奇妙的物質(zhì)世界知識(shí)點(diǎn)

1、量子力學(xué)發(fā)展史前期工作早在十九世紀(jì)末，經(jīng)典的物理學(xué)基礎(chǔ)已經(jīng)被物理學(xué)家所建立。當(dāng)時(shí)的力學(xué)方面有包含牛頓力學(xué)的分析力學(xué)，電磁方面有麥克斯韋方程組，熱學(xué)方面熱力學(xué)三大定律，物理學(xué)家們普遍存在著樂觀的感覺，認(rèn)為對(duì)于物理現(xiàn)象已經(jīng)有了基本和全面的認(rèn)識(shí)。然而在新世紀(jì)之初，W-湯姆遜即開爾文爵士在一次“十九世紀(jì)的烏云籠罩這熱和光的動(dòng)力學(xué)理論”1的報(bào)告卻引起了整個(gè)物理理論的變革。首先便是190弭，普朗克提出輻射量子假說(shuō)，假定電磁場(chǎng)和物質(zhì)交換能量是以間斷的形式能量子）實(shí)現(xiàn)的，能量子的大小同輻射頻率成正比，比例常數(shù)稱為普朗克常數(shù)，從而得出黑體輻射能量分布公式，成功地解釋了黑體輻射現(xiàn)象2。b5E2RGbCAP接著19

2、05年，愛因斯坦引進(jìn)光量子光子）的概念，并給出了光子的能量、動(dòng)量與輻射的頻率和波長(zhǎng)的關(guān)系，成功地解釋了光電效應(yīng)。其后，他又提出固體的振動(dòng)能量也是量子化的，從而解釋了低溫下固體比熱問題3。plEanqFDPw1913年，玻爾在盧瑟福有核原子模型的基礎(chǔ)上建立起原子的量子理論4。按照這個(gè)理論，原子中的電子只能在分立的軌道上運(yùn)動(dòng)，原子具有確定的能量，它所處的這種狀態(tài)叫“定態(tài)”，而且原子只有從一個(gè)定態(tài)到另一個(gè)定態(tài)，才能吸收或輻射能量。這個(gè)理論雖然有許多成功之處，但對(duì)于進(jìn)一步解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象還有許多困難。DXDiTa9E3d在人們認(rèn)識(shí)到光具有波動(dòng)和微粒的二象性之后，為了解釋一些經(jīng)典理論無(wú)法解釋的現(xiàn)象，法國(guó)物理

3、學(xué)家德布羅意于1923年提出了物質(zhì)波這一概念5。認(rèn)為一切微觀粒子均伴隨著一個(gè)波，這就是所謂的德布羅意波。德布羅意的物質(zhì)波方程：Ehw=/hp入=,其中/2hh%=,可以由得到2/2Epm=/2hm入=ERTCrpUDGiT在這些基礎(chǔ)之上，真正的量子力學(xué)體系開始建立。量子理論的建立在德布羅意提出微觀粒子的波粒二象性以前，物理學(xué)家就認(rèn)識(shí)到微觀粒子所遵循的運(yùn)動(dòng)規(guī)律就不同于宏觀物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律不能夠在利用經(jīng)典的電動(dòng)力學(xué)了。但是當(dāng)微觀現(xiàn)象過渡到宏觀時(shí)這種型的運(yùn)動(dòng)規(guī)律應(yīng)該可以近似到宏觀的規(guī)律。5PCzVD7HxA量子力學(xué)與經(jīng)典力學(xué)的差別首先表現(xiàn)在對(duì)粒子的狀態(tài)和力學(xué)量的描述及其變化規(guī)律上

4、。在量子力學(xué)中，粒子的狀態(tài)用波函數(shù)描述，力學(xué)量用算符表示。純粹的波函數(shù)和算符沒有實(shí)際意義，算符必須作用到波函數(shù)。為了描寫微觀粒子狀態(tài)隨時(shí)間變化的規(guī)律，就需要找出波函數(shù)所滿足的運(yùn)動(dòng)方程。這個(gè)方程是薛定謂在1926年首先找到的，被稱為薛定謂方程6。當(dāng)微觀粒子處于某一狀態(tài)時(shí)，它的力學(xué)量<如坐標(biāo)、動(dòng)量、角動(dòng)量、能量等）一般不能同時(shí)被準(zhǔn)確測(cè)定，例如當(dāng)粒子的坐標(biāo)固定時(shí)他的動(dòng)量則完全不確定，同時(shí)測(cè)量它們最小的誤差之積大于等于/2ih,即/2xpih?>o這就是1927年，海森伯得出的測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系7,同時(shí)玻爾提出了并協(xié)原理，對(duì)量子力學(xué)給出了進(jìn)一步的闡釋。第一個(gè)提出完整的量子力學(xué)理論的，是德國(guó)物理學(xué)家

