主题:《量子》重启贴 -- 奔波儿

大河奔流 导读 复 82 阅 47202

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2018-10-07 18:06:34
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奔波儿
奔波儿`5859`http://z9mkbg.blu.livefilestore.com/y1pAYd67I4RG1xeIRU3nhcpoMTRBXBgIk5bNw3y6vFZQtarQGeuOfgSw7z8W0wDnVzgh14j6-7FRpHmSXtuW2kIdjsdV_yF6XCO/icon.gif?psid=1`70`5188`22428`182078`正六品上:朝议郎|昭武校尉`2005-03-13 21:21:19`
【原创翻译】第三章·金子般的丹麦人(4) 17

第三章·金子般的丹麦人(3)

1907年,人们发现在放射性衰变过程中所产生的钍和放射性钍(Radiothorium)虽然具有不同的物理特性,但它们的化学特征却是毫无二致,任何想通过化学实验将它们区分开的努力均告失败。在随后的几年中,人们又陆陆续续发现了其它一些具有相同化学特性的元素。这时,在格拉斯哥大学任教的索迪认为这些新发现的放射性元素,与它们那些具有“完全相同化学特性的近亲”的唯一区别,是它们具有不同的原子量。它们就像是一对长得一模一样的双胞胎,区别只是在于彼此的原子量有稍许的差异。

索迪在1910年提出一种观点:这些化学特性一致的放射性元素,即他后来所命名的“同位素(Isotopes)”,只是同一元素的不同形式而已,因而应该在元素周期表上占据相同的位置。当时,在元素周期表中,所有的元素根据原子量(Atomic Weight),以增序排列,氢打头,铀居末,而索迪的观点显然是非常另类的。但是,越来越多的事实表明诸如放射性钍、放射性锕(Radioactinium)、锿(Ionium)以及铀-X(Uranium-X)在化学特性上是相同的,这些证据都有力地验证了索迪的同位素理论。

在与海韦西聊天之前,玻尔对卢瑟福的原子模型并不感兴趣。但他现在有了一个新的观点:要区分开原子,仅仅凭其物理和化学特性是不够的;应该通过原子核和原子现象进行区分。玻尔开始认真考虑卢瑟福的原子核模型,同时忽略了这一模型必然产生的解体问题,他试着将同位素与原子量结合起来对元素周期表进行排序。后来,他回忆说“条理一下子就清晰起来”。

按照玻尔的理解,在卢瑟福的原子模型中,原子核的电荷数目决定了原子所拥有的电子数目。因为原子是中性的,总体上电荷为零,他认为这是因为原子核的正电荷数目应该与其电子所带的负电荷数目一致。因此,按照卢瑟福的理论所构建的氢原子,应该是由一个的电荷为+1的原子核与一个电荷为-1的电子组成。而对于氦原子,则是由电荷为+2的原子核和两个电子组成。随着原子核所带电荷数的增加,电子的数目相应同步增长,利用这种方法可以一直构建到当时已知的最重的元素铀,其原子核的电荷数为92。

玻尔对自己的这个观点充满信心,即原子在元素周期表中的位置应该是由原子核所带的电荷数而不是什么原子量决定的。基于这一认识,他找到了通向同位素这一概念的一条捷径。也正是玻尔,而不是索迪认识到原子核的电荷数目是将所有那些具有相同化学特性但不同物理特性的放射性元素联系在一起的基石。元素周期表足以容纳所有的放射性元素;人们要做的只是根据它们的原子核所带电荷数目给它们分配房间。

恍如醍醐灌顶,玻尔忽然明白为什么海韦西无法将将铅与镭-D(Radium-D)区分开。如果电子数目决定了元素的化学特性,那么任何两个具有相同电子数目和分布模式的元素就像是一对双胞胎,在化学特性上应该也是如出一辙的,铅和镭-D的原子核都拥有相同的电荷数,即82,因此它们所拥有的电子数目应该也同样都是82,这就导致它们具有“相同的化学性质”。但是,依据其物理特性却可以将它们区分开,因为它们的原子核具有不同的原子量:铅为207,而镭-D为210。玻尔发现镭-D实质上就是铅的一个同位素,因此根本无法通过化学方法对它们进行区分。后来,所有的同位素都被标记为其所属的元素名称,再加上其原子量。例如,镭-D被标记为铅-210。

