现代科技 八、物理学危机与物理学革命 (一)19世纪末物理学的三大发现及其意义 1.电子的发现:19世纪下半叶,人们在研究放电现象时发现,在放电管内的气体足够稀薄的情况 下,阴极便发出一种射线,这就是阴极射线。阴极射线究竟是什么东西?英国物理学家J.J汤姆孙指 出,阴极射线为带电微粒所组成。他决心以实验来证明这一点 A.1897年汤姆孙公布了研究结果,既确认了阴极射线是带负电的微粒子流,又测定了这些微粒子 所带电荷与其质量之比即荷质比。据此他推断,构成阴极射线的微粒子的质量比氢离子小得很多 后来他更认定,这种微粒就是基本电荷的负载者,也就是“电子”。 B.电子的发现不仅使电学的研究深入一个层次,而且打破了以往以为原子不可分的传统观念,为 物质结构的研究深入到一个层次开辟了道路 2.X射线的发现:ⅹ射线也是在研究阴极射线时偶然发现的。1895年末,德国物理学家伦琴在研 究阴极射线时偶然注意到一种奇特的现象。他把放电管用黑纸包裏起来在暗室里做实验时,忽然注 意到离放电管几十厘米远的荧屏出现了亮光。他取来书本、木板、铝片等多种物件加以阻挡,看到 其中有些东西能使荧屏停止发光,有些东西则毫无影响。人们已经知道阴极射线是不能穿透玻璃壁 的,伦琴于是断定 放电管在工作时除了产生阴极射线之外,必定还发出第二种穿透力很强而又看不见的射线。为了确 证他的发现和进一步了解这种射线的特性,他连续几个星期废寝忘食地重复他的实验,在这年的年 底公布了他的发现。他称这种射线为“X射线”(“X”通常用于表示“未知”的意思),表明他对这 种射线的本质尚无所知 A.X射线是在研究阴极射线的本质时由德国物理学家伦琴发现的。X射线发现之后,直到1912年 德国物理学家劳厄才证实它是一种波长很短的电磁波。后来人们又弄明白X射线是原子的内层电子跃 迁所产生的电磁辐射 B.X射线的发现扩展了人们对电磁波的认知范围。现在它已经广泛应用于医学,在科学研究上(尤 其是晶体结构的研究)和工业上(如金属制品的探伤)以及在其他许多领域里也有广泛而重要的用途。 3.放射性的发现:当放电管产生阴极射线时,面对阴极的玻璃壁发出荧光,那时有不少人误以为 荧光是X射线的来源,法国巴黎工艺学院教授贝可勒尔也是其中之一。1896年的一天,他把一种能够 发出荧光的物质——硫酸钾铀酰置于用黑纸严密包封的照相底片上,一并放在阳光下照射几个小 时,他的意图是使硫酸钾铀酰发出较强的荧光,用以观察荧光对底片的作用。当他随后检验那些底 片时,看到它们是感光了。他因此以为可以证实X射线是由荧光产生的。但几天以后的事实却表明他 错了。那时巴黎连续两天阴天,他无法继续他的实验,便把那些密封的底片放到黑暗的抽屉里,硫 酸钾铀酰也顺手放在底片上面。又过了几天,他想象那些硫酸钾铀酰未经阳光长时间照射,所发荧 光不强,底片上的暗影必定很淡,于是便把它冲洗出来看个究竟。结果是他看到底片上暗影的颜色 依然很深。他终于认识到,使底片感光的辐射与荧光并没有联系,而只与硫酸钾铀酰这种物质直接 有关。又经过反复的实验研究,几天之后他就弄明白所有铀盐都能自发发出某种辐射,这种辐射不 仅能在照相底片上留下痕迹,并能使气体离子化而成为导电体 A.现在我们把物质能自发产生某种辐射的性质叫做放射性,那些能自行发生辐射的物质叫做放射 性物质。放射性的产生是一种元素的原子蜕变为另一种元素的原子时所发生的现象,这些原子放出 某种粒子后便自发地转变成为另一种元素的原子,直至不再发生蜕变,不再具有放射性。 B.近代科学家都认为一种化学元素是绝对不会变成另一种化学元素的,放射性的发现,使科学 界大为震惊。这一发现不仅在物理学发展史上有重要意义,也开创了后来放射化学研究的新领域
