近代物理学概述

近代物理学概述

目前物理学主要分为两大类。一类是经典物理学，一类是量子物理学，也就是现在我所要论述的近代物理学。经典物理学主要以牛顿力学为中心，阐述了力与运动的关系。可以这么说，牛顿支撑起了整个经典物理学。而近代物理学是与量子论学为中心的，它揭示了牛顿力学的局限性（只适用于低速宏观物体），在微观高速的世界里，已诞生了以量子论为基础的量子物理学。

近代物理学主要是量子论，而量子论的发展又是从光开始的。对光的研究，在我国古代就已有记载，那些主要是几何光学的内容。而近代物理学则更多的是研究物理光学，即研究关的本质问题。对于光的本质问题，近代早期有两种学说，一是以牛顿为代表的微粒说。牛顿认为光是一种粒子，理由是光的反射和折射现象，即光是由一些个小粒子组成的，当这些小粒子射到介质上时会发生反弹，这就很好的解释了反射现象。而折射现象则是由于组成光的这些粒子射到介质上后，因受到不同方向上的力的作用，从面而改变了其运动轨迹，这就是牛顿的微粒说。另一种说法则是惠更斯的波动说。当时惠更斯提出光是一种波，但他无法证明他的结论。当时，整个物理学界就掀起了一股研究光的本质的热潮，并产生了这两种学说，因为当时牛顿在物理学界中的威望，微粒说一直占上风。

在扬氏双缝干涉实验出现以后，牛顿的微粒说就慢慢地站不住脚了，波动说正式上台。光的干涉现象已足以证明光是一种波。

后来数学家泊松为了推翻惠更斯的波动说，在实验室用数学方法做了精确的计算与研究。但却在无意中发现了一个亮斑，于是他认为

之际，科学家们便怀疑这个亮斑正是由于光的衍射产生的，于是又做了许多精确的实验，终于证明些亮斑确实为光的衍射所产生。本来想要推翻波动说的泊松，却无意中再次证明了光是一种波。后来为了记念这件有趣的事，这个亮斑被人们称为泊松亮斑。

有了干涉和衍射现象，波动说已完全确立。人们已经普遍认识到光是一种波，而且是一种电磁波，并列出了电磁波谱，有了电磁波谙，电磁泊家族又变得更为完善了。

就在波动说已稳定确立并被普遍接受的时候，伟大的物理学家爱因斯坦发现了光电效应。当光打到某金属上的时候，如果光的濒率达到了该金属的固有频率，就会打出光电子。而且打出光电子的速率是相当快的。几乎是瞬时的，大约为109 s，但如果光的频率没有达到该金属的固有频率，不管怎样加强光的强度或是光照时间，都不会打出光电子，这与光是一种波就出现了矛盾，光电效应的出现又再一次地动摇了波动说。

在此之前，普朗克对电磁波进行了精确的研究和计算，他发现，只有把电磁波看成是不连续的，而是一份一份的，每一份都是一份能量，他把这样一份一份的能量叫作能量子，简称量子，量子的概念于是由此而生。对于光电效应，爱因斯坦也作出了相似的解释。他认为，光的发射也不是连续的，而是一份一份的，

每一份都是一份能量，称为光量子，简称光子。而光就是由一个一个的光子组成的。这又重振了早期的微粒说，但爱因斯坦所说的粒子与牛顿所说的粒子是两种截然不同的的东西，牛顿所说的粒子是实实在在的，像质子，中子这样的实物粒子，而爱因斯坦所说的这种粒子是一种量子，是一份能量的体现。

光子说可以很好地解释光电效应，当光子打到金属上的时候，金属中的自由电子会吸收光子的能量，如果自由电子吸收光子能量后达到了他逃逸金属所需的最大能量后，他将被打出，成为一个光电子。因为每一个电子只能吸收一个光子的能量，而不能积累几个光子的能量，所以光电效应的产生只与光的频率有关，即与光的能量有关，而与光的强度与光照时间是无关的。