5、海森堡。192許初夏，海森堡從哥本哈根回到格丁根，開始考慮放棄電子軌道的經(jīng)典圖像，直接從光譜頻率和譜線強(qiáng)度這些可由實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的量入手，從而避免了那些雖然直觀但卻觀察不到的軌道的概念。7月初，函授班完成了“從量子理論重新解釋運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)的關(guān)系”的論文。在這片文章中他提出了一個(gè)原則，即新的量子力學(xué)中，應(yīng)該在可以觀測(cè)的量之間建立量子力學(xué)體系。他在理論中設(shè)計(jì)的計(jì)算規(guī)則，即現(xiàn)在為大家所熟悉的矩陣?yán)碚?，然而在?dāng)時(shí)卻不被許多物理學(xué)家了解。在玻恩和其學(xué)生約爾丹的幫助下，海森堡完成了“關(guān)于量子力學(xué)”的第二篇基礎(chǔ)性文章。然而薛定謂的工作卻為物理學(xué)家們提供了很大的方便，由于其數(shù)學(xué)形式的簡(jiǎn)單而受到很到工作者的歡迎。19

6、26年，蘇黎世大學(xué)的奧地利物理學(xué)家薛定謂發(fā)展了另一種形式的量子力學(xué)一波動(dòng)力學(xué)。1925年10月，薛定謂得到了一份德布羅意的關(guān)于物質(zhì)波的博士論文，從中受到啟發(fā)。將電子的運(yùn)動(dòng)看作是波動(dòng)的結(jié)果，其運(yùn)動(dòng)的方程應(yīng)該是波動(dòng)方程，方程決定著電子的波動(dòng)屬性。192彈薛定謂連續(xù)發(fā)表了4片關(guān)于量子力學(xué)的論文，標(biāo)志著波動(dòng)力學(xué)的建立。薛定謂的理論一提出來(lái)就受到物理學(xué)獎(jiǎng)的普遍關(guān)注和贊賞。雖然海森堡的矩陣力學(xué)和薛定謂的波動(dòng)力學(xué)出發(fā)點(diǎn)不同，從不同的思想發(fā)展而來(lái)，但它們解決同一問題是得到的結(jié)果確實(shí)一樣的。兩種體系的等價(jià)性也由薛定謂等人所證明，當(dāng)然更高層次的證明是由英國(guó)物理學(xué)家狄拉克進(jìn)行的，這將在后面有所涉及。由于海森堡和薛定

7、謂在量子力學(xué)建立開創(chuàng)性的工作，他們分別獲得了1932年、1933年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)8。詮釋與完善量子力學(xué)的理論體系雖然建立起來(lái)了，然而對(duì)它的詮釋卻又成了問題，當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家不知道為什么會(huì)有這些東西的產(chǎn)生。就拿波動(dòng)力學(xué)來(lái)說(shuō)，波動(dòng)方程中的波函數(shù)的物理意義究竟是什么。jLBHrnAlLg起初德布羅意和薛定謂都認(rèn)為自己對(duì)量子理論能夠給出直觀解釋，薛定謂認(rèn)為波函數(shù)模的平方是電荷的密度，但后來(lái)發(fā)現(xiàn)這一想法是錯(cuò)誤的。他之所以這樣認(rèn)為，適應(yīng)為他將舊量子論的頂臺(tái)看作一種連續(xù)運(yùn)動(dòng)的特征波。直到1926年，玻恩把薛定謂的波動(dòng)方程用于量子力學(xué)的散射過程，從而提出了波函數(shù)的統(tǒng)計(jì)解釋，量子力學(xué)才真正從一大堆的假設(shè)中找到了

8、科學(xué)道理3。玻恩認(rèn)為只有薛定謂的那種形式才能對(duì)非周期性的現(xiàn)象給出簡(jiǎn)單的描述。經(jīng)過充分的研究后，玻恩指出薛定謂的波函數(shù)是一種概率的振幅，它的模的平方對(duì)應(yīng)于側(cè)到的電子的概率的分布。xHAQX74J0X希爾伯特在1927年4月發(fā)表的一片文章中，將狄拉克和約爾丹觀念表述的更為清楚；海森堡在1927,又提出了微觀現(xiàn)象的測(cè)不準(zhǔn)原理；1929年海森堡和泡利提出相對(duì)論性量子場(chǎng)論等。LDAYtRyKfE到現(xiàn)在量子力學(xué)理論已經(jīng)相當(dāng)豐富，然而完善工作還在由世界各地的理論物理學(xué)家們繼續(xù)進(jìn)行著。在將來(lái)，或許會(huì)有更好的理論代替量子理論，這需要我們以后的理論工作進(jìn)一步辛勤無(wú)私的奉獻(xiàn)。我有信心這會(huì)實(shí)現(xiàn)。Zzz6ZB2Ltk量