现代科技 八、物理学危机与物理学革命 (一)19世纪末物理学的三大发现及其意义 1．电子的发现：19世纪下半叶，人们在研究放电现象时发现，在放电管内的气体足够稀薄的情况 下，阴极便发出一种射线，这就是阴极射线。阴极射线究竟是什么东西?英国物理学家J．J汤姆孙指 出，阴极射线为带电微粒所组成。他决心以实验来证明这一点。 A．1897年汤姆孙公布了研究结果，既确认了阴极射线是带负电的微粒子流，又测定了这些微粒子 所带电荷与其质量之比即荷质比。据此他推断，构成阴极射线的微粒子的质量比氢离子小得很多。 后来他更认定，这种微粒就是基本电荷的负载者，也就是“电子”。 B．电子的发现不仅使电学的研究深入一个层次，而且打破了以往以为原子不可分的传统观念，为 物质结构的研究深入到一个层次开辟了道路。 2．X射线的发现：X射线也是在研究阴极射线时偶然发现的。1895年末，德国物理学家伦琴在研 究阴极射线时偶然注意到一种奇特的现象。他把放电管用黑纸包裹起来在暗室里做实验时，忽然注 意到离放电管几十厘米远的荧屏出现了亮光。他取来书本、木板、铝片等多种物件加以阻挡，看到 其中有些东西能使荧屏停止发光，有些东西则毫无影响。人们已经知道阴极射线是不能穿透玻璃壁 的，伦琴于是断定， 放电管在工作时除了产生阴极射线之外，必定还发出第二种穿透力很强而又看不见的射线。为了确 证他的发现和进一步了解这种射线的特性，他连续几个星期废寝忘食地重复他的实验，在这年的年 底公布了他的发现。他称这种射线为“X射线”(“X”通常用于表示“未知”的意思)，表明他对这 种射线的本质尚无所知。 A．X射线是在研究阴极射线的本质时由德国物理学家伦琴发现的。X射线发现之后，直到1912年 德国物理学家劳厄才证实它是一种波长很短的电磁波。后来人们又弄明白X射线是原子的内层电子跃 迁所产生的电磁辐射。 B．X射线的发现扩展了人们对电磁波的认知范围。现在它已经广泛应用于医学，在科学研究上(尤 其是晶体结构的研究)和工业上(如金属制品的探伤)以及在其他许多领域里也有广泛而重要的用途。 3．放射性的发现：当放电管产生阴极射线时，面对阴极的玻璃壁发出荧光，那时有不少人误以为 荧光是X射线的来源，法国巴黎工艺学院教授贝可勒尔也是其中之一。1896年的一天，他把一种能够 发出荧光的物质——硫酸钾铀酰置于用黑纸严密包封的照相底片上，一并放在阳光下照射几个小 时，他的意图是使硫酸钾铀酰发出较强的荧光，用以观察荧光对底片的作用。当他随后检验那些底 片时，看到它们是感光了。他因此以为可以证实X射线是由荧光产生的。但几天以后的事实却表明他 错了。那时巴黎连续两天阴天，他无法继续他的实验，便把那些密封的底片放到黑暗的抽屉里，硫 酸钾铀酰也顺手放在底片上面。又过了几天，他想象那些硫酸钾铀酰未经阳光长时间照射，所发荧 光不强，底片上的暗影必定很淡，于是便把它冲洗出来看个究竟。结果是他看到底片上暗影的颜色 依然很深。他终于认识到，使底片感光的辐射与荧光并没有联系，而只与硫酸钾铀酰这种物质直接 有关。又经过反复的实验研究，几天之后他就弄明白所有铀盐都能自发发出某种辐射，这种辐射不 仅能在照相底片上留下痕迹，并能使气体离子化而成为导电体。 A．现在我们把物质能自发产生某种辐射的性质叫做放射性，那些能自行发生辐射的物质叫做放射 性物质。放射性的产生是一种元素的原子蜕变为另一种元素的原子时所发生的现象，这些原子放出 某种粒子后便自发地转变成为另一种元素的原子，直至不再发生蜕变，不再具有放射性。 B．近代科学家都认为一种化学元素是绝对不会变成另一种化学元素的，放射性的发现，使科学 界大为震惊。这一发现不仅在物理学发展史上有重要意义，也开创了后来放射化学研究的新领域
(二)物理学危机的实质 1.危机的产生:19世纪末的三大发现本是世纪之初令人十分振奋的重大事件,然而却使当时的物 理学界十分困惑。过去物理学家们都把元素不变和原子不可分作为物质存在的基本出发点,现在突 然发现这是不正确的。一种元素会转变为另一种元素,原子也不是不可分的,原先的物质概念发生 问题了。那么物质究竟是什么?许多人糊涂了。事情还并不是到此为止,还有一些更为严峻的事实摆 到了物理学家的面前,那就是W.汤姆孙所说的那两朵小小的乌云,它们竟然发展成为狂风暴雨 更加猛烈地冲击着物理学大厦的根基。接二连三出现的事实,使物理学家们产生了这样的错觉,似 乎由他们辛辛苦苦地建造起来的大厦就要坍塌,这就是人们所谓的“物理学危机” 2.