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第三编现代化学进展时期
这一发现公布后,玛丽·居里(M.S.Curie,1867——1934)很快投入了这一新的研究领域。她测量了铀的辐射强度,并发现铀的辐射强度正比于铀的数量而与其他任何因素无关。她不知疲倦地测定其他化学元素或化合物,发现钍也具有这种辐射能力。她建议把这种辐射能力叫做“放射性”。后来,她又发现沥青铀矿中的放射性比已测得的铀的放射性强得多。 玛丽.居里大胆假定沥青铀矿中存在一种比铀的放射性强得多的未知新元素。为了寻找这个未知的新元素,比埃尔·居里(P.Curie,1859—1906)同妻子玛丽·居里共同研究。他们通过繁重的劳动,从大量的沥青矿渣中去提取那个未知元素,最后发现了两种新元素,一种取名为“镭”,另一种取名为“钋”,以纪念自己的祖国——波兰。 镭有许多奇异的特性,它以一定的速度不断地蜕变时,能发出很强的辐射,使近旁的气体电离,使许多物质发出荧光,对生物有机体有杀伤力。 天然放射性元素能够放射出α、β、γ三种射线,于是,原子不可分的观念被彻底打破了。 1902年,卢瑟福和索迪(F.Soddy,1877—1956)提出原子自然衰变的理论,阐明放射性的本质就是放射性元素的原子自发地转变为另一种原子的过程。他们指出,天然放射性元素都以固定的寿命放出射线,逐步地转变为其他放射性元素,最后成为没有放射性的铅,结束衰变过程。这就证明了元素不是不可改变的,而是可以转化的。 1898年,汤姆生又和他的学生们继续做直接测量带电粒子电量的研究.其中之一就是用威尔逊云室,测得了电子电荷是1.1x10-19C,并证明了电子的质量约是氢离子的千分之一.于是,汤姆生最终解开了阴极射线之谜.这以后不少科学家较精确地测量了电子的电荷值,其中有代表性的是美国科学家密立根,在1906年第一次测得电子电荷量e=l.34X10-19C,1913年最后测得e=1.59x10-19C.在当时条件下,这是一个高精度的测量值.近代精确的电子电荷量e=149)x10-19C(括号中的值是测量误差). 三、波尔模型 1911年,英国物理学家卢瑟福根据1910年进行的α粒子散射实验,提出了原子结构的行星模型。在这个模型里,电子像太阳系的行星围绕太阳转一样围绕着原子核旋转。但是根据经典电磁理论,这样的电子会发射出电磁辐射,损失能量,以至瞬间坍缩到原子核里。这与实际情况不符,卢瑟福无法解释这个矛盾。 尼·玻尔(Niels Bohr,1885-1962),在卢瑟福模型的基础上,他提出了电子在核外的量子化轨道,解决了原子结构的稳定性问题,描绘出了完整而令人信服的原子结构学说。 1912年,正在英国曼彻斯特大学工作的玻尔将一份被后人称作《卢瑟福备忘录》的论文提纲提交给他的导师卢瑟福。 在这份提纲中,玻尔在行星模型的基础上引入了普朗克的量子概念,认为原子中的电子处在一系列分立的稳态上。回到丹麦后玻尔急于将这些思想整理成论文,可是进展不大。 1913年2月4日前后的某一天,玻尔的同事汉森拜访他,提到了1885年瑞士数学教师巴耳末的工作以及巴耳末公式,玻尔顿时受到启发。后来他回忆到“就在我看到巴耳末公式的那一瞬间,突然一切都清楚了,”“就像是七巧板游戏中的最后一块。”这件事被称为玻尔的“二月转变”。 1913年7月、9月、11月,经由卢瑟福推荐,《哲学杂志》接连刊载了玻尔的三篇论文,标志着玻尔模型正式提出。这三篇论文成为物理学史上的经典,被称为玻尔模型的“三部曲”。 玻尔的原子理论给出这样的原子图像: 1.电子在一些特定的可能轨道上绕核作圆周运动,离核愈远能量愈高; 2.可能的轨道由电子的角动量必须是 h/2π的整数倍决定; 3.当电子在这些可能的轨道上运动时原子不发射也不吸收能量,只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时原子才发射或吸收能量,而且发射或吸收的辐射是单频的,辐射的频率和能量之间关系由 E=hν给出。h为普朗克常数。h=6.626×10^(-34)J·s 量子力学是在旧量子论的基础上发展起来的。旧量子论包括普朗克的量子假说、爱因斯坦的光量子理论和玻尔的原子理论。 1900年,普朗克提出辐射量子假说,假定电磁场和物质交换能量是以间断的形式(能量子)实现的,能量子的大小同辐射频率成正比,比例常数称为普朗克常数,从而得出黑体辐射能量分布公式,成功地解释了黑体辐射现象。 1905年,爱因斯坦引进光量子(光子)的概念,并给出了光子的能量、动量与辐射的频率和波长的关系,成功地解释了光电效应。其后,他又提出固体的振动能量也是量子化的,从而解释了低温下固体比热问题。 1913年,玻尔在卢瑟福有核原子模型的基础上建立起原子的量子理论。 按照这个理论,原子中的电子只能在分立的轨道上运动,在轨道上运动时候电子既不吸收能量,也不
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