1、魅力科学论文题 目 原子物理学的发展 姓 名 庄修志 专 业 交通运输 学 号 201334042 指导教师 张志强 郑州科技学院车辆与交通工程系二一六年六月摘要本文较详实地介绍了原子物理学的发展历程。从最早的“原子”概念出发，“不可分割”与“可分割”的争论，到 19世纪后开始的黄金发展阶段，最后确定了原子的基本组成和运动规律。引出了原子核物理的具体发展历程，每个时段都有独特的、有进步意义的新理论提出或对旧理论的完善，体现着人类探索物质内部结构的艰难。关键词： 原子;原子核;分割;发展 1 引 言原 子 物 理 学 是 研 究 原 子 的 结 构 、 运 动 规 律 及 相 互 作 用 的 物
2、 理 学 分 支 。 它主 要 研 究 ： 原 子 的 电 子 结 构 ； 原 子 光 谱 ； 原 子 之 间 或 与 其 他 物 质 的 碰 撞 过 程和 相 互 作 用 。 原 子 物 理 学 的 发 展 正 像 其 他 学 科 的 发 展 一 样 ， 经 历 了 一 个 漫长 的 不 均 匀 的 发 展 过 程 。 真 正 的 大 发 展 是 在 19 世 纪 后 半 叶 到 20 世 纪 前 半叶 ， 人 们 对 原 子 本 身 的 结 构 和 内 部 运 动 规 律 才 有 了 比 较 清 楚 的 认 识 ， 我 们称 之 这 一 阶 段 是 原 子 物 理 学 发 展 的 黄 金
3、时 段 。 之 后 才 逐 步 建 立 起 近 代 的 原子 物 理 学 。 下 面 介 绍 原 子 物 理 学 的 发 展 过 程 。2 原子物理学的发展过程2.1远古时代的原子学说万 物 由 什 么 组 成 ？ 物 质 可 以 被 无 休 止 地 分 割 为 愈 来 愈 小 的 物 质 单 元 还 是存 在 构 成 世 界 的 “砖 块 ”？ 这 是 古 代 哲 人 们 就 开 始 思 索 的 问 题 。 公 元 前 4世 纪 的 古 希 腊 哲 学 家 留 基 伯 在 致 力 于 思 考 分 割 物 质 问 题 后 得 出 一 个 结 论 ： 分割 过 程 不 能 永 远 继 续 下 去
4、 ， 物 质 的 碎 片 迟 早 会 达 到 不 可 能 分 得 更 小 的 地 步 。他 的 学 生 德 漠 克 里 特 接 受 了 这 种 物 质 碎 片 会 小 到 不 可 再 分 的 观 念 并 称 这 种 物质 的 最 小 组 成 单 位 为 “原 子 ”。 由 留 基 伯 与 德 漠 克 里 特 提 出 的 留 基 伯 原 子 论哲 学 作 为 “最 系 统 、 最 始 终 一 贯 。 并 且 可 以 应 用 于 一 切 物 体 的 学 说 ”是 对早 期 希 腊 各 派 自 然 哲 学 的 大 综 合 ， 并 将 早 期 希 腊 的 自 然 哲 学 推 上 一 个 光 辉 的顶
5、峰 。 在 他 们 的 观 点 中 ， 原 子 是 最 微 小 的 、 不 可 再 分 割 的 物 质 微 粒 ， 是 坚 实的 、 内 部 绝 对 充 满 而 没 有 空 隙 的 东 西 。 原 子 数 目 有 无 限 多 ， 它 们 彼 此 间 性 质相 同 。 其 差 别 只 表 现 在 形 状 、 大 小 和 排 列 上 。 原 子 在 虚 空 中 不 停 地 运 动 ， 运动 中 原 子 间 会 发 生 碰 撞 ， 有 时 会 粘 着 并 组 合 在 一 起 。 于 是 一 组 原 子 组 合 成 一种 东 西 ， 而 另 一 组 原 子 组 合 成 另 外 的 东 西 等 等 。