危机的实质:物理学天空上的乌云所招致的狂风暴雨并不是物理学自身的危机,它只不过表 明,以往的物理学理论达到了它的认识上的界限。过去那些物理学的观念、理论和方法实际上只适 用于低速运动和宏观领域,当物理学进展到高速运动和微观领域的时候,那一切人们已经十分熟悉 的东西不够用或者不适用了。后来物理学分别建造了相对论和量子论,从此物理学又达到了新的境 界 (三)相对论的基本假设 在狭义相对论中,爱因斯坦提出了这样两个基本假设: 凡对力学方程适用的一切坐标系,对电动力学和光学也同样适用:或者说,物理学定律在所有 惯性系中都是相同的,不存在一种特殊的惯性系。这就是伽利略相对性原理的推广,亦称“狭义相 对性原理” 2.在所有惯性系内,光在真空中的速度与发射体的运动状态无关,亦称“光速不变原理”。 (四)相对论的要点 从两个基本假设出发,爱因斯坦推出了相对论的要点,其内容如下: 1.一个物体相对于观察者静止时,它的长度的测量值最大。如果它相对于观察者以某一速度运 动,它的测量长度要缩短,速度越大缩短越多。或者简单地说:相对于静止的观察者,运动着的尺 子要缩短 2.一个时钟相对于观察者静止时,它走得最快。如果它相对于观察者以某一速度运动,它的走时 要变慢,速度越快走得越慢。或者简单地说,相对于静止的观察者,运动着的时钟要变慢 3.在惯性系中,任何物体的运动速度都不能超过真空中的光速。光速是物体运动速度的极限。 4.如果物体的运动速度比光速小得多,相对论力学就还原为经典力学。 相对论并没有否定经典力学,而是包容了经典力学又高于经典力学,在更高的层次上实现了力 学的综合。相对论的建立是物理学革命的重大成果之一,也是科学发展史上的一个重要里程碑 (五)相对论时空观与绝对时空观的对立 相对论拨开了人们自己造成的迷雾,彻底地否定了作为经典力学基础的绝对时空和时空与物质 不相联系的观念,揭示了时间和空间的统一性,时间、空间与物质运动的统一性,使人们豁然开 朗 牛顿的绝对时空观认为,时间、空间与物质运动没有关系,时间和空间也是完全不同的东西。相 对论证明,时间和空间将随着物质运动状态的改变而改变,时间和空间二者都是物质运动的属性
(二)物理学危机的实质 1．危机的产生：19世纪末的三大发现本是世纪之初令人十分振奋的重大事件，然而却使当时的物 理学界十分困惑。过去物理学家们都把元素不变和原子不可分作为物质存在的基本出发点，现在突 然发现这是不正确的。一种元素会转变为另一种元素，原子也不是不可分的，原先的物质概念发生 问题了。那么物质究竟是什么?许多人糊涂了。事情还并不是到此为止，还有一些更为严峻的事实摆 到了物理学家的面前，那就是W．汤姆孙所说的那两朵小小的乌云，它们竟然发展成为狂风暴雨， 更加猛烈地冲击着物理学大厦的根基。接二连三出现的事实，使物理学家们产生了这样的错觉，似 乎由他们辛辛苦苦地建造起来的大厦就要坍塌，这就是人们所谓的“物理学危机”。 2．危机的实质：物理学天空上的乌云所招致的狂风暴雨并不是物理学自身的危机，它只不过表 明，以往的物理学理论达到了它的认识上的界限。过去那些物理学的观念、理论和方法实际上只适 用于低速运动和宏观领域，当物理学进展到高速运动和微观领域的时候，那一切人们已经十分熟悉 的东西不够用或者不适用了。后来物理学分别建造了相对论和量子论，从此物理学又达到了新的境 界。 (三)相对论的基本假设 在狭义相对论中，爱因斯坦提出了这样两个基本假设： 1．凡对力学方程适用的一切坐标系，对电动力学和光学也同样适用；或者说，物理学定律在所有 惯性系中都是相同的，不存在一种特殊的惯性系。这就是伽利略相对性原理的推广，亦称“狭义相 对性原理”。 2．在所有惯性系内，光在真空中的速度与发射体的运动状态无关，亦称“光速不变原理”。 (四)相对论的要点 从两个基本假设出发，爱因斯坦推出了相对论的要点，其内容如下： 1．一个物体相对于观察者静止时，它的长度的测量值最大。如果它相对于观察者以某一速度运 动，它的测量长度要缩短，速度越大缩短越多。