主题:《量子》重启贴 -- 奔波儿

大河奔流 导读 复 82 阅 47006

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2018-09-28 06:40:01
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奔波儿
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【原创翻译】第三章·金子般的丹麦人(3) 21

【原创翻译】第三章·金子般的丹麦人(2)

卢瑟福认为α粒子之所以会产生散射,是因为在原子内部存在着非常强的电场。但在汤姆森所提出的原子模型中,正电荷是均匀分布的,因此无法形成较强的电场,另外这一模型更不可能把α粒子反弹回去。1910年12月,卢瑟福竭精殚智,最终“建立了一个远远超越汤姆森的原子模型”。“现在,”他告诉盖革,“我终于弄清楚了原子到底是什么模样!”他所提出的模型与汤姆森的迥然不同。

卢瑟福的原子模型包含一个带有正电荷的内核,即原子核(Nucleus),拥有原子几乎全部的质量。它的尺寸比原子小十万倍,所占体积微不足道,“就好比教堂里的一头苍蝇”。卢瑟福明白原子内部的电子并不足以引起α粒子的偏转,因此没有必要去描述电子到底是如何围绕着原子核分布的。大嘴巴的卢瑟福曾经说过他一直以来就坚信原子“是一种又硬又靓的东西,而且能根据人们口味显现成红色或灰色”,但此时,他与这种观点分道扬镳了。

尽管存在着(视觉上的)“碰撞”,但大部分α粒都能以直线状态穿越卢瑟福的原子,因为这些粒子与微小的原子核遥遥相距,因而不会被撞偏。少数粒子在遇到原子核的电场时会有微小的转向,这也就是人们所观察到的微弱偏转。粒子离原子核越近,则电场的排斥效应就越强,因而α粒子偏离其直线轨距的角度就越大。但是,如果α粒子迎头撞上了原子核,两者之间的排斥力将导致α粒子被径直弹回来,就像是一个撞上了砖墙的皮球。正如盖革和马斯登所观测到的,这种反弹现象出现的几率微乎其微。按照卢瑟福的说法,这就好比“夜里,在阿尔伯特音乐厅(Albert Hall)里用枪打蚊子”。

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利用自己提出的模型,卢瑟福推算出一个简单的公式,从而能够定量计算出以任意角度偏转的α粒子所占的比例。在对α粒子的分布角度所做的认真的统计工作完成之前,卢瑟福并没有急着对外公布自己的原子模型。盖革接受了这项工作,发现α粒子的分布状态与卢瑟福的理论计算值完全吻合。

1911年3月7日,在曼彻斯特文学与哲学协会(Manchester Literaru and Philosophical Society)的一次会议上,卢瑟福发表了一篇论文,首次公开了自己的原子模型。四天以后,他收到了利兹大学的物理学教授威廉·亨利·布拉格(William Henry Bragg:1862~1942)写来的一封信,谈到“大约在五、六年前,”日本物理学家长冈半太郎(Hantaro Nagaoka:1865~1950)也曾建立过一个拥有“正电荷的核”的原子模型。但布拉格不清楚的是,早在一年前的夏天,长冈在欧洲访问了一系列顶尖实验室,期间也曾拜访过卢瑟福。在收到布拉格的信件约两周以后,卢瑟福又收到了一封寄自东京的来信。长冈在信中“对您在我访问曼彻斯特期间予以的盛情接待”表示分外感谢,同时指出在1904年的时候,他就曾经提出一个“土星式”的原子模型。该模型有一个体积庞大且质量很高的核,周边的电子以环状围绕其运行。

“您可能注意到,我所提出的原子模型在一定程度上与您几年前在一篇文章中所提出的模型有些类似,”卢瑟福在回信中对此坦承相认。尽管存在相似的地方,但这两个模型有着着重要的区别。在长冈的模型中,其内核带有正电荷,高质量,且在这个“扁平蛋糕式样的”原子模型中占据大部分空间。但是,在卢瑟福的球状模型中,其内核是一个带正电荷的微小粒子,同时拥有大部分的质量,而原子中的大部分空间是一无所有的。然而,这两个模型都存在致命的缺陷,很少有物理学家能对其有更多的关注。

