物质的基本结构是什么?

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北京理工大学出版社
2019-08-02 · 德以明理,学以精工。
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人们在传统上一直遵循着科学的还原论来揭示自然中的质朴有序:把复杂的系统分解成较为简单的部分,再分别对这些部分加以研究。一切物质都是由少数基本单位(即最初的“原子”)组成的,这种观念起源于古希腊。但是,只是在20世纪,技术才有了足够的进展,使我们能够详细地研究、了解原子的作用。这方面最早的发现之一,主要是卢瑟福勋爵在20世纪初作出的。这个发现就是,原子根本就不是基本的粒子,而是由其内部的构件合成的结构。原子质量大部分集中于小小的原子核,原子核只有1厘米的一万分之一大小。核的周围包围着由较轻的粒子(即电子)构成的云,电子云延伸的距离达1厘米的一千万分之一。因此,一个原子的绝大部分是一无所有的空间,加上量子因素排除了电子具有精确的轨道的可能性,原子便让人觉得像是一种非物质的模糊的实体了。

电磁力使电子离不开原子核,原子核带有正电荷,原子核的周围是电场,电场使带负电荷的电子逃脱不了。很久以前人们就发现,原子核本身也是复合体,是由两种粒子组成的,一种粒子是质子,带正电荷,另一种粒子是中子,既不带正电荷,也不带负电荷。质子和中子的质量分别都是电子质量的1800倍。

物理学家们一旦发现了原子的基本构造,就能够将量子论应用于原子,从而揭示出一种惊人的和谐。电子的波的性质通过电子存在于其中的某种固定的“定态”或“能级”中并将它自己表现出来。假如能量以光子的形式(小批的光能)被吸收或被发射,就会发生能级之间的跃迁。因此,能级的存在是以光能的形式显示出来的,而光能的情况可以从光的频率(颜色)推断出来。分析一下原子所吸收或发射的光,就会发现一种光谱,光谱是由一系列谱线或不连续的频率组成的。最简单的原子是氢原子,是由一个质子(原子核)和一个电子组成的。氢原子的能级可用一个简单的公式1n2--1m2乘以一个固定的能量单位表示。式中的n和m是整数1,2,3...这种紧凑简洁的算术式使人想起音乐的音调,比如吉他或管风琴上的泛音,这些音也可以用简单的数字关系来表示。这并不是偶然的巧合。一个原子的能级的排列是与量子波振动相对应的,正如一部分乐器的频率是与声音的振动相对应一样。

假如在氢原子中使电子束缚于质子的力在数学上不是简单的,那么,原子的和谐就不会如此完美。

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2018-06-11 广告
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