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金戈铁马

五千年沧海桑田我原过客,九万里风起云涌谁能留诗(本博客所有日志均为原创)

 
 
 

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金戈铁马东风过,万里奔腾一路歌,正是苍山云起时,溶入霞群浴金波

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《帅领风骚十几年》  

2008-01-20 19:48:24|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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文前小绪:此文为我大学时代的一篇读书随笔。当时,选修课《原子物理学》的导师宣布该课程不进行闭卷考试,仅要求每人写一篇读书笔记。学友们都大大松了口气,我却感到压力更大了。认为要马糊过关很容易,但是,真正写好一篇读书笔记却很不容易。联系到如今我们国家大力提倡的建立学习创新型社会和方兴未艾的考试经济,如何协调两者的关系,使之和谐发展,培养更多的自主创新型人才;力求避免陷入“八股考试”和“洋本认证”的泥潭,这是一个值得深入探讨的问题。既不能否定考试在大范围内培训和选拔人才的重要作用,又不能完全寄希望于考出大师来,并以考代替一切。据不完全统计,全世界各学科领域的一流大师,几乎没有一个是通过一系列考试考出来的。新年伊始,谨以此文与博览群书,思考问题,探索人文和创新科技的朋友们共勉;希望更多的年青朋友能在各自从事的领域内帅领风骚十几年。
         