9、子力學(xué)的建立大事年表9年1902事件巴末爾發(fā)現(xiàn)氫光譜的經(jīng)驗(yàn)公式雒恩發(fā)現(xiàn)黑體輻射的位移定律瑞利提出古典輻射定律朗克引進(jìn)量子假設(shè)勒納德發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)定律年份19051911191：事件普-斯士日提出光量子論，解釋光電效厘，揭示了微雙言體的披莪二象性盧瑟福提出有核原子模型波爾提出原子結(jié)構(gòu)理論，用量子躍遷假說(shuō)解釋原子光譜斯特恩和蓋拉赫證實(shí)原子磁延的量子化年份19231925192(1927事件德布羅意創(chuàng)立物質(zhì)波理論海森堡創(chuàng)立量子理論（柜陣力學(xué)）袍利提出不相容原理薛定蹲建立披動(dòng)力學(xué).并證明與矩陣力學(xué)是等價(jià)的海森堡提出測(cè)不準(zhǔn)原理1年份192819291931事件狄拉克提出相對(duì)

10、論行量子力學(xué)，并預(yù)言陽(yáng)電子的存在海森堡和泡利提出相對(duì)論性量子場(chǎng)論泡利提出中微子假說(shuō)地心說(shuō)最初由古希臘學(xué)者歐多克斯提出，后經(jīng)亞里士多德、托勒密進(jìn)一步發(fā)展而逐漸建立和完善起來(lái)。托勒密認(rèn)為，地球處于宇宙中心靜止不動(dòng)。從地球向外依次有月球、水星、金星、太陽(yáng)、火星、木星和土星，在各自的軌道上繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)。其中，行星的運(yùn)動(dòng)要比太陽(yáng)、月球復(fù)雜些：行星在本輪上運(yùn)動(dòng)，而本輪又沿均輪繞地運(yùn)行。在太陽(yáng)、月球、行星之外，是鑲嵌著所有恒星的天球恒星天。再外面，是推動(dòng)天體運(yùn)動(dòng)的原動(dòng)天。地心說(shuō)是世界上第一個(gè)行星體系模型。盡管它把地球當(dāng)作宇宙中心是錯(cuò)誤的，然而它的歷史功績(jī)不應(yīng)抹殺。dvzfvkwMII哥白尼提出的“日心說(shuō)”，有

11、力地打破了長(zhǎng)期以來(lái)居于宗教統(tǒng)治地位的“地心說(shuō)”，實(shí)現(xiàn)了天文學(xué)的根本變革。近代史1661年，自然哲學(xué)家羅伯特波義耳出版了懷疑的化學(xué)家<TheScepticalChemist)一書，他認(rèn)為物質(zhì)是由不同的“微粒”或原子自由組合構(gòu)成的，而并不是由諸如氣、土、火、水等基本元素構(gòu)成。恩格斯認(rèn)為，波義耳是最早把化學(xué)確立為科學(xué)的化學(xué)家4。rqyn14ZNXI1789年，法國(guó)貴族，拉瓦錫定義了原子一詞，從此，原子就用來(lái)表示化學(xué)變化中的最小的單位。道爾頓在化學(xué)哲學(xué)新體系中描述的原子180許，英語(yǔ)教師及自然哲學(xué)家約翰道爾頓<JohnDalton)用原子的概念解釋了為什么不同元素總是呈整數(shù)倍反應(yīng)，即倍比定

12、律<lawofmultipleproportions);也解釋了為什么某些氣體比另外一些更容易溶于水。他提出每一種元素只包含唯一一種原子，而這些原子相互結(jié)合起來(lái)就形成了化合物。EmxvxOtOco1827年，英國(guó)植物學(xué)家羅伯特布朗BotanistRobertBrown>在使用顯微鏡觀察水面上灰塵的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)它們進(jìn)行著不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步證明了微粒學(xué)說(shuō)。后來(lái)，這一現(xiàn)象被稱為為布朗運(yùn)動(dòng)。SixE2yXPq51877年，德紹爾克思J.Desaulx）提出布朗運(yùn)動(dòng)是由于水分子的熱運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的。1897年，在關(guān)于陰極射線的工作中，物理學(xué)家約瑟夫湯姆生J.J.Thomsom）發(fā)現(xiàn)了電子以及它的亞

