　如果一辆火车以每小时 72 公里的速度开行，也就是每秒 20 米的速度前 进，车上有一位乘客向前方扔一块石头，速度是每秒 10 米。那么在地面上的 观察者看来，毫无疑问石头的速度是向前每秒 30 米。如果这石头是向后方扔 的，在地面上的观察者看来，石头的速度实际是向前每秒 10 米。然而当速度 很高时，狭义相对论告诉我们，这个速度相加公式不对了，需要从洛仑兹变 换出发推导相对论的速度相加公式。如果火车以速度 V 行驶，火车上有一个 物体以速度 v'向同一方向运动，那么在地面的观察者来看，物体的速度 v 为v ? ? Vv ? v ?V .1 ?
c2　　从这个公式可以看出，速度相加有一个上限，永远不能超过真空光速 c. 如果 V 和 v'都小于真空光速 c，则 v 也一定小于真空光速 c.如果 V 和 v'中有 一个等于真空光速 c，则 v 也一定等于真空光速 c.由此可以看出真空光速 c 是狭义相对论给出的物体加速时速度能达到的极限，也就是信号传播的极限 速度。　　　　　　　　§13 质量和能量的联系在狭义相对论中，爱因斯坦给出了一个优美的关系式 E=mc2，　　这就是质能关系。这个关系把质量和能量联系到一起，爱因斯坦通过它 向人们揭示出物体所具有的全部能量正比于该物体的质量。所以，在粒子物 理学中，所有粒子的质量都是用能量标度的。另外，当一个物体运动时，它 的质量也不是一成不变的，它将随着这个物体运动速度 v 的增加而增加。上 式中的质量 m 就是这个变化的质量，它和我们平时所说的质量之间有如下的 关系mm ?
，v21 ? c2在这个关系式中，m0 被称为静止质量。当一个物体以接近真空光速的速度运动时，如果通过增加物体动量的办法，如燃烧燃料等，想给物体加速， 那么实际上物体的速度增加不了多少，而能量都将耗费在增加物体的质量 上。所以，当一个粒子以很高的速度运动时，想要继续增加它的速度往往是 一件很不容易的事。对于任何一个运动着的质点，它都具有动量　　　　　　　　　　　　　P=mv， 因此，利用质能方程，可以得到关系式2
2E ? m 0c? P
.如果将质点的总能量分为静止能量，即静止质量 m0 乘真空光速的平方，和运动能量，即动能 T 两部分，那么还可以得到动能的表达式2 2
2 2T ? E ? m0c
c? m0 c一般说来，当人们说能量为多少的某粒子时，指的就是它的总能量。 质能关系是研究高能物理中粒子的运动、产生和湮灭，以及它们之间的相互作用的基础。而且，它的提出对世界发展产生了深远的影响，为核能的利用、原子武器的研制奠定了理论基础。现在核能已经成为一种最有发展前 途的能量来源，如何更合理地利用核能源已经越来越受到人们的重视。由于相对论是极具有革命性的理论，在科学界，就像普朗克的量子假说一样，在其诞生之初也遇到过怀疑。但与量子假说不同的是，爱因斯坦对自 己创立的相对论始终抱着坚信的态度。同时由于爱因斯坦是犹太人，相对论 还曾受到纳粹的攻击，勒纳（Phillip Lenard）等一批科学家曾经联合撰文， 声称有 100 位教授证明爱因斯坦是错的，对此，爱因斯坦认为，只要能够真 正证明相对论是错的，一个人出面就足够了。　　事实上，我们在日常生活中所遇到的现象大多数用经典物理学就已经能 够很好地解释了，但是在研究能量很高、速度很大的粒子的运动时，就不得 不考虑到相对论性效应，而且在粒子的湮灭与产生时，也不得不利用那个优 美的质能关系方程。　　相对论的创立使物理学的研究摆脱了经典物理学思想的束缚，同量子力 学一起完成了现代物理学上的一场深远的革命，为现代物理学和天文学的研 究展示了一个广泛的前景。　　第三章 物质的聚集状态
成为本站VIP会员,
若未注册,请点击 成为本站会员.
版权声明：本站所有电子书均来自互联网。如果您发现有任何侵犯您权益的情况，请立即和我们联系，我们会及时作相关处理。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
蓝田玉PDF文档网致力于建设中国最大的PDF格式电子书的收集和下载服务！