物理学发展札记——原子和原子核部分

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1、物理学发展札记——原子和原子核部分自然科学刚跨入20世纪，物理学领域内首先掀起了革命的浪潮。19世纪末，物理学实验上的一系列重大发现，冲击着经典物理学的连续观念、绝对时空观念和原子不可再分的观念，使原有的经典理论显得无能为力。这一冲击，对当时的物理学家们的影响是很大的。因为19世纪物理学取得巨大成就时，不少物理学家除了赞叹以外，还流露出满足和无所作为的思想。著名的德国物理学家基尔霍夫（G.R.Kirchhoff，1824—1887）曾经表示过：“物理学将无所作为了，至少也只能在已知规律的公式的小数点后面加上几个数字罢了。”普朗克的导师也曾经说过，物理学将会很快地

2、具备自己的终极的稳定的形式。并表示，虽然在这个或那个角落里，还可能发现或消除掉一粒尘土或一个小气泡，但作为整体的体系却足够牢固可靠了。理论物理学已明显地接近几何学100年来已经具有的那种完善程度。在刚跨入20世纪的第一天，世界著名物理学家开尔文（LordKelvin，原名为W.Thomson，1824—1907）也曾经说过：“在已经建成的科学大厦中，后辈物理学家只能做一些零碎的修补工作了。”但是，他又敏锐地发现，在物理学晴朗的天空里，还有两朵小小的令人不安的乌云。这两朵“乌云”是指什么？为什么这两朵乌云会引起这样著名的物理学家的不安呢？我们还是回顾一下历史吧！物

3、理学进入到19世纪80年代以后，物理学的经典理论不断完善，与此同时，物理学实验上却陆续发现一些重大的结果，这些结果使旧有的物理学理论显得无能为力。这些实验中，至少有7个重大的发现，不但旧理论无法解释，有的还导致观念上的更新。第一个实验是1887年赫兹（H.R.Hertz，1857—1894）在验证麦克斯韦（J.C.Maxw-ell，1831—1879）预言电磁波存在的实验过程中，发现了光电效应。赫兹在研究电磁波发射和接收的实验过程中，发现产生火花的光与接收间隙隔绝时，必须缩短接收间隙，才能使它发生火花；任何其他火花的光射到间隙的端点，也能使间隙之间发生火花。当赫

4、兹进一步研究后，发现这一现象中起作用的是光的紫外部分。当这部分光射到间隙的负极时，作用最强。这就表示紫外光照射负极时，负极更容易放电，即有更多的电子逸出负极的表面。用其他光照射时，就没有这种现象。按照经典理论，从金属表面逸出电子的数目与光的强度有关，而与光的频率无关。这一矛盾，赫兹无法解释，但他仍以“论紫外光对放电现象的效应”为题发表论文，描述了这一现象和结果，向物理学经典理论发起了挑战。第二个实验是1887年的迈克耳逊-莫雷实验。这一结果使持有光是“以太”中的波动这一观点的人大失所望，连迈克耳逊本人也不了解这一实验结果的重要意义。第三个实验是1895年伦琴（W

5、.K.Runtgen，1845—1923）发现了X射线。这一发现是对“不可入性是物质的固有属性”观念的挑战，也是对建筑在这一观念基础上的经典物理学的有关理论的挑战。第四个实验是1896年贝克勒尔（A.H.Becquerel，1852—1908）发现了放射性辐射。这一实验结果表明化学元素是能蜕变的，它会变成其他元素，改变了人们一成不变的观念。第五个实验是1897年J.J.汤姆孙（J.J.Thomson，1856—1940）发现了电子。电子的发现和证实，向建筑在经典物理学基础上的旧观念发起了冲击，它表明比原子小的粒子是存在的，原子并不是最小的客体，指出了经典的物质结

6、构理论的局限性。J.汤姆孙获得了1906年的诺贝尔物理学奖，这是表彰他在气体导电方面的理论和实验的研究成果，而只字未提发现电子。这就表明传统观念是比较深的，不少人不容易接受新生事物。第六个实验是1898年居里夫妇发现放射性元素。这一重要发现，同样证明化学元素是要蜕变的，而原子并不是不可分的，它会放射出更小的粒子而改变自己的性质，再次说明经典理论的局限性。第七个实验是黑体辐射实验。普朗克（M.Planck，1858－1947）提出了“量子”的概念，抛弃了经典物理学特有的两条原则：从一个状态过渡到另一个状态必须是连续的原则，吸收和释放能量必须是连续的原则，宣布了量子

7、物理学的诞生。上述7个主要实验结果，用经典的物理学理论根本无法加以解释。第三个实验对传统的观念（即“不可入性是物质的固有属性”）发起了冲击，说明“不可入性”并不是物质的“固有的”属性。第四、五、六个实验，表明化学元素会蜕变，会变成其他元素：比原子小的微粒——电子的发现，说明原子并不是不可再分的最小的实体，对原子是不可再分的观念也发起了冲击。第七个实验开创了量子物理学，同时应用量子论的观点也能解释第一个实验的结果。第二个实验，只有等待狭义相对论诞生以后，才能很好地加以解释。前面提到开尔文所说的“两朵乌云”，就是指迈克耳逊-莫雷实验和黑体辐射实验。其实这不是什么“乌

8、云’，而是物理学发展的一