13、原子特性，粉碎了一直以來(lái)認(rèn)為原子不可再分的設(shè)想。湯姆生認(rèn)為電子是平均的分布在整個(gè)原子上的，就如同散布在一個(gè)均勻的正電荷的海洋之中，它們的負(fù)電荷與那些正電荷相互抵消。這也叫做葡萄干蛋糕模型（棗核模型）。6ewMyirQFL190許，愛因斯坦提出了第一個(gè)數(shù)學(xué)分析的方法，證明了德紹爾克思的猜想。1909年，在物理學(xué)家歐內(nèi)斯特盧瑟福（ErnestRutherford的指導(dǎo)下，菲利普倫納德P.E.A.Lenard）用氫離子轟擊金箔。發(fā)現(xiàn)有很小一部分離子的偏轉(zhuǎn)角度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于使用湯姆生假設(shè)所預(yù)測(cè)值。盧瑟福根據(jù)這個(gè)金鉗實(shí)驗(yàn)的結(jié)果指出：原子中大部分質(zhì)量和正電荷都集中在位于原子中心的原子核當(dāng)中，電子則像行星圍繞太陽(yáng)

14、一樣圍繞著原子核。帶正電的氨離子在穿越原子核附近時(shí)，就會(huì)被大角度的反射。這就是原子核的核式結(jié)構(gòu)。kavU42VRUs1913年，在進(jìn)行有關(guān)對(duì)放射性衰變產(chǎn)物的實(shí)驗(yàn)中，放射化學(xué)家弗雷德里克索迪FrederickSoddy）發(fā)現(xiàn)對(duì)于元素周期表中的每個(gè)位置，往往存在不只一種質(zhì)量數(shù)的原子。瑪格麗特陶德創(chuàng)造了同位素一詞，來(lái)表示同一種元素中不同種類的原子。在進(jìn)行關(guān)于離子氣體的研究過程中，湯姆生發(fā)明了一種新技術(shù)，可以用來(lái)分離不同的同位素，最終導(dǎo)致了穩(wěn)定同位素的發(fā)現(xiàn)5;同年，物理學(xué)家尼爾斯玻爾NielsBohr）重新省視了盧瑟福的模型，并將其與普朗克及愛因斯坦的量子化思想聯(lián)系起來(lái)，他認(rèn)為電子應(yīng)該位于原子內(nèi)確定的

15、軌道之中，并且能夠在不同軌道之間躍遷，而不是像先前認(rèn)為那樣可以自由的向內(nèi)或向外移動(dòng)。電子在這些固定軌道間躍遷時(shí)，必須吸收或者釋放特定的能量。這種電子躍遷的理論能夠很好的解釋氫原子光譜中存在的固定位置的線條6,并將普朗克常數(shù)與氫原子光譜的里德伯常量取得了聯(lián)系。y6v3ALoS891916年，德國(guó)化學(xué)家柯塞爾Kossel）在考察大量事實(shí)后得出結(jié)論：任何元素的原子都要使最外層滿足8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)7。路易土發(fā)現(xiàn)化學(xué)鍵的本質(zhì)就是兩個(gè)原子間電子的相互作用M2ub6vSTnP1919年，物理學(xué)家盧瑟福在0c粒子氨原子核）轟擊氮原子的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)質(zhì)子8。弗朗西斯威廉阿斯頓FrancisWilliamAston）使

16、用質(zhì)譜證實(shí)了同位素有著不同的質(zhì)量，并且同位素間的質(zhì)量差都為一個(gè)整數(shù)，這被稱為整數(shù)規(guī)則。美國(guó)化學(xué)家歐文朗繆爾提出原子中的電子以某種性質(zhì)相互連接或者說(shuō)相互聚集。一組電子占有一個(gè)特定的電子層。0YujCfmUCw192許，美國(guó)化學(xué)家吉爾伯特牛頓路易斯<G.N.Lewis）發(fā)展了柯賽爾的理論，提出共價(jià)鍵的電子對(duì)理論7。路易斯假設(shè)：在分子中來(lái)自于一個(gè)原子的一個(gè)電子與另一個(gè)原子的一個(gè)電子以“電子對(duì)”的形式形成原子間的化學(xué)鍵。這在當(dāng)時(shí)是一個(gè)有悖于正統(tǒng)理論的假設(shè)，因?yàn)閹?kù)侖定律表明，兩個(gè)電子間是相互排斥的，但路易斯這種設(shè)想很快就為化學(xué)界所接受，并導(dǎo)致原子間電子自旋相反假設(shè)的提出9。eUts8ZQVRd19