在此之后，人们对光就产生了疑惑，光电效应是事实，但光的干涉与衍射也不假啊，人们又开始思考了，光到底是什么呢？现代物理学对比提出了总结，认为光具有波粒二象性，即光既是一种波也是一种粒子，一系列的科学实验证明，光其实是一种概率波，这里就不多论述。

对光的本质问题研究已告一段落，人们又继续探究光的产生问题，光到底是怎样产生的呢？这许从原子讲起，对原子的研究也是从近代开始的。早期对原子结构的认识产生了三种说法。一是汤姆生的枣糕形结构，他认为原子就像一个实心的球体，电子就像枣子一样镶嵌在原子上，形似枣糕，故称枣糕形。第二种说法就是卢瑟福的核式结构。卢瑟福在做α粒子散射实验时，发现

大部分α粒子都直线穿过原子，只有少数α粒子改变运动轨迹或被弹回。这就说明原子并不是实心的，而是非常空的，因此，他提出了他的核式结构。核式结构认为原子并不是实心的，而是非常空的。原子的打大部质量都集中在一个小小的核上，这个核就是原子核。而电子在原子核外面围绕原子核做高速运转，而这种运转所需要的向心力是由原子核与核外电子之间的库仑力提供的，这种解释似乎已接近完美，但是还是有他的破绽。在经典力学中，这种圆周运动无疑相当完美，但它却恰好与麦克斯韦的电磁场理论发生了冲突。根据麦克斯韦电磁场理论，变化的电场周围会产生磁场，变化的磁场周围会产生电场。而当电子绕原子核做高速运转的时候，电子的电场在不断变化，故其周围会产生化的磁场，而变化的磁场又产生变化的电场，这样依次下去，就形成了电磁波，电磁波是携带者能量的，当电子围绕原子核运转的时候，就必定会向外辐射电磁波，而向外辐射电磁波就相当于向外辐射能量，这样就必定会导致电子能的损耗。由此得出结论，电子的能量将越来越小，轨道将越来越低，最后会落在原子核上，与原子核粘在一起，即镶嵌在原子核上，这又形成了汤姆生提出的枣糕形结构。显然这与事实相违背。因此核式结构又站不住脚了。对此，物理学家玻尔又提出了新的理论。他对这种现象作出了解释，他认为电子绕原子核运转并不是像卢瑟福所说的那样单纯的受到库仑力而发生的圆周运动。他提出，电子的轨道并不是连续的，而是有特定的轨道，每个轨道都对应一个能级，电子只

能从一个轨道跑到另一个轨道，而不能在轨道之间运行，即电子只能从一个能级跃迁到另一个能级，在跃迁过程中，伴随着能量的释放和吸收。

玻尔理论解决了核式结构与麦克斯韦电磁场理论所产生的矛盾，也很好的描述了原子的结构，但它仍然应用了大量的经典物理学中的理论，没有全部量子化，现代物理学以玻尔理论为基础，加以量子化，并提出了光的产生过程，其实电子的轨道是分立的，是一层一层的，而不是连续的，电子只能从一个轨道跃迁到另外一个轨道。跃迁的过程中，伴随着能量的释放与吸收，而这些能量的释放与吸收是以光子的形式来体现的，原子有很多能级，位于高能级的电子会自发地想低能级跃迁，中间的能量将以光子的形成释放出去。很多光子被释放出来就形成了光。我们都知道，光有不同的颜色，分别有红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。这些光的颜色的不同其实是代表了光的频率不同，不同频率的光具有不同的颜色。在这七种色光中，红光的频率最小，按顺序依次递增，紫光的频率最大。为什么会出现这种情况呢？那是因为原子有很多不同的能级，处于高能级的的原子会自发地向处于低能级的不同轨道跃迁。这种跃迁会形成不同的能级差。根据光子能量的表达式：E=h v就可以知道，能级差（△E）不一样，所对应光子的频率（v）也不一样，故在原子跃迁的时候，会形成不同颜色的光。当然，原子能从激发态跃迁到基态，也能从基态跃迁到激发态。但前者是自发的，后者是需要能量的。要想使处于