如果一个原子中存在带正电荷的核,而其电子的位置则相对固定,这样的原子是不稳定的,因为带负电荷的电子会在吸引力的作用下飞向原子核。假定它们像行星围绕太阳运行那样,环绕着原子核运动,同样会引起原子的崩塌。牛顿早在多年以前就提出任何以环状路径运行的物体都具有加速度。根据麦克斯韦的电磁理论,带电粒子,例如电子,在其加速运行时,会以电磁辐射的形式不断散失能量,一个环行的电子将在万亿分之一秒内沿着螺线状轨迹被吸入到原子核。大千世界所反映出来的现实情况与卢瑟福的原子核模型相左。

长久以来,他就明白这个问题看上去难以克服。“加速度运行的电子会散失能量,”卢瑟福在他发表于1906年的《放射性转化(Radioative Transformation)》一书中写道“在建立稳定原子模型的道路上,这一问题是一道最难克服的障碍”。但是,在1911年,他决定忽略掉这一困难:“在当前阶段,没必要去考虑什么原子稳定性的问题,因为这将关系到原子的瞬时结构,以及其所带有的电荷的运动模式。”

虽然,盖革为验证卢瑟福的散射公式所做的实验很快就得到了结果,但毕竟,这只是在有限的测量范围内进行的。现在,马斯登也加入进来,他们在随后的一年中花费了很多时间,进行了一次更加详尽的调查。1912年7月,他们的实验结果验证了散射公式和卢瑟福所提出的理论的主要观点。“彻底的检验工作,”马斯登后来回忆说,“繁重不堪,但却让人很兴奋。”在这一过程中,他们还发现在考虑到实验误差的前提下,原子核的电荷数大约为原子重量(注:此处所说的“原子重量”为相对重量)的一半。唯一的特例是原子重量为一的氢原子,除此而外,所有其它原子的电子数目大体为原子重量的一半。例如,对于氦原子,其电子的数目被缩减为2,而根据以前的理论这个数值最多可以为4。但是,电子数目的减半说明卢瑟福的原子模型所释放的辐射能量要比他以前所估计的更强。

卢瑟福回顾说他在第一次索尔维会议上从玻尔那儿得到的有益的帮助,但是关于自己在布鲁塞尔的经历,他却不堪回首,因为在那次会议上,无论是他或者其他任何人都没有讨论他的原子核模型。

回到剑桥以后,玻尔一直试图与汤姆森建立一种学术上的关系,但却最终未能如愿以偿。多年以后,玻尔谈到了造成这一失败的主要原因:“我的英语太烂,因此不知道该如何表达我自己的思想。我所能说的话只是这是不对的,而他对这种只有结论的对话提不起兴趣。”汤姆森对同行或学生们的论文和信件一向以熟视无睹而出名,另外,他对电子物理也不是很感兴趣。

随着日子一天天过去,玻尔觉得越来越失望,直到他在卡文迪许实验室举行的一年一度的研究生晚餐会遇见了卢瑟福。晚餐会是在十二月初举行的,这是一次宾客济济的非正式聚会,在祝酒词、歌曲和打油诗之后,还提供有一顿由十道菜组成的大餐。玻尔再一次地被卢瑟福的独特的人格魅力所吸引,他开始认真考虑离开剑桥和汤姆森,而转到曼彻斯特,投入卢瑟福的麾下。月底的时候,他前往曼彻斯特,和卢瑟福谈论这件事情。身为一位和未婚妻天各一方的年轻人,玻尔迫不及待地想做出点什么能拿得出手的成就来打发这段牛郎织女的日子。玻尔告诉汤姆森他想“了解一下放射性的相关事宜”,并获准在新学期的期末离开剑桥。“剑桥的日子生活非常有意思,”他后来坦承,“但却是彻头彻尾的浪费时间”。

玻尔在1912年的3月中旬来到了曼彻斯特,选修了一门为期七周的课程,学习内容是与放射性研究相关的实验技术,这时距离他离开英格兰只有四个月了。为了充分利用时间,玻尔用晚上的时间学习电子物理的知识,想更深入地理解金属的物理特性。在包括盖革和马斯登在内的很多人的辅导之下,他成功地完成了课程,而且卢瑟福还给他布置了一个小的研究课题。