17、2彈，薛定調(diào)<ErwinSchr&ouml。dinger）使用路易斯德布羅意<LouisdeBroglie）于1924年提出的波粒二象性的假說(shuō)，建立了一個(gè)原子的數(shù)學(xué)模型，用來(lái)將電子描述為一個(gè)三維波形。但是在數(shù)學(xué)上不能夠同時(shí)得到位置和動(dòng)量的精確值。沃納海森堡<WernerHeisenberg）提出了著名的測(cè)不準(zhǔn)原理。這個(gè)概念描述的是，對(duì)于測(cè)量的某個(gè)位置，只能得到一個(gè)不確定的動(dòng)量范圍，反之亦然。盡管這個(gè)模型很難想像，但它能夠解釋一些以前觀測(cè)到卻不能解釋的原子的性質(zhì)，例如比氫更大的原子的譜線。因此，人們不再使用玻爾的原子模型，而是將原子軌道視為電子高概率出現(xiàn)的區(qū)域<電

18、子云）10。質(zhì)譜的發(fā)明使得科學(xué)家可以直接測(cè)量原子的準(zhǔn)確質(zhì)量。該設(shè)備通過使用一個(gè)磁體來(lái)彎曲一束離子，而偏轉(zhuǎn)量取決于原子的質(zhì)荷比。弗朗西斯阿斯頓使用質(zhì)譜證實(shí)了同位素有著不同的質(zhì)量，并且同位素間的質(zhì)量差都為一個(gè)整數(shù)，這被稱為整數(shù)規(guī)則。sQsAEJkW5T1930年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，0c射線轟擊鉞-9時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種電中性，擁有極強(qiáng)穿透力的射線，最初，這被認(rèn)為是丫射線。GMsIasNXkA1932年，約里奧居里夫婦發(fā)現(xiàn)，這種射線能從石蠟中打出質(zhì)子；同年，盧瑟福的學(xué)生詹姆斯查得威克<JamesChadwick）認(rèn)定這就是中子8,而同位素則被重新定義為有著相同質(zhì)子數(shù)與不同中子數(shù)的元素。TIrRGchYzg

19、195弭，隨著粒子加速器及粒子探測(cè)器的發(fā)展，科學(xué)家們可以研究高能粒子間的碰撞。他們發(fā)現(xiàn)中子和質(zhì)子是強(qiáng)子的一種，由更小的夸克微粒構(gòu)成。核物理的標(biāo)準(zhǔn)模型也隨之發(fā)展，能夠成功的在亞原子水平解釋整個(gè)原子核以及亞原子粒子之間的相互作用。7EqZcWLZNX198弭，朱棣文及其同事在貝爾實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一種新技術(shù)，能夠使用激光來(lái)冷卻原子。威廉丹尼爾菲利普斯團(tuán)隊(duì)設(shè)法將納原子置于一個(gè)磁阱中。這兩個(gè)技術(shù)加上由克洛德科昂-唐努德日?qǐng)F(tuán)隊(duì)基于多普勒效應(yīng)開發(fā)的一種方法，可以將少量的原子冷卻至微開爾文的溫度范圍，這樣就可以對(duì)原子進(jìn)行很高精度的研究，為玻色-愛因斯坦凝聚的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)11。lzq7IGf02E歷史上，因?yàn)閱蝹€(gè)

20、原子過于微小，被認(rèn)為不能夠進(jìn)行科學(xué)研究。2018年，科學(xué)家已經(jīng)成功使用一單個(gè)金屬原子與一個(gè)有機(jī)配體連接形成一個(gè)單電子晶體管。在一些實(shí)驗(yàn)中，通過激光冷卻的方法將原子減速并捕獲，這些實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驇?lái)對(duì)于物質(zhì)更好的理解zvpgeqJIhk發(fā)展史道爾頓的原子模型英國(guó)自然科學(xué)家約翰道爾頓將古希臘思辨的原子論改造成定量的化學(xué)理論，提出了世界上第一個(gè)原子的理論模型。他的理論主要有以下四點(diǎn)7:NrpoJac3v1所有物質(zhì)都是由非常微小的、不可再分的物質(zhì)微粒即原子組成同種元素的原子的各種性質(zhì)和質(zhì)量都相同，不同元素的原子，主要表現(xiàn)為質(zhì)量的不同原子是微小的、不可再分的實(shí)心球體原子是參加化學(xué)變化的最小單位，在化學(xué)反應(yīng)中，