低能级的电子向高能级跃迁，有两种方法，一种是碰撞，把能量传递给电子，使电子向高能级跃迁。碰撞法的特点是：只要能量超过了到上一能级的能级差，就能发生跃迁。吸收光子法是指处于基态的电子吸收光子后，向高能级跃迁。这种跃迁不像碰撞那样，只要超过到上一级的能级差就能发生跃迁。而是表现得更为苛刻，只有当光子的能量刚好与该能级差相等时，才能被吸收，从而发生跃迁。就这样，处于基态的原子不断吸收光子向激发态跃迁，而处于激发态的原子不断地向基态跃迁，从而产生了光。

在原子跃迁产生光这种学说出现之后，光子说已经很完善了，但光的干涉和衍射现象却又是不可掩盖的事实，光的确具有波动性啊。但光子说又明确指出光是由光子组成的啊，是一份能量的体现啊，这又如何来解释它的波动性呢？对此，德布罗意提出了一种大胆的假设，他认为，世界上的一切物体都具有波动性，大到恒星、行星，小到质子、中子、电子，他们都具有波动性，

h。h是普朗克其波长与各自的动量有关，简单表达式为：λ=

p

常量，p是物体的动量，从式中可以看出，物质波的波动只与物体的动量有关，即与物体的质量与速度有关。因为宏观物质的质量较大，故其物质波的波长很小，表现出来的波动性就不明显，不易察觉，就连质子，中子等微小的粒子的波动性都很不明显。但后来，科学家在实验室做了电子的衍射实验，发现电子在运动时确实会发生衍射现象，这使德布罗意的物质波理论得到了证实，从而被人们普遍接受。

近代物理学还有一个重要的领域，那就是核物理。核物理主要是围绕着爱因斯坦的质能方程来发展的。爱因斯坦的质能方程，即：E=m2c，E代表的是能量，m代表的是质量，c代表的是光速。从式中可以看出，2c是一个常数，因此能量（E）与质量（m）其实就成一个简单的正比关系，甚至，从某种意义上来说，质量就是能量，能量就是质量，它们是不分家的。能量与质量是以各自的形式存在，即能量是质量的不同存在形式，质量也是能量的不同存在形式，在一定条件下，它们之间可以相互转化。

在核物理出现之前，人们总停留在研究核外电子的变化。核外电子会发生变化，那么原子核又有什么变化呢？这就是核物理中研究的——原子核内部的变化。原子核是由质子和中子组成的。质子带正电，中子不带电，而且中子的质量要比质子的质量稍大一点点，就刚好大一个电子左右的质量。科学家没有放过这样一种巧合，后来研究发现，其实中子是由一个中子核电子组成的，由于质子与电子带有电量相等电性相反的电荷，故中子不带电。这可以由原子核的β衰变来证实。衰变是原子核的一种天然放射现象，主要包括α衰变、β衰变和γ衰变。这三种衰变分别

），α射放出α粒子、β粒子和γ粒子。α粒子是氦原子核（He

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线的穿透力很弱，通常一张白纸就能把它挡住，但它的电离能力很强。β粒子是指电子，而β射线是指高速运动着的电子束，由于其速度很快，接近光速，所以它的穿透能力是很强的。γ射线是一种电磁波，其波长很小，故其频率很大，能量很高，是所射

线中穿透能力最强的，通常能穿透几厘米厚的铅板。

原子核的衰变，一般包括两种，一种是α衰变，一种是β衰变。α衰变中原子核放出α粒子，β衰变中，原子核中一个中子解体，变成一个质子，同时放出一个电子，也就是β粒子，伴随着原子核的衰变，由于能量与质量的转化关系，通常会放出γ射线，也称为γ光子。