“卢瑟福不是那种好糊弄的人,”玻尔在写给哈纳德的信中说,“他会定时来听取工作进展情况,而且能谈到每一个细节问题。”与从来不关心学生进展何如的汤姆森形成鲜明对照,卢瑟福“对身边所有人的工作都非常感兴趣”。他对科学发现有着神奇的感知能力。他的11名学生和几位紧密的合作伙伴,最终都获得了诺贝尔奖。玻尔抵达曼彻斯特的时候,卢瑟福在给朋友的信中写道:“玻尔,一位丹麦小伙子,已经抛弃了剑桥,跑到这儿想获取点放射性研究的经验。”但是,玻尔在实验室的作为并没有显示出他和其他那些渴望成功的小伙子有什么区别,除了他是一个理论学家。

卢瑟福对那些只会夸夸其谈理论的人没什么好感,而且一向不避讳在大庭广众下宣扬这一观点。“他们只会用符号做游戏,”他曾经对一位同行说,“但我们却能发现大自然最真实的面目。”有一次,有人邀请他对现代物理学的发展趋势写一篇文章的,他回复说:“我没法写这样的论文,真写的话,也只需花费我两分钟时间。我能说的就是每当那帮子理论物理学家们在那儿翘尾巴的时候,就又该轮到我们实验物理学家上场,一把抓住他们的尾巴,再一次把他们拽趴下!”然而,他却很快就喜欢上这位26岁的丹麦小伙子。“玻尔和别人不一样,”他会说,“他是一位足球运动员。”

每天下午晚些时候,实验室的工作会停下来,研究生与员工们聚在一起,一边聊天,一边喝茶,吃点蛋糕或者涂着黄油的切片面包。卢瑟福是逢场必到,坐在椅子上,侃侃而谈,涉猎甚广。但是,大部分时间,话题都围绕着物理问题,特别是原子和放射性。卢瑟福成功地塑造出一种文化氛围,连那儿的空气都充盈着发现的渴望,人们以合作的态度坦承交流和讨论着各自的观点,每一个人,甚至是新来者,都能畅所欲言。谈话的主角是卢瑟福,在玻尔眼中,他总是时刻准备着“倾听每一位年轻人,只要他感到对方有什么话要说,而且他是如此的谦和”。卢瑟福唯一不能忍受的是那种“浮夸的言辞”。玻尔,是一个喜欢聊天的人。

与谈话和写作都很流利的爱因斯坦不同,玻尔时不时需要停顿一下,那是他在试图找出合适的词语来表达自己的观点,这种情况在他说丹麦语、英语或者德语的时候都经常出现。当玻尔说话的时候,只有他的思维是清晰的。喝茶的时候,他结识了乔治·冯·海韦西(Georg von Hevesy:1885~1966),这位匈牙利人后来由于发展了放射性示踪技术(Technique of Radioactive Tracing)在1943年获得了诺贝尔化学奖,该技术在医学领域成为强大的诊断工具,而且在化学和生物学领域得到了广泛的运用。

身为外国人,在陌生的国度说着一种两人都费劲心思想掌握的语言,这些共同点让两人很快就结下了终其一生的友谊。海韦西只比玻尔年长几个月,他热情帮助玻尔迅速融入到实验室的群体中去,“他知道如何去帮助一个外国人,”玻尔在回忆当时的情景时说。在他们俩聊天的时候,海韦西谈到人们发现了越来越多的放射性元素,以至于元素周期表根本没地方把它们都放进去,这让玻尔第一次开始把注意力放在原子上面。在核衰变过程中,一种原子变成另一种原子,从而诞生出一系列“放射性元素(Radioelements)”,但人们对它们在原子王国中的真实位置缺乏明确的认识,甚至有些稀里糊涂,因此给它们命名为诸如:铀-X(Uranium-X),锕-B(Actinium-B)、钍-C(Thorium-C)。但是,海韦西告诉玻尔,有一种可能的解决方案,这是由卢瑟福在蒙特利尔时期的前合作伙伴弗雷德里克·索迪提出的。

第三章·金子般的丹麦人(4)


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