21、原子僅僅是重新排列，而不會(huì)被創(chuàng)造或者消失。雖然，經(jīng)過后人證實(shí)，這是一個(gè)失敗的理論模型，但道爾頓第一次將原子從哲學(xué)帶入化學(xué)研究中，明確了今后化學(xué)家們努力的方向，化學(xué)真正從古老的煉金術(shù)中擺脫出來(lái)，道爾頓也因此被后人譽(yù)為“近代化學(xué)之父"。1nowfTG4KI葡萄干布丁模型棗核模型）葡萄干布丁模型棗核模型）由湯姆生提出，是第一個(gè)存在著亞原子結(jié)構(gòu)的原子模型。湯姆生在發(fā)現(xiàn)電子的基礎(chǔ)上提出了原子的葡萄干布丁模型棗核模型），湯姆生認(rèn)為7:正電荷像流體一樣均勻分布在原子中，電子就像葡萄干一樣散布在正電荷中，它們的負(fù)電荷與那些正電荷相互抵消fjnFLDa5Zo在受到激發(fā)時(shí)，電子會(huì)離開原子，產(chǎn)生陰極射線。

22、湯姆生的學(xué)生盧瑟福完成的粒子轟擊金箔實(shí)驗(yàn)散射實(shí)驗(yàn)），否認(rèn)了葡萄干布丁模型遜核模型）的正確性。土星模型在湯姆生提出葡萄干布丁模型同年，日本科學(xué)家提出了土星模型，認(rèn)為電子并不是均勻分布，而是集中分布在原子核外圍的一個(gè)固定軌道上12。tfnNhnE6e5行星模型行星模型由盧瑟福在提出，以經(jīng)典電磁學(xué)為理論基礎(chǔ)，主要內(nèi)容有7：原子的大部分體積是空的；在原子的中心有一個(gè)體積很小、密度極大的原子核；原子的全部正電荷在原子核內(nèi)，且?guī)缀跞抠|(zhì)量均集中在原子核內(nèi)部。帶負(fù)電的電子在核空間進(jìn)行高速的繞核運(yùn)動(dòng)。HbmVN777sL隨著科學(xué)的進(jìn)步，氫原子線狀光譜的事實(shí)表明行星模型是不正確的。玻爾的原子模型為了解釋氫原子線

23、狀光譜這一事實(shí)，盧瑟福的學(xué)生玻爾接受了普朗克的量子論和愛因斯坦的光子概念在行星模型的基礎(chǔ)上提出了核外電子分層排布的原子結(jié)構(gòu)模型。玻爾原子結(jié)構(gòu)模型的基本觀點(diǎn)是13:V7l4jRB8Hs原子中的電子在具有確定半徑的圓周軌道<orbit>上繞原子核運(yùn)動(dòng)，不輻射能量波爾的原子模型在不同軌道上運(yùn)動(dòng)的電子具有不同的能量<日，且能量是量子化的，軌道能量值依n<1,2,3,。.）的增大而升高，n稱為量子數(shù)。而不同的軌道則分別被命名為K<n=1>、L(n=2>、M(n=3>、N(n=4>、O(n=5>、P<n=9、Q<n=7>83lc

24、PA59W9當(dāng)且僅當(dāng)電子從一個(gè)軌道躍遷到另一個(gè)軌道時(shí)，才會(huì)輻射或吸收能量。如果輻射或吸收的能量以光的形式表現(xiàn)并被記錄下來(lái)，就形成了光譜。mZkklkzaaP玻爾的原子模型很好的解釋了氫原子的線狀光譜，但對(duì)于更加復(fù)雜的光譜現(xiàn)象卻無(wú)能為力?，F(xiàn)代量子力學(xué)模型物理學(xué)家德布羅意、薛定謂和海森堡等人，經(jīng)過13年的艱苦論證，在現(xiàn)代量子力學(xué)模型在玻爾原子模型的基礎(chǔ)上很好地解釋了許多復(fù)雜的光譜現(xiàn)象，其核心是波動(dòng)力學(xué)。在玻爾原子模型里，軌道只有一個(gè)量子數(shù)<主量子數(shù))，現(xiàn)代量子力學(xué)模型則引入了更多的量子數(shù)quantumnumber>713。AVktR43bpw主量子數(shù)principalquantumnu