或者简单地说：相对于静止的观察者，运动着的尺 子要缩短。 2．一个时钟相对于观察者静止时，它走得最快。如果它相对于观察者以某一速度运动，它的走时 要变慢，速度越快走得越慢。或者简单地说，相对于静止的观察者，运动着的时钟要变慢。 3．在惯性系中，任何物体的运动速度都不能超过真空中的光速。光速是物体运动速度的极限。 4．如果物体的运动速度比光速小得多，相对论力学就还原为经典力学。 相对论并没有否定经典力学，而是包容了经典力学又高于经典力学，在更高的层次上实现了力 学的综合。相对论的建立是物理学革命的重大成果之一，也是科学发展史上的一个重要里程碑。 (五)相对论时空观与绝对时空观的对立 相对论拨开了人们自己造成的迷雾，彻底地否定了作为经典力学基础的绝对时空和时空与物质 不相联系的观念，揭示了时间和空间的统一性，时间、空间与物质运动的统一性，使人们豁然开 朗。 牛顿的绝对时空观认为，时间、空间与物质运动没有关系，时间和空间也是完全不同的东西。相 对论证明，时间和空间将随着物质运动状态的改变而改变，时间和空间二者都是物质运动的属性
它们不仅与物质、运动不能分割,时间、空间二者也是不可分割的。这便是相对论时空观与绝对时 空观的对立。 相对论关于物质、运动、时间和空间这些基本概念的认识,不仅是科学上的问题,也是具有根 本性的哲学问题,已经使哲学家们不得不重新审查许多传统的概念、理论和方法,这对于哲学的发 展也是很大的推动,至今许多问题仍然在探讨之中。 (六)普朗克的能量子假说及其意义 德国物理学家普朗克长期从事热力学研究,他研究黑体辐射的目的在于决心找到一个与实验事实 相符的公式,使热力学与电动力学在理论上联系起来。经过努力,他终于在1900年提出新的假说, 这就是能量子假说 1.能量子假说认为,物体在发出辐射和吸收辐射时,能量不是连续地变化的,而是跳跃地变化 的,即能量是一份一份地发射和一份一份地吸收的,每一份能量都有一定的数值,这些能量单元称 为“能量子”或“量子” 2.以往人们把物质看作是由不连续的原子所组成的,而表征物质运动的能量则被断定是连续 的,在日常生活里也从来没有见到过能量不连续的现象。能量不连续(或称量子化)的观念与传统的知 识格格不入。量子概念冲破了传统物理学中能量连续观念的束缚,是人类认识史上的又一次飞跃。 (七)爱因斯坦的光量子概念 1905年,爱因斯坦在分析了普朗克的工作之后,敏锐地指出,光具有“粒子性”。他与普朗克不 同,他并不把这种粒子性看作是权宜之计,而是看作光的一种本质属性。他认为如果考察光与物质 相互作用而发生能量交换的时候,则必须认为光的能量是不连续的,或者说是量子化的,不仅在光 发射和吸收的瞬间,而且在光传播过程中,光的能量分布都是不连续的。这就是爱因斯坦的光量子 概念。 (八)物质波的假说 光既具有波动性又具有粒子性的观念深深地打动了法国物理学家德布罗意。1923-1924年间,他连 续发表论文,更大胆地提出假设:既然已知为一种波动的光具有粒子性,那么被认为是粒子的实物 (如电子)也应当具有波动性。他说,每个能在空间中自由运动的粒子都同时具有与它相联系的“物质 波”。他以量子论和相对论的一些结论为出发点,推导出粒子的能量(E)、动量(P)与其相应的物质波 频率(y)、波长(入)之间所具有的关系 德布罗意的物质波只是类比推理的产物,它的真实性只能由实验来检验。德布罗意在1923年发 表的一篇论文中提出:一束电子穿过非常小的小孔,可能产生衍射现象,这也许是从实验上验证我 们想法的方向。1925-1927年间科学家们依循德布罗意的思路分别进行实验,果然得到了电子衍射 图像,按衍射理论计算所得的电子波的波长与德布罗意公式给出的波长完全一致。后来许多实验更 进一步证实,不只是电子,凡是在空间中运动的质子、原子、分子等都具有波动性,波动性是运动 中的物质粒子所普遍具有的性质 (九)从微观粒子的波粒二象性看宏观物体与微观物体的区别 1在宏观领域,我们说到粒子,总意味着那是具有一定质量和不可人性的客体,它在运动时有一定 的轨迹,在与其他粒子相遇时能发生碰撞等等。当我们说到波,就总意味着那是在空间中连续分布 并有某种周期性变化的某种东西,它能够产生干涉和衍射现象等等。实物和波是两种完全不同的概