6、这 样 万 物 就 由 作 为 实 在 的 建筑 石 料 的 原 子 和 虚 空 构 成 了 。 其 后 ， 哲 学 家 伊 壁 鸿 鲁 、 卢 克 莱 修 先 后 接 受 了这 种 原 子 学 说 ， 后 者 在 其 著 名 诗 作 物 性 论 中 以 动 人 的 笔 触 全 面 介 绍 了原 子 学 说 ， 使 之 成 为 古 代 原 子 学 说 理 论 知 识 的 最 主 要 来 源 。 接 着 古 代 原 子学 说 又 经 历 了 一 个 漫 长 的 黑 暗 的 停 滞 时 期 ， 在 整 个 封 建 时 代 ， 物 理 学 、 化学 等 学 科 为 了 适 应 封 建 主 的 需 求
7、 ， 一 是 为 了 寻 求 延 年 益 寿 ， 长 生 不 老 的 秘方 ， 陷 入 了 炼 丹 术 的 泥 坑 。 二 是 为 了 得 到 更 多 的 财 富 ， 寻 求 点 石 成 金 的 办法 。 与 此 同 时 ， 封 建 神 学 思 想 统 治 了 社 会 ， 愚 弄 世 人 ， 对 “圣 典 ”条 文 的 研究 代 替 了 对 自 然 真 理 的 发 掘 。 人 类 从 物 质 结 构 的 争 论 转 到 了 关 于 鬼 神 的 争 辩 。在 长 达 十 多 个 世 纪 的 时 间 里 ， 对 物 质 结 构 的 研 究 和 探 索 被 人 们 所 遗 忘 ！2.2古典的原子学说
8、直 到 16 世 纪 之 后 ， 物 质 的 原 子 观 才 被 世 人 所 逐 步 接 受 ， 著 名 学 者 伽 利略 ， 笛 卡 儿 都 重 新 提 及 过 原 子 论 。 17 世 纪 形 成 的 气 体 分 子 运 动 论 的 萌 芽 可以 说 是 现 代 原 子 学 说 的 发 源 。 在 这 期 间 值 得 一 提 的 是 ， 1666 年 牛 顿 发 现了 光 谱 ， 从 此 人 们 研 究 光 谱 、 分 析 光 谱 ， 并 积 累 了 大 量 的 光 谱 资 料 ， 得 到了 一 些 经 验 公 式 ， 后 来 因 此 产 生 了 很 多 的 新 理 论 ， 致 使 光 谱
9、 成 为 研 究 原 子内 部 结 构 的 重 要 途 径 之 一 。 1801 年 ， 英 国 化 学 家 道 尔 顿 提 出 了 新 的 原 子 学说 。 他 认 为 物 质 是 由 许 多 种 类 不 同 的 元 素 所 组 成 ， 元 素 又 由 非 常 微 小 的 ， 不可 再 分 的 、 不 能 毁 灭 又 不 能 创 生 的 原 子 所 组 成 。 同 种 元 素 的 原 子 大 小 、 性 质等 都 相 同 ， 异 种 元 素 的 原 子 是 不 相 同 的 。 道 尔 顿 用 他 的 学 说 说 明 了 化 学 中 的物 质 不 灭 定 律 、 定 比 定 律 和 倍 比 定
10、 律 等 。 道 尔 顿 的 原 子 学 说 是 根 据 事 实 概括 的 结 果 ， 能 够 用 来 研 究 和 发 现 新 的 现 象 ， 因 此 比 古 代 原 子 学 说 更 进 一 步 。2.3原子物理学的黄金时段物 理 学 发 展 到 19 世 纪 80 年 代 积 累 了 大 量 的 事 实 ， 归 纳 出 了 好 多 原 理和 定 理 ， 建 立 了 完 整 的 三 大 理 论 体 系 ； 力 学 ， 热 力 学 ， 和 电 动 力 学 。 1885年 ， 瑞 士 人 巴 尔 末 发 现 氢 光 谱 线 系 的 规 律 ， 归 纳 出 形 式 异 常 简 单 的 经 验 公 式
11、 ，随 后 玻 尔 利 用 此 规 律 很 快 找 到 氢 原 子 跃 迁 规 律 。 1887 年 赫 兹 发 现 光 电 效 应 ，后 被 爱 因 斯 坦 利 用 光 量 子 假 说 成 功 解 释 。 1895 年 伦 琴 发 现 了 射 线 ， 后 来x人 们 得 到 原 子 内 层 之 间 的 跃 迁 规 律 。 1896 年 法 国 人 贝 克 莱 尔 发 现 放 射 性 。1897 年 汤 姆 逊 发 现 了 电 子 ， 并 证 明 了 电 子 是 各 种 元 素 的 基 本 组 成 部 分 。 这两 个 发 现 彻 底 粉 碎 了 原 子 不 可 分 的 理 论 。 之 后 贝