25、mber>,主量子數(shù)決定不同的電子亞層，命名為K、L、MN、OP、QORjBnOwcEd角量子數(shù)(angularquantumnumber>,角量子數(shù)決定不同的能級(jí)，符號(hào)“l(fā)”共n個(gè)值<1,2,3,.n-1>,符號(hào)用s、p、d、f、g,表示對(duì)多電子原子來(lái)說(shuō)，電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與l有關(guān)。2MiJTy0dTT磁量子數(shù)magneticquantumnumber磁量子數(shù)決定不同能級(jí)的軌道，符號(hào)"M見下文“磁矩”）。僅在外加磁場(chǎng)時(shí)有用?！皀，”J，三個(gè)量確定一個(gè)原子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。gIiSpiue7A自旋磁量子數(shù)spinm.q.n.）處于同一軌道的電子有兩種自旋，即“T自旋現(xiàn)象

26、的實(shí)質(zhì)還在探討當(dāng)中。uEh0U1Yfmh基本構(gòu)成亞原子粒子化合物-原子-原子核-質(zhì)子-夸克盡管原子的英文名稱atom）本意是不能被進(jìn)一步分割的最小粒子，但是，隨著科學(xué)的發(fā)展，原子被認(rèn)為是由電子、質(zhì)子、中子氫原子由質(zhì)子和電子構(gòu)成）構(gòu)成，它們被統(tǒng)稱為亞原子粒子。幾乎所有原子都含有上述三種亞原子粒子，但五氫的同位素）沒有中子，其離子失去電子后）只是一個(gè)質(zhì)子。IAg9qLsgBX質(zhì)子帶有一個(gè)正電荷，質(zhì)量是電子質(zhì)量的1836倍，為1.6726X10八-27kg,然而部分質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為原子結(jié)合能。中子不帶電荷，自由中子的質(zhì)量是電子質(zhì)量的1839倍，為1.6929X10八-27kg。中子和質(zhì)子的尺寸相仿，均

27、在2.5X10八-15m這一數(shù)量級(jí)，但它們的表面并沒能精確定義。WwghWvVhPE原子盡管很小，用化學(xué)方法不能再分，但用其他方法仍然可以再分，因?yàn)樵右灿幸欢ǖ臉?gòu)成。原子是由中心的帶正電的原子核和核外帶負(fù)電的電子構(gòu)成的反物質(zhì)相反），原子核是由質(zhì)子和中子兩種粒子構(gòu)成的，電子在核外較大空間內(nèi)做高速運(yùn)動(dòng)。asfpsfpi4k在物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型理論中，質(zhì)子和中子都由名叫夸克的基本粒子構(gòu)成?？淇耸琴M(fèi)M子的一種，也是構(gòu)成物質(zhì)的兩個(gè)基本組分之一。另外一個(gè)基本組份被稱作是輕子，電子就是輕子的一種?？淇斯灿辛N，每一種都帶有分?jǐn)?shù)的電荷，不是+2/3就是-1/3。質(zhì)子就是由兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克組成，而中子則是由

28、一個(gè)上夸克和兩個(gè)下夸克組成。這個(gè)區(qū)別就解釋了為什么中子和質(zhì)子電荷和質(zhì)量均有差別?？淇擞蓮?qiáng)相互作用結(jié)合在一起的，由膠子作為中介。膠子是規(guī)范玻色子的一員，是一種用來(lái)傳遞力的基本粒子。ooeyYZTjjl亞原子粒子具有量子化特征和波粒二象性，公式表述為：入=h/p=h/mv,式中入為波長(zhǎng)，p為動(dòng)量，h為普朗克常數(shù)6.626X10八-34JS14。BkeGuInkxI電子在一個(gè)內(nèi)部接近真空、兩端封有金屬電極的玻璃管通上高壓直流電，陰極一端便會(huì)發(fā)出陰極射線。熒光屏可以顯示這種射線的方向，如果外加一個(gè)勻強(qiáng)電場(chǎng)，陰極射線會(huì)偏向陽(yáng)極；又若在玻璃管內(nèi)裝上轉(zhuǎn)輪，射線可以使轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。后經(jīng)證實(shí)，陰極射線是一群帶有負(fù)電

29、荷的高速質(zhì)點(diǎn)，即電子流。電子由此被發(fā)現(xiàn)15。PgdOOsRlMo電子是最早發(fā)現(xiàn)的亞原子粒子，到目前為止，電子是所有粒子中最輕的，只有Mlxlkg,為氫原子的1/1836.152701（37,是密立根在1910年前后通過著名的“油滴實(shí)驗(yàn)”做出的。電子帶有一個(gè)單位的負(fù)電荷，即4.8X10八-19靜電單位或1.6X10八-19庫(kù)倫，其體積因?yàn)檫^于微小，現(xiàn)有的技術(shù)已經(jīng)無(wú)法測(cè)量。3cdXwckm15現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為，電子屬于輕子的一種是構(gòu)成物質(zhì)的基本單位之一另一種為夸克電子云電子具有波粒二象性，不能像描述普通物體運(yùn)動(dòng)那樣，肯定他在某一瞬間處于空間的某一點(diǎn)，而只能指出它在原子核外某處出現(xiàn)的可能性即幾率）的大