它们不仅与物质、运动不能分割，时间、空间二者也是不可分割的。这便是相对论时空观与绝对时 空观的对立。 相对论关于物质、运动、时间和空间这些基本概念的认识，不仅是科学上的问题，也是具有根 本性的哲学问题，已经使哲学家们不得不重新审查许多传统的概念、理论和方法，这对于哲学的发 展也是很大的推动，至今许多问题仍然在探讨之中。 (六)普朗克的能量子假说及其意义 德国物理学家普朗克长期从事热力学研究，他研究黑体辐射的目的在于决心找到一个与实验事实 相符的公式，使热力学与电动力学在理论上联系起来。经过努力，他终于在1900年提出新的假说， 这就是能量子假说。 1．能量子假说认为，物体在发出辐射和吸收辐射时，能量不是连续地变化的，而是跳跃地变化 的，即能量是一份一份地发射和一份一份地吸收的，每一份能量都有一定的数值，这些能量单元称 为“能量子”或“量子”。 2．以往人们把物质看作是由不连续的原子所组成的，而表征物质运动的能量则被断定是连续 的，在日常生活里也从来没有见到过能量不连续的现象。能量不连续(或称量子化)的观念与传统的知 识格格不入。量子概念冲破了传统物理学中能量连续观念的束缚，是人类认识史上的又一次飞跃。 (七)爱因斯坦的光量子概念 1905年，爱因斯坦在分析了普朗克的工作之后，敏锐地指出，光具有“粒子性”。他与普朗克不 同，他并不把这种粒子性看作是权宜之计，而是看作光的一种本质属性。他认为如果考察光与物质 相互作用而发生能量交换的时候，则必须认为光的能量是不连续的，或者说是量子化的，不仅在光 发射和吸收的瞬间，而且在光传播过程中，光的能量分布都是不连续的。这就是爱因斯坦的光量子 概念。 (八)物质波的假说 光既具有波动性又具有粒子性的观念深深地打动了法国物理学家德布罗意。 1923-1924年间，他连 续发表论文，更大胆地提出假设：既然已知为一种波动的光具有粒子性，那么被认为是粒子的实物 (如电子)也应当具有波动性。他说，每个能在空间中自由运动的粒子都同时具有与它相联系的“物质 波”。他以量子论和相对论的一些结论为出发点，推导出粒子的能量 (E)、动量(P)与其相应的物质波 频率(v)、波长(入)之间所具有的关系。 德布罗意的物质波只是类比推理的产物，它的真实性只能由实验来检验。德布罗意在1923年发 表的一篇论文中提出：一束电子穿过非常小的小孔，可能产生衍射现象，这也许是从实验上验证我 们想法的方向。1925—1927年间科学家们依循德布罗意的思路分别进行实验，果然得到了电子衍射 图像，按衍射理论计算所得的电子波的波长与德布罗意公式给出的波长完全一致。后来许多实验更 进一步证实，不只是电子，凡是在空间中运动的质子、原子、分子等都具有波动性，波动性是运动 中的物质粒子所普遍具有的性质。 (九)从微观粒子的波粒二象性看宏观物体与微观物体的区别 1.在宏观领域，我们说到粒子，总意味着那是具有一定质量和不可人性的客体，它在运动时有一定 的轨迹，在与其他粒子相遇时能发生碰撞等等。当我们说到波，就总意味着那是在空间中连续分布 并有某种周期性变化的某种东西，它能够产生干涉和衍射现象等等。实物和波是两种完全不同的概 念
与宏观物体不同,微观粒子在运动中没有确切的运动轨道,我们不可能准确地指出它的位置。描 述物质波的波函数所表征的是该粒子某时在某处出现的概率(或称几率)。微观世界里的这种现象,称 为“波粒二象性”。一切微观客体都具有波粒二象性,我们不可能用经典力学的概念来描述微观粒 子的运动 2.在宏观世界里,只要我们知道某物的初始状态,根据经典力学的运动方程就可以确知它经过 定时间以后的状态,它遵循着严格的因果关系。但是在微观世界里,粒子的运动只能以统计的方法 来描述,它并不遵循严格的因果规律。 以上几点说明了,微观粒子因其具有的波粒二象性,带来了一连串与宏观世界截然不同的特 性。