12、 克 莱 尔 是 在 偶 然 的 情 况 下发 现 了 放 射 性 ， 当 时 他 正 致 力 于 磷 光 性 物 质 的 研 究 ， 无 意 中 发 现 放 在 抽 屉里 用 纸 密 封 好 的 底 片 居 然 感 光 了 ， 形 成 放 在 其 上 面 的 一 把 钥 匙 清 晰 的 像 。 光是 从 哪 里 来 的 ？ 通 过 细 心 的 观 察 发 现 是 磷 光 实 验 用 的 铀 的 化 合 物 也 偶 然 放 在抽 屉 里 的 原 因 ， 在 研 究 后 发 现 这 种 化 合 物 具 有 放 射 性 ， 能 从 中 发 出 放 射 线来 。 之 后 ， 居 里 夫 妇 从 几
13、十 吨 提 过 铀 的 废 矿 中 提 取 出 放 射 性 更 强 的 的 钋 和 镭 。由 于 放 射 现 象 的 发 现 ， 知 道 一 种 放 射 性 元 素 发 出 粒 子 后 能 够 转 变 为 其 他 新 元素 的 原 子 ， 说 明 发 出 射 线 的 原 子 就 是 有 其 内 部 的 结 构 。 与 此 发 现 相 比 ， 电子 的 发 现 却 没 有 这 么 幸 运 ， 虽 然 汤 姆 逊 由 于 确 认 电 子 的 存 在 而 被 誉 为 “一 位最 先 打 开 通 向 基 本 粒 子 物 理 学 大 门 的 伟 人 ”， 但 他 不 是 最 早 发 现 电 子 的 ，
14、在他 之 前 赫 兹 就 作 过 相 同 的 阴 极 射 线 的 实 验 ， 终 因 真 空 度 不 够 而 没 能 发 现 。1897 年 考 夫 曼 也 都 作 了 类 似 的 实 验 ， 发 现 了 阴 极 射 线 ,测 得 了 值 。 但me/都 因 没 有 勇 气 改 变 传 统 旧 观 念 而 放 弃 。 这 些 都 是 恩 格 斯 所 描 述 的 “当 真 理碰 到 鼻 子 尖 的 时 候 还 是 没 有 得 到 真 理 ”的 人 。 汤 姆 逊 不 仅 证 明 了 电 子 的 存在 ， 而 且 还 发 现 很 多 材 料 里 都 能 发 出 电 子 ， 说 明 电 子 是 物
15、质 的 组 成 部 分 。于 是 1898 年 ， 汤 姆 逊 大 胆 地 提 出 了 原 子 的 “枣 糕 模 型 ”： 原 子 的 带 正电 部 分 是 原 子 那 么 大 的 ， 具 有 弹 性 的 冻 胶 状 球 体 ， 正 电 荷 均 匀 分 布 在 球 内 和球 面 上 。 有 负 电 子 镶 嵌 着 ， 这 些 电 子 在 其 平 衡 位 置 上 作 简 谐 振 动 ， 原 子 发 光频 率 即 为 电 子 震 动 频 率 。 汤 姆 逊 的 模 型 后 来 被 证 明 是 错 误 的 ， 但 他 的 这 些 研究 为 后 人 建 立 原 子 模 型 提 供 了 不 少 启 示
16、。参考文献 1N玻尔.原子物理学和人类知识论文续编M.北京:商务印馆,1978.2褚圣麟.原子物理学M.北京:高等教育出版社,1979. 3VF韦斯科夫.二十世纪物理学M.北京:科学出版社,1979. 4 杨福家.原子物理学M.上海:上海科学技术出版社,1985.5 王印磊, 李卫平. 原子物理学发展中的一座里程碑 玻尔理论J. 湖南科技学院学报 , 2005,(11) .6 但汉久, 佘庆华. 光谱项与玻尔理论J. 咸宁师专学报 , 1997,(03) .7 田伟中. 原子观的演化J. 天津成人高等学校联合学报 , 2001,(04). 8 但汉久, 陈正斌. 多电子原子光谱规律的研究J. 咸宁师专学报 , 2000,(06)