玻尔掌握了这把揭示原子奥秘的钥匙,即放射性实质是一种由原子核引发的现象,而不是由原子引起的。基于这一认识,玻尔指出在放射性衰变过程中,一种放射性元素在变成另一种元素的同时会释放出α、β和γ射线,这种现象与原子核相关。玻尔认为,如果他的这一理论是正确的,那么当带有92个正电荷的铀原子核在蜕变成铀-X时,会释放出一个α粒子,失去两个正电荷,这样原子核所带的电荷数将降至90。为了保证原子的中性特点,这个新的原子核不可能控制住所有的92个电子,因此必然会有两个电子瞬时逃逸。在放射性衰变过程所产生的新的原子,为了保证其中性特点,都必然会在一瞬间获得或者失去电子。而这个拥有90个正电荷的原子核的所谓的铀-X元素,实质上是钍的一个同位素。根据玻尔的解释,它们的“原子核都具有相同的电荷数目,但它们的原子量及其原子核的结构是不同的”,这也就是为什么那些试图将原子量为232的钍与“铀-X”,即钍-234分离的人总是不能如愿以偿的原因。

玻尔对放射性衰变的解释是建立在原子核这一层面的,他回忆说这一理论说明“元素在发生放射性衰变的时候,与原子量的变化没有任何关系,如果它的原子核释放出一个α粒子,它将失去两个正电荷,同时在元素周期表中退后两步;如果它释放出一个β粒子,则其原子核会得到一个正电荷,而在元素周期表中会相应前进一步”。例如,铀发生衰变的时候,释放出一个α粒子,转化成钍-234,其在元素周期表中的位置将后退两步。

β粒子是一个快速移动的电子,其电荷为-1。如果原子核释放出一个β粒子,它的正电荷相应增加一个。这就好比是有两个粒子,一个为正,另一个为负,它们和谐共处一室,而一旦出现电子逃逸现象,这种平衡就被打破,则正粒子就相应增多出来一个。因此,这个发生了β衰变的新原子就比老的原子多出了一个原子核电荷,则其在元素周期表中就会向前移动一位。

当玻尔向卢瑟福讲述他的观点时,后者警告他说“在没有足够的实验证据支持的前提下,任意发挥”是非常危险的。这让玻尔非常诧异,他没想到到自己会被卢瑟福泼了一盆凉水,但他还是试图说服卢瑟福“这将是支持他的原子模型的最有力的证据”。可是,他无功而返,部分原因是因为他无法用英语清晰地解释自己的思想。而卢瑟福自己当时正忙着写一本书,根本没有时间去认真思考,因而对玻尔的这一工作成果居然就视若无睹了。按照卢瑟福的观点,尽管α粒子是从原子核中释放出来的,但是β粒子至多只是放射性原子释放出的电子而已。玻尔曾经五次企图说服卢瑟福接受自己的理论,可是卢瑟福对此一直持质疑态度,自然不可能顺着玻尔的逻辑思路得到相同的结论。玻尔感到卢瑟福现在对他还有他的理论已经失去了耐心,于是决定先让这件事情暂缓一阵子。但是,有人却不这么想。

弗雷德里克·索迪不久就发现了与玻尔的观点一致的“位移定律(Displacement Laws)”。不过,与年轻的丹麦小伙子不同,即使没有得到权威们的认同,索迪照样会将自己的研究成果对外公布。索迪是大家公认的那种会在原子研究领域带来突破性进展的人,但是没有人会料到第一个引入这一重要观点的人会是一位42岁的性格孤僻的荷兰律师。1911年7月,在一篇投到《自然》杂志的短篇文章中,安东尼·约翰内斯·范登布鲁克(Antonius Johannes van den Broek:1870~1926)指出任一元素的原子核所带电荷数是由其在元素周期表中的位置决定的,而这个位置应该是指原子数(Atomic Number),而不是什么原子量(Atomic Weight)。范登布鲁克的观点受到了卢瑟福的原子模型的启发,但是其理论所基于的很多基本假设后来都被证明是错误的,例如他假定原子核的电荷数是元素原子量的一半。卢瑟福对此非常恼火,在他看来,一个律师发表“一堆没有充分证据支持的猜想就是瞎胡闹”。

由于没有得到任何人的支持,范登布鲁克在1913年11月27日发表在《自然》期刊上的另一篇文章中,抛弃了他以前提出的原子核所带电荷数为原子量一半的假设。在这之前,盖革和马斯登在他们发表的一篇文章谈到了α粒子散射现象的最新研究成果。一周以后,索迪向《自然》期刊寄去一封信,谈到范登布鲁克的观点清晰地解释了他的位移定律。随后,卢瑟福也表达他的支持:“范登布鲁克提出原子核的电荷数目与原子数相等,但并非等同于原子量的一半,这个创新性的观点在我看来是如此光芒四射。”他曾经反对玻尔所提出的类似的观点,但在18个月之后却亲自写信盛赞范登布鲁克的文章。

由于卢瑟福的消极态度,玻尔永远地失去了正式发表“原子数”这一概念的第一人的荣誉,而索迪却籍此于1921年获得了诺贝尔化学奖,对此,玻尔从未对人抱怨过。“他对自己所做出的判断总是信心十足,”玻尔每念及此总是很动情,“而且我们每个人都对他强大的人格魅力万分崇拜,这种感情在他的实验室中给予每个人无穷的灵感,而且他谦和而热忱地关注所有人的工作,促使我们每个人都全力以赴来作为回馈。”事实上,玻尔依旧将能从卢瑟福口中获得肯定视作是“我们每个人所期盼的最高的奖励”。如果其他人遇到类似的事情一定会沮丧不堪、牢骚满腹,但玻尔却能泰然处之,为什么呢?原因很快就会揭晓。

