量子论与原子结构.doc

在十九世纪快要结束时，若干科学领域里出现了涉及粒子和不连续变化的理论，而过去这些领域里则是由连续物质和连续变化的观念统治着的。这些学说主要是德国人发展起来的，德国人在整个十九世纪一贯倾向于粒子学说。细胞是一切生物的单位的理论，几乎完全是德国人发展起来的；同样，遗传是由自主种质的粒子机能所操纵的学说，至少在早期臆测阶段，也是由耐格里和魏斯曼发展的。德国的费希纳、韦伯、黎曼、基尔霍夫和克劳胥斯，都把电看作是带电荷的粒子，而英国的法拉第、凯尔文、麦克斯韦和菲茨杰拉德则认为电现象是连续的以太中的应变造成：如我们在前面看到的，麦克斯韦的以太模型就包含有电粒子的观念，但是他没有加以发挥。德国的赫尔姆霍茨在公元 1881 年论述法拉第的电解定律时说道： 法拉第是领会到这里的含义的，但他把这种建议连同物质的原子学说一起否定掉，仍旧主张“物质到处存在，而且中间没有什么不被物质占据的空隙。” 除掉电的研究外，另一个发展了粒子学说的领域是对光、热和其他电磁辐射现象的研究；在这一方面连续波动说在十九世纪中曾经取得相当大的成就。问题的出发点是在研究黑体发射的光和热时碰到的，因为黑体产生辐射的连续光谱，和化学元素产生的线光谱相反。实验证明黑体加热到一定温度时发射出一种在特殊波长上最大能量的辐射；这种最大能量的波长随着温度的增加而下降。在实验室的温度下，这种最大能量的辐射在光谱上是看得见的，黑体先是发出红光，然后随着温度增加变为桔红、黄、白，最后变蓝。 这样一种现象是可能用光的波动说解释的。瑞利爵士在公元 1900 年表明，如果电磁辐射是由自然掁子发出的，那就不会有发出最大能量的波长：发出的能量应当随着辐射波长的下降而无限度地增长。一个自然掁子，如拉紧的弦，具有若干掁动的方式。弦的第一种振动方式是弦长等于波长的一半，而往后发生的振动方式则是弦长等于半波长的二、三、四、五倍，以至于无穷，因此单是一个短短的波长就可以有无限数的振动方式。根据能的均分原理，每一方式的振动应当具有同量的能，因此黑体辐射的大部分能应当由很短的波长发出来，即由光谱的紫外线和 X 射线部分发出，而不应由光谱的可见部分发出。其他关于黑体辐射的理论研究都没有取得多大成就，其中较著的有威恩（ Wien ，公元 1864 － 1928 ）在公元 1896 年发表的解释，他不采用什么模型，而是根据纯热力学推理来进行分析。 这个问题的解决是由当时在柏林大学的麦克斯·普朗克（ Max Planck ，公元 1858 － 1947 ）设想出来的。普朗克指出如果黑体辐射是由量子不连续地发射出来，而一个量子的能量是和辐射频率成比例的，那末低温度就有利于接近光谱红端的长波的发射，因为量子的能量较小，但在高温度时，由于有更多的能可用，就有利于发射短波长的较大量子。普朗克就是以这种方式说明了黑体在一定波长发射最大量的能，而随着温度的增加，这种最大值移到较短的波长。普朗克的量子论在公元 1905 年被爱因斯坦用来解释与杜隆和珀替的原子热守恒法则产生的差异，并说明了金属曝光时发出电子的现象。他还设想，光以及一般的电磁辐射，都是以粒子的形式，或者如后来称做的光子，通过空间传播的，这样一来，在某种程度上，就弥补了他在同年发表相对论时否定了以太之后所留下的漏洞。 量子论最重要的应用，是在原子结构研究方面，如我们已经看到的，电流通过盐溶液时所观察到的电解定律，使得赫尔姆霍茨在公元 1881 年设想电是粒子的形式，约翰斯东·斯通尼（ Johnstone Stoney ）在公元 1891 年称这些粒子为电子。电流通过低压气体进一步证明电是粒子性质，并为研究原子构造提供了一个方法。在一个装有低压气体的管子里两块金属板之间通电，就可以发现三种射线：一种是从阴极板到阳极的阴极射线，一种是走相反方向的阳极射线；还有 X 射线，这是阴极射线击中物质，诸如一个金属靶子时所形成的。 科学家最初集中研究的是阴极射线，发现阴极射线是走直线的，因为挡着光线去路的物体都被投出清晰的影子。而这种光线具有动量，能够使一只轻的叶轮转动。阴极射线因此就好象是一道直向运动的粒子流，而且这些粒子是荷电的，因为电场和磁场都能使它偏转。公元 1897 年约·约·汤姆生（ J.J.Thomson ，公元 1856 － 1940 ）在剑桥大学，通过安排了一个电场和一个磁场以抵消电场和磁场所造成的粒子偏转，测量了这些粒子的速度。磁场对粒子施加的力是根据粒子的速度而定的，而电场对粒子施加的力则不是如此。在汤姆生的实验里，从电场和磁场的强度比值就得出粒子的速度，而速度一旦找到后，单靠磁偏转或者电偏转就可以测定电荷与粒子质量的比值。 汤姆生证明这此粒子都带有阴电荷，而且是一切物质的共同成分，因为任何气体放在他的放电管里都以同样的电荷对质量的比值发出阴极射线。他从