现在来讨论质量亏损的问题。原子核在发生变化时，其质量会发生变化，一般会减少。原子核在发生变化的时候，减少质量的现象我们称之为质量亏损。为什么会发生质量亏损呢？经过研究，对于不同种元素的物质，组成它们的质子和中子的质量存在着微小的差别，其中组成铁（Fe）原子的质子和中子的质量最小，在元素周期表中，以Fe为基准，排在Fe前面的无素的原子的质子和中子的质量的质量都比Fe大，并且离Fe越远的元素，其质子与中子的质量越大，向铁（Fe）靠近呈递减趋势，比铁（Fe）大的元素亦然。比铁（Fe）原子序数大的我们称之为重核，反之为轻核。重核分裂变成轻核称为裂变，轻核聚集为重核称为聚变。当一个重核发生裂变变成轻核时，由于每个质子和中子的质量都减少了，所以就有了质量亏损，这些亏损的质量就转化为了能量，原子弹就是根据裂变的原理制造出来的。同样的，当两个轻核聚合成一个重核时，也存在着质量亏损，且质量亏损较裂变厉害。因此，聚变放出的能量比裂变多，这也是氢弹的威力比原子弹的威力大的根本原因。聚变放出的能量虽多，但不好控制，现在人

类能使用的核能都是通过裂变产生的。聚变可控制是人类的梦想，也是一个非常广阔的能源前景，因为海洋中含有较多的H 的同位素，即聚变的原料。如果聚变可控的话，人类就将不用为能源发愁了，因为利用聚变的话，1L海水聚变所放出的能量相当于300L汽油燃烧所放放出的能量，可以说是取之不尽，用之不竭。这是开发新能源的一条光明道路。

核物理使人类制造出了两种可使人类灭亡的可怕武器，它们就是原子弹和氢弹，原子弹与氢弹的理论基础都是爱因斯坦的质能方程。这两种武器的出现也证明了爱因斯坦质能方程的正确性。原子弹是利用裂变反应来实现的，它的材料一般是铀，它的引爆过程大致可以归纳如下，首先，用一个快中子去轰击铀核，被轰击的铀核发生裂变又会产生两到三个快中子，这些中子又继续轰击别的铀核，使其它铀核发生裂变，又放出中子，依次下去，最后铀核裂变所产生的能量瞬间释放出来，发生爆炸。原子弹爆炸的威力是很吓人的，瞬间就能使一座漂亮的城市变成。二战中日本广岛和长崎就是见证。氢弹是利用聚变反应来实现的。聚变反应不像裂变反应那样，用中子去轰击原子核。而是需要使两个氢原子核聚在一起，也就是要使两核靠得非常近。由于原子核之间的库仑力，要做到这一点是相当困难的。这就需要给氢原子核提供足够的能量，这种量一般通过加热得到。在聚变反应中，里面的温度至少要达到几百万摄氏度，聚变一旦发生，就无法控制，能量瞬间释放。氢弹的威力比原子弹的威力要大得多，大约是原

子弹的3到4倍。在这里，其实很多人就会认为，氢弹比原子弹厉害。其实这个观点是有一点问题的。在瞬间的杀伤力来说，氢弹确实要比原子弹强，但从长远来看，原子弹的危害性却远要比氢弹大。氢弹只是一种裂性炸弹，在炸玩就什么都消失了。但原子弹是不同的，原子弹的原料是铀，铀是具有天然放射性的，原子弹爆炸后，留下的铀仍然具有放射性，而且铀的半衰期还很长，这就意味着在原子弹爆炸后的地方，很长时间都要受到放射，因为铀的放射具有半衰期的特征，所以放射永不停息，在放射区，生物是无法生存的，将成为一片荒野，草木不生。所以说长久看来原子弹是危害性更大的。因此，为了人类的继续发展，核战争是来不得的。

在现代物理学中，科学家们已经完全接受并习惯用量子论来解决问题，量子论已发展得相当完善了。在现代物理学中，还有两位伟大和科学家的理论，即爱因斯坦的相对论和霍金的宇宙大爆炸论和时空论，也就是谈到宇宙的产生问题和时空逆转问题。具体都在《相对论》和《时间简史》中。

全文完

叶子著