所谓测不准原理正是这种特性的集中表现 (十)测不准原理 测不准原理指出:不可能以实验的方法同时准确地测定微观粒子的位置和动量:微观粒子的能 量和时间的测量也有类似的关系。这两对量之所以不可能同时测准,并非仪器的精度或者测量技术 的限制所致,而是微观粒子的波粒二象性所决定的。 (十-)同位素 所谓同位素是指它们在元素周期表中占有同一个位置,即它们的原子序数相同,化学性质相 同,但是它们的原子量和放射性并不相同 九、原子内部世界的探索 (一)关子原子结构的卢瑟福模型和波尔模型的要点 卢瑟福模型是在硏究。粒子穿透金属箔的实验中建立的。在卢瑟福以前,曾经发现电子的汤姆 孙提出了这样一个原子模型:他认为原子就像一只葡萄干面包,带正电的部分就像液体一样均匀地 充满在原子中,电子犹如葡萄干也是均匀地散落在带正电的部分中。卢瑟福通过实验发现,原子内 部并非是充满的,带正电的部分也不是均匀分布的。他提出了这样一个模型,其要点是: A.原子内部的大部分空间是空虚的,它的中心有一个体积很小、质量较大、带正电的核,原子的 全部正电荷都集中在这个核上,带负电的电子则以某种方式分布于核外的空间中。这就是原子结构 的“有核模型” B.卢瑟福把他所设想的模型与太阳系相类比。在太阳系里,太阳位于中心,它占有太阳系的绝大 部分质量;在原子内部,原子核位于中心,它占有原子的绝大部分质量,原子核带正电,电子带负 电,它们之间依靠与距离平方成反比的静电作用相联系,因此,电子很可能是有如行星绕太阳旋转 那样绕核旋转。 2.卢瑟福提出了原子的有核模型之后,遇到的一个最大困难便是,按照经典物理学不能说明电子 绕原子核旋转的稳定性问题。因为电子在绕核旋转时,不断消耗能量,最终将落到原子核上去。为 解决电子绕原子核运动的稳定性问题,玻尔提岀了他的量子化模型。玻尔把有核结构的思想与能量 子假说结合起来,对卢瑟福的模型加以修正。玻尔模型的要点是 A.他认为,可以假定原子内部的电子只能在具有一定能量的特定轨道上运行,而不能在任意轨 道上运行。电子在这些轨道上运行时,既不吸收能量也不辐射能量。电子所处的轨道不同,它的能 量也不一样。在离核近的轨道上它的能量较低,在离核远的轨道上它的能量较高。或者说,在原子 内部,表征电子能量的电子运动轨道不是连续变化的,而是量子化的
与宏观物体不同，微观粒子在运动中没有确切的运动轨道，我们不可能准确地指出它的位置。描 述物质波的波函数所表征的是该粒子某时在某处出现的概率(或称几率)。微观世界里的这种现象，称 为“波粒二象性”。一切微观客体都具有波粒二象性，我们不可能用经典力学的概念来描述微观粒 子的运动。 2．在宏观世界里，只要我们知道某物的初始状态，根据经典力学的运动方程就可以确知它经过一 定时间以后的状态，它遵循着严格的因果关系。但是在微观世界里，粒子的运动只能以统计的方法 来描述，它并不遵循严格的因果规律。 以上几点说明了，微观粒子因其具有的波粒二象性，带来了一连串与宏观世界截然不同的特 性。所谓测不准原理正是这种特性的集中表现。 (十)测不准原理 测不准原理指出：不可能以实验的方法同时准确地测定微观粒子的位置和动量；微观粒子的能 量和时间的测量也有类似的关系。这两对量之所以不可能同时测准，并非仪器的精度或者测量技术 的限制所致，而是微观粒子的波粒二象性所决定的。 (十一)同位素 所谓同位素是指它们在元素周期表中占有同一个位置，即它们的原子序数相同，化学性质相 同，但是它们的原子量和放射性并不相同。 九、原子内部世界的探索 (一)关子原子结构的卢瑟福模型和波尔模型的要点 1．卢瑟福模型是在研究。粒子穿透金属箔的实验中建立的。在卢瑟福以前，曾经发现电子的汤姆 孙提出了这样一个原子模型：他认为原子就像一只葡萄干面包，带正电的部分就像液体一样均匀地 充满在原子中，电子犹如葡萄干也是均匀地散落在带正电的部分中。卢瑟福通过实验发现，原子内 部并非是充满的，带正电的部分也不是均匀分布的。他提出了这样一个模型，其要点是： A．