30、小。電子在原子核各處出現(xiàn)的幾率是不同的，有些地方出現(xiàn)的幾率大，有些地方出現(xiàn)的幾率很小，如果將電子在核外各處出現(xiàn)的幾率用小黑點(diǎn)描繪出來(lái)出現(xiàn)的幾率越大，小黑點(diǎn)越密），那么便得到一種略具直觀性的圖像，這些圖像中，原子核仿佛被帶負(fù)電荷的電子云物所籠罩，故稱電子云。h8c52WOngM在一個(gè)原子中，電子和質(zhì)子因?yàn)殡姶帕Χ嗷ノ舱沁@個(gè)力將電子束縛在一個(gè)環(huán)繞著原子核的靜電位勢(shì)阱中，要從這個(gè)勢(shì)阱中逃逸則需要外部的能量。電子離原子核越近，吸引力則越大。因此，與外層電子相比，離核近的電子需要更多能量才能夠逃逸v4bdyGious原子軌道則是一個(gè)描述了電子在核內(nèi)的概率分布的數(shù)學(xué)方程。在實(shí)際中，只有一組離散的

31、或量子化的）軌道存在，其他可能的形式會(huì)很快的坍塌成一個(gè)更穩(wěn)定的形式。這些軌道可以有一個(gè)或多個(gè)的環(huán)或節(jié)點(diǎn)，并且它們的大小，形狀和空間方向都有不同。J0bm4qMpJ9前五個(gè)原子軌道的波函數(shù)每一個(gè)原子軌道都對(duì)應(yīng)一個(gè)電子的能級(jí)。電子可以通過吸收一個(gè)帶有足夠能量的光子而躍遷到一個(gè)更高的能級(jí)。同樣的，通過自發(fā)輻射，在高能級(jí)態(tài)的電子也可以躍遷回一個(gè)低能級(jí)態(tài)，釋放出光子。這些典型的能量，也就是不同量子態(tài)之間的能量差，可以用來(lái)解釋原子譜線。XVauA9grYP把核外電子出現(xiàn)幾率相等的地方連接起來(lái)，作為電子云的界面，使界面內(nèi)電子云出現(xiàn)的總幾率很大例如90喊95%,在界面外的幾率很小，有這個(gè)界面所包括的空間范圍，

32、叫做原子軌道，這里的原子軌道與宏觀的軌道具有不同的含義。bR9c6TJscw在原子核中除去或增加一個(gè)電子所需要的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于核子的結(jié)合能，這些能量被稱為電子結(jié)合能。例如：奪去氫原子中基態(tài)電子只需要13.6eV。當(dāng)電子數(shù)與質(zhì)子數(shù)相等時(shí)，原子是電中性的。如果電子數(shù)大于或小于質(zhì)子數(shù)時(shí)，該原子就會(huì)被稱為離子。原子最外層電子可以移動(dòng)至相鄰的原子，也可以由兩個(gè)原子所共有。正是由于有了這種機(jī)理，原子才能夠鍵合形成分子或其他種類的化合物，例如離子或共價(jià)的網(wǎng)狀晶體。pN9LBDdtrd原子軌道是薛定調(diào)方程的合理解，薛定謂方程為一個(gè)二階偏微方程(S八2少/SxA2>+(S八2少/SyA2>+(S八2少/SzA2>=-(8兀八2>/8八2>(E-V>少，DJ8T7nHuGT該方程的解。是x、y、z的函數(shù)，寫成少<x,y,z>。為了更形象地描述波函數(shù)的意義，通常用球坐標(biāo)來(lái)描述波函數(shù)，即少<，0,d>=R(r>Y(0,(|)>,這里R(r>函數(shù)是與徑向分布有關(guān)的函數(shù)，稱為徑向分布函數(shù)；Y(0,©>是與角度分布有關(guān)的，稱為角度分布波函數(shù)14。QF81D7bvUA原子核原子中所有的質(zhì)子和中子結(jié)合起來(lái)就形成了一個(gè)很小的原子核，它們一起也可以被稱為核子。原子核的半徑約等于fm其中A是核子