                                                            《帅领风骚十几年》

        原子物理学是研究物质微观结构的学说。这是更深入更基本的物理问题。多少世纪以来它一直为广大物理学者所关注。但是,由于种种原因建立在科学基础上的原子学说一直到近二、三百年内才发展起来,而它的阔步前进则发生在十九世纪末期。
    1906年汤姆逊(Thomson.Joseph John 1856-1940)根据前人的研究提出了一个原子结构模型。设想原子是一个带正电的球,电子嵌在那里面,象葡萄干嵌在果子面包里似的,这些电子能在平衡位置作简谐振动。就是这样一个原子模型似乎能够把当时所能知道的实验结果和理论考虑都归纳进去。但是,人们对于原子的认识并没有到此为止。
    从1903年起直到多年以后,勒纳特都发现β粒子很容易穿过原子,所以原子内部必定有广阔的空间。尤其成问题的是α粒子,因为它跟原子发生猛烈地碰撞时,产生了出人意料的大角度散射,这是基于汤姆逊模型怎么也说明不了的。正是基于上述原因,促使卢瑟福(Rutherford Ernest 1871-1937)对H·盖革和E·马尔斯登的α粒子散射实验作了著名的分析,并于1911年提出了以他自己名字命名的新的原子模型,来说明这种异常的碰撞现象。他指出:原子的正电荷必定集中在一个微小而较重的原子核上,原子中的电子并不是象汤姆逊模型那样嵌在原子里,而必然是相对来说离核极其遥远,且绕核飞转。各电子的负电荷之和恰好与原子核正电荷相抵消,整个结构和一个微型太阳系惟妙惟肖。在这个核式模型的基础上,卢瑟福推导出一系列有关公式,并从数学上证明了实验数据的非常确凿性。就是如此一个原子的核式模型在卢瑟福提出后很快被人们接受,认为它代表了原子的真实情况。
    可是情况并不象人们所想象的那么理想。根据麦克斯韦的经典电动力学理论,卢瑟福的原子模型就成了一个讲不通的结构。它有两点与事实不符:第一、经典电动力学认为电子在绕核运动时,不但会以连续辐射方式放出自己的能量,而且在释放能量的同时,会迅速地沿螺旋线一直缩进核里去。假如原子真的是卢瑟福模型那种式样的东西,它怎么可能存在一段时间呢?第二、按电动力学理论推断原子的发光频率等于电子运动频率,而轨道的连续变化,那么原子光谱就应该是连续光谱。但是,这一理论推断却与实验事实恰恰相反,原子光谱的谱线是分隔的,其代表着一些彼此分隔具有一定数值的频率。凡此种种,经典理论遇到了前所未有的困难。
    鉴于这种困境,玻尔于1913年在仔细地分析了巴耳末及其追随者所发现的有关氢原子光谱公式的基础上,以其精明的思辩和卓越的见识在原子模型中断然引入量子化条件:2πr·mv = 2πmvr = nh (几乎可以认为它们是硬塞进其理论体系中的。此举,如果没有大丈夫舍我其谁的英雄气概是绝对办不到),进而通过一系列简洁明了的数学推导,玻尔第一个把光谱事实纳入了一个理论体系中。在卢瑟福的核式模型的基础上,进一步提出了一个动态的原子结构轮廓,强调了经典物理规律不能完全适用于原子结构内部,提出了微观体系所特有的量子规律:即电子在绕核运行中,除了特选的一组轨道外,拒绝其它一切轨道,并容许它从一个轨道跃迁到另一个轨道,只要其能量差为hυ的整数倍。此后,索末菲等人更进一步的发展和完善了玻尔理论。玻尔理论具有简单漂亮的数学形式。其和氢原子光谱实验数据的吻合程度,超过了人们对它的期望,这正是这个新理论的特别成功之处。
    玻尔理论虽然有很大的成就,具有重要地位,但也有很大的局限性。它除了对氢原子或类氢离子的光谱频率能作出解释外,对稍微复杂一些的原子就显得无能为力了。玻尔理论还不包括对光谱线强度的处理。
    玻尔理论的问题在于理论结构本身。这个理论作了一些在经典定律中所没有的假设,从而抛弃了经典电动力学的有关理论;而引入量子化条件又没有理论根据,是一个半经典半量子的理论。其缺乏逻辑的统一性是显而易见的。
    对此,我们必须以历史的角度看问题。玻尔理论毕竟是在一种摇晃不定矛盾百出的基础上产生的。“仅凭这样的基础,竟足以供一个具有像玻尔那样独特才能和机智的人发现光谱线原子中电子壳层的主要定律以及它们对化学的意义。这件事对于我们来说,就像是一个奇迹.而且即使在今天,在我看来仍然是一个奇迹,这是思想领域中最高的音乐神韵。”(爱因斯坦语)
    然而,玻尔本人并没有被其理论的巨大成功所迷惑。他清楚地看到一些理论预言和实验数据最早的令人不安的不一致,即使求助于对应原理也无法掩饰其内在的矛盾。有的光谱观察还表明,量子数往往根本就不是整数,而是半整数。这又是一个玻尔理论无法解释的事情。所以玻尔认为他自己的理论只是在探求更加前后一致的理论中的一个中间步骤。这样的理论现在已经有了,即在一九二五年发表的一个新的理论体系----量子力学。
    一个能有这样显著成就的学说,竟注定要在其创始仅仅十二年之后被一手推开。这只能表明在那个时代科学前进的巨大步伐。玻尔理论是在一个瞬息万变的世界上,勇敢地站立,勇敢地保住生存的。它竟然那么快退出历史的舞台。这并不能丝毫减损它的光荣。它毕竟鼓舞了玻尔和其他一些物理学家去尝试建立原子的量子理论,也正是在它的成功的激励下,才逐建地发现了那些使它不符,使其没落的明显原因。要不是玻尔理论先已勘探了荒野,指明了方向,为后来的接替它的那些崇高的理论铺平了道路。很难想像量子力学能闯过不稳的婴儿时代,而迅猛地发展起来,为全世界物理学者所瞩目。
    玻尔理论开创了一代新风,奠定了玻尔作为原子物理学精神领袖的地位。岂知能有幸在自然科学领域内“帅领风骚十几年”已属莫大的荣耀了。玻尔理论启发了当时原子物理学向前发展的途径,推动了新的实验和理论研究工作。这个理论承先启后,是原子物理学中的一个重要的里程碑。其历史功勋是不可磨灭的。我们学习玻尔理论,是为了按照人类认识发展的历史进程由浅入深地了解和掌握微观体系的客观规律。玻尔理论到目前为止,在物理学中仍然是有用的。它是我们攀登量子力学理论高峰不可缺少的阶梯。
  

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