原子内部的大部分空间是空虚的，它的中心有一个体积很小、质量较大、带正电的核，原子的 全部正电荷都集中在这个核上，带负电的电子则以某种方式分布于核外的空间中。这就是原子结构 的“有核模型”。 B．卢瑟福把他所设想的模型与太阳系相类比。在太阳系里，太阳位于中心，它占有太阳系的绝大 部分质量；在原子内部，原子核位于中心，它占有原子的绝大部分质量，原子核带正电，电子带负 电，它们之间依靠与距离平方成反比的静电作用相联系，因此，电子很可能是有如行星绕太阳旋转 那样绕核旋转。 2．卢瑟福提出了原子的有核模型之后，遇到的一个最大困难便是，按照经典物理学不能说明电子 绕原子核旋转的稳定性问题。因为电子在绕核旋转时，不断消耗能量，最终将落到原子核上去。为 解决电子绕原子核运动的稳定性问题，玻尔提出了他的量子化模型。玻尔把有核结构的思想与能量 子假说结合起来，对卢瑟福的模型加以修正。玻尔模型的要点是： A．他认为，可以假定原子内部的电子只能在具有一定能量的特定轨道上运行，而不能在任意轨 道上运行。电子在这些轨道上运行时，既不吸收能量也不辐射能量。电子所处的轨道不同，它的能 量也不一样。在离核近的轨道上它的能量较低，在离核远的轨道上它的能量较高。或者说，在原子 内部，表征电子能量的电子运动轨道不是连续变化的，而是量子化的
B.既然原子里面的电子轨道不是任意的,它们的能量也不是任意的,电子只能在特定的轨道上 运行,电子的能量变化只能在特定的能级之间跳跃,那么原子的稳定性和原子的线状光谱也就都能 得到合理的说明了。玻尔模型的建立是原子结构研究的重大进展,也是量子理论发展的重要里程 碑。它的出现立即引起物理学界的关注 (二)中子的发现及其意义 1.中子的发现: A.原子的有核模型的建立及放射性的发现使人们想到,既然一种元素的原子核可以转变为另一元 素的原子核,那么不同元素的原子核必定会有不同的成分或结构 B人们用人工方法可以使一种元素转化为另一种元素。以粒子轰击多种轻元素都能够得到质子 这就表明质子必定是原子核的组成部分,原子核的大门终于被打开了 原子就其整体而言是呈电中性的,质子的电量必定与电子的电量相等,原子核中的质子数也应当 与核外的电子数相等。人们曾经猜想,原子核就是由质子组成的,如果属实,则原子的质量就是这 些质子的质量的总和(核外电子的质量可以被忽略,因为每个电子的质量只有质子质量的1/1836)。 D.同位素的大量发现也促使人们思考。同种元素的同位素原子,核的电荷数完全相同,而它们的 质量却不相同。为什么同一种元素会有不同质量的同位素呢?同位素之间在原子核结构上有什么不同 呢?1920年卢瑟福提出了一个想法:原子核内可能存在着一种质量与质子相同的中性粒子。随后有人 把这种尚未发现的粒子称为“中子” E.卢瑟福的学生查德威克相信他的老师“可能存在中性粒子”的想法,努力寻找这种粒子。1932 年,查德威克宣告卢瑟福的预言得到证实。中子的发现是继放射性发现之后核物理学的又一重大成 果。在查德威克之后,许多人的实验进一步证明,轰击多种元素的原子核都能得到这种中性粒子, 表明它的确是原子核的一个组成部分。 2.意义:从中子发现的历史中我们可以看到一个合理的假说多么重要,它常常能引导人们发现 新的事实和揭示出前所未知的规律,没有或者不注意这些假说,唾手可得的成果也可能失之交臂 (三)“质子一中子”假说 中子发现之后,海森伯和前苏联物理家伊万年柯分别独立地提出原子核结构的“质子一中 子”假说,这一假说认为,原子核是由质子和中子构成的。按照这一假说,如果一种元素的原子核 内有Z个质子和N个中子,则这种元素的原子序数等于质子数Z,质量数等于核内质子数和中子数之 和(Z+N)。一种元素的同位素之所以有相同的原子序数和不相同的原子量数,是由于它们的质子数相 同而中子数不同 (四)重核裂变和链式反应及其利用 1.重核裂变:用中子轰击重元素的原子核(例如铀核),使其分裂为大致相等的两半,并放出更 多的中子,同时放出巨大能量的过程。这巨大的能量来源于原子核的分裂。在原子核的分裂中,由 于原子的质量有所损失,这部分亏损的质量便转化为巨大的能量 2。