在卢瑟福劝阻玻尔发表他的创新观点之后没过多久,一篇新鲜出炉的论文吸引住了玻尔的眼球。这篇文章是卢瑟福的同事中唯一的那位理论物理学家查尔斯·高尔顿·达尔文(Charles Galton Darwin:1887~1962)的大作,此人的祖父就是那位著名的博物学家。这篇文章的着眼点是那些穿透物质的α粒子的能量衰减问题,至于那些被原子核散射的粒子不在讨论范围。这个问题最初是由汤姆森在调查他的原子模型时提出的,但现在达尔文在使用卢瑟福的原子模型时再次探讨了这个问题。

盖革和马斯登观测到了大角度散射的α粒子,卢瑟福利用这些数据进一步发展了自己的模型,他认识到原子中的电子不足以引发这种大角度散射,故而可以忽略它们的影响。因此,在构建以任意角度散射的α粒子所占比例的公式时,卢瑟福将原子实质上是当作一个单独的原子核来对待的。这之后,他只是简单地认为原子核居于原子的中心,其四周围绕着电子,但却没有提及电子是如何分布的。达尔文在自己的文章也使用类似的方法,但他是反其道而行,忽略了原子核对α粒子的影响,而专注于电子。

至于在卢瑟福的原子模型中,电子应该如何排布,达尔文自己也不确定,他认为,最有可能出现的情况是电子均匀地分布在原子的整个空间或者表面。达尔文的结果主要取决于原子核所拥有电荷的多少以及原子的半径,但他发现不同原子半径给出的(测量)结果与已有的计算结果不一致。当玻尔读到这篇文章的时候,他很快就意识到达尔文走到了错误的方向,因为达尔文眼中的电子是自由活动的,而不是被约束在带有正电荷的原子核周围。

玻尔最杰出的才能就是他能够找到现有理论的问题,并在此基础上进行发展。这一本领使他在整个职业生涯中受益匪浅,而且他经常能是通过发现自己工作的问题,以及和其他人结果不一致的地方,进而开展工作的。这一次,达尔文的错误成为了玻尔的出发点。卢瑟福和达尔文将原子核和电子分别单独对待,并忽略了另一方的存在。玻尔意识到如果一种理论要想成功地解释α粒子是如何与原子的电子互相作用的,那么它可能会揭示原子的真正结构。当他着手纠正达尔文的错误时,往日那种因为卢瑟福慢待他的研究成果而带来的不快情绪早已随风而去。

玻尔一改自己以往那种方式来草拟书信,哪怕只是给弟弟写信。“那一刻,我的感觉好极了,”玻尔向哈纳德保证,“几天前,我对α射线的衰减问题有了一些小小的想法(这个问题是这么回事儿:我们这儿有一位年轻的数学家---C.G. 达尔文(那位著名的达尔文的孙子),他针对这个问题发表了一篇论文,但是我觉得他的理论在数学上存在问题(但只是很微小的错误),而且在基本概念上也犯了错。我也对这个问题进行了一点推导,我的理论,大概也不算什么,但可能会有助于揭示原子的结构)。预计不久之后,我就会就此发表一篇小文章。”由于没有规定他必须要去实验室,他承认这对自己“专注于这一理论研究带来了极大的方便”。

在他准备在自己草草搭起的理论架构上添砖加瓦之前,整个曼彻斯特大学,他唯一能够一吐为快的人就是卢瑟福。尽管卢瑟福对丹麦人所要研究的方向感到有些吃惊,但他还是认真倾听了玻尔的想法,而且这一次他鼓励玻尔坚持下去。由于得到了卢瑟福的批准,玻尔不再去实验室。因为他在曼彻斯特的时间所剩无几,他觉得压力颇大。他在7月17日写给哈纳德的信中说“我想自己已经发现了一些东西;起初,我愚蠢地认为几天就能搞定,但要真正把东西做出来,我显然要花费更长的时间”,这时距离他们第一次分享这个秘密已经过去了一个月。“我希望在启程之前自己能写出一篇小文章给卢瑟福看,因此我很忙,非常之忙;但曼彻斯特这儿的酷热却让我的疲乏雪上加霜。我是如此渴望能和你畅谈一番!”他想告诉弟弟他准备修正卢瑟福模型的错误,那就是把它变成一个量子原子(Quantum Atom)。

(第三章完)

第四章·量子原子(1)


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通宝推:逍遥清风,桥上,青颍路,
最后于2018-10-14 18:05:23改,共2次;
2018-10-07 18:06:34

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