链式反应:重核裂变的类型有多种,不同类型的核裂变所放出的中子数目也不相同。假定一个 铀核分裂时放出两个中子,这两个中子使两个铀核发生裂变并产生四个中子,再使四个铀核裂变, 产生更多的中子,如此下去,铀核裂变就将自发地继续进行,形成了“链式反应”。在实现链式反 应时,一瞬间就会有千千万万个铀核分裂,它们几乎同时放出的能量将巨大无比 3.利用重核裂变和链式反应的发现,美国于1945年成功地试爆了第一颗原子弹,并于同年8月在日 本投下两颗原子弹。我国在1964年10月也成功地试爆了第一颗原子弹。原子能的和平利用始于前苏
B．既然原子里面的电子轨道不是任意的，它们的能量也不是任意的，电子只能在特定的轨道上 运行，电子的能量变化只能在特定的能级之间跳跃，那么原子的稳定性和原子的线状光谱也就都能 得到合理的说明了。玻尔模型的建立是原子结构研究的重大进展，也是量子理论发展的重要里程 碑。它的出现立即引起物理学界的关注。 (二)中子的发现及其意义 1．中子的发现： A．原子的有核模型的建立及放射性的发现使人们想到，既然一种元素的原子核可以转变为另一元 素的原子核，那么不同元素的原子核必定会有不同的成分或结构。 B.人们用人工方法可以使一种元素转化为另一种元素。以粒子轰击多种轻元素都能够得到质子， 这就表明质子必定是原子核的组成部分，原子核的大门终于被打开了。 原子就其整体而言是呈电中性的，质子的电量必定与电子的电量相等，原子核中的质子数也应当 与核外的电子数相等。人们曾经猜想，原子核就是由质子组成的，如果属实，则原子的质量就是这 些质子的质量的总和(核外电子的质量可以被忽略，因为每个电子的质量只有质子质量的1／1836)。 D．同位素的大量发现也促使人们思考。同种元素的同位素原子，核的电荷数完全相同，而它们的 质量却不相同。为什么同一种元素会有不同质量的同位素呢?同位素之间在原子核结构上有什么不同 呢?1920年卢瑟福提出了一个想法：原子核内可能存在着一种质量与质子相同的中性粒子。随后有人 把这种尚未发现的粒子称为“中子”。 E．卢瑟福的学生查德威克相信他的老师“可能存在中性粒子”的想法，努力寻找这种粒子。1932 年，查德威克宣告卢瑟福的预言得到证实。中子的发现是继放射性发现之后核物理学的又一重大成 果。在查德威克之后，许多人的实验进一步证明，轰击多种元素的原子核都能得到这种中性粒子， 表明它的确是原子核的一个组成部分。 2．意义：从中子发现的历史中我们可以看到一个合理的假说多么重要，它常常能引导人们发现 新的事实和揭示出前所未知的规律，没有或者不注意这些假说，唾手可得的成果也可能失之交臂。 (三)“质子一中子”假说 中子发现之后，海森伯和前苏联物理家伊万年柯分别独立地提出原子核结构的“质子—中 子”假说，这一假说认为，原子核是由质子和中子构成的。按照这一假说，如果一种元素的原子核 内有Z个质子和N个中子，则这种元素的原子序数等于质子数Z，质量数等于核内质子数和中子数之 和(Z+N)。一种元素的同位素之所以有相同的原子序数和不相同的原子量数，是由于它们的质子数相 同而中子数不同。 (四)重核裂变和链式反应及其利用 1．重核裂变：用中子轰击重元素的原子核(例如铀核)，使其分裂为大致相等的两半，并放出更 多的中子，同时放出巨大能量的过程。这巨大的能量来源于原子核的分裂。在原子核的分裂中，由 于原子的质量有所损失，这部分亏损的质量便转化为巨大的能量。 2。链式反应：重核裂变的类型有多种，不同类型的核裂变所放出的中子数目也不相同。假定一个 铀核分裂时放出两个中子，这两个中子使两个铀核发生裂变并产生四个中子，再使四个铀核裂变， 产生更多的中子，如此下去，铀核裂变就将自发地继续进行，形成了“链式反应”。在实现链式反 应时，一瞬间就会有千千万万个铀核分裂，它们几乎同时放出的能量将巨大无比。 3．利用重核裂变和链式反应的发现，美国于1945年成功地试爆了第一颗原子弹，并于同年8月在日 本投下两颗原子弹。我国在1964年10月也成功地试爆了第一颗原子弹。原子能的和平利用始于前苏