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大道至简——写给孩子看的近代物理学

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  • 作者:陟云子 时间:2018-06-01 10:02
    (正文)

    第一篇 毫微之处见神奇-微观粒子的前世今生

    1.路漫漫其修远兮,吾将上下而求索——寻求粒子的极限

    人类对科学的探索是无止境的,对微观世界的探求就更是如此。在一个朝暾初露的清晨,当你纵目眺望,看到窗外娇艳欲滴的鲜花、郁郁葱葱的树木和平砥如镜的湖面时,你是否曾想到过,它们究竟是由什么构成的?

    有人说,一花一世界,一叶一如来,相比于我们生存的宏观世界,微观世界的丰富程度和多彩性一点都不逊色。如果能深入到这些物体内部,我们就会发现,不管这些物体是什么质地、什么颜色,抑或它的形状和大小是什么样的,这些物体都是由一个个分子构成的。

    分子是保持物质化学性质的最小粒子。分子具有什么样的特性,由这种分子组成的物体在宏观上也就具有同样的特性。

    分子是由更小的原子构成的。早在两千多年前的古希腊,一位叫做德谟克利特的哲学家就提出了原子的概念,并且认为万物都是由原子构成的。原子的原意是看不见的并且不可分割的粒子,它有不同的种类、形状以及重量,原子在空间的不同运动形态便形成了不同的物质。虽然从今天的角度来看,德谟克利特的说法是不严谨和不完善的,但却揭示了原子的重要特性,原子是参与化学反应的最小粒子。例如我们都知道,氢气在氧气中燃烧,最终的产物是水。在此过程中原有的氢分子和氧分子被拆散重组,形成了由两个氢原子和一个氧原子共同组成的水分子,从分子角度看肯定是发生了变化,但是相应的氢原子和氧原子依然保持它们原有的形态,在此过程中并无变化。
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    作者:陟云子 时间:2018-06-01 11:39
    (正文)

    哲学思想的前瞻不能替代真正的科学发现。1803年,英国物理学家道尔顿第一次在实验中引入了原子的模型,他认为原子是实心的不可分割的小球,同种元素的原子性质和质量都完全相同。1869年,俄国科学家门捷列夫发现了元素周期表的排列规律,从而真正将人们带入了科学原子论的大门。

    道尔顿的原子模型难以解释原子中电荷的分布,因此在1904年,汤姆逊提出了葡萄干面包模型,这个模型也被叫做枣糕模型或者西瓜模型,该模型认为电子是平均分布在原子当中的,就好像葡萄干分布在面包中一样,而整个原子从宏观上说正负电荷彼此相互抵消,因此仍然表现为电中性。只有当受到激发时,电子才会脱离原子,而产生所谓的阴极射线。该理论能够解释原子的电中性特性,但却不能解释卢瑟福的散射实验。卢瑟福采用氦核轰击金箔,结果发现氦核出现了大角度的偏转,即散射角度很大,像是被弹回来一样。如果原子结构是葡萄干面包模型所描述的那样,氦核最多有小角度的偏转,该实验现象促使卢瑟福进行仔细思考,提出了原子的行星模型。他认为原子大部分体积是中空的,在原子中心有一个原子核,原子核集中了原子中所有正电荷和几乎全部质量。带负电的电子因为电磁相互作用而围绕原子核运动,就像太阳系中行星围绕太阳运动一样。

    卢瑟福的发现是开创性的,并且也被后续的一些实验所证实。按照目前测定的原子核和原子的大小,如果将原子比作一间屋子的话,那么原子核仅仅相当于一枚樱桃!但因为原子中绝大部分质量都由原子核提供,所以如果我们按照宏观的计算方法去计算原子核的“密度”,它将是一个非常惊人的数值。

    卢瑟福提出行星模型之后,玻尔又在此基础上进行了修正,为了解释氢原子光谱的分立特征,他提出了电子在空间中并不是任意排布的,而是按照一定规律分层排列,这就是玻尔的原子结构模型。
    | 2楼 | | | |
    作者:陟云子 时间:2018-06-01 15:33
    (正文)

    既然原子核体积这样微小,人们自然要发问了,原子核内部的构造又是什么样的呢?1919年,卢瑟福用氦核轰击氮核,结果得到了氢原子核和氧17同位素。经过精确测定,证明质子是原子核的组成部分。十三年之后,查德威克用氦核轰击铍核,结果得到了一种不带电的中性粒子,后来被证明是中子。很显然中子也是原子核的组成部分。中子是一种不稳定粒子,其平均寿命为918秒,远远短于质子和电子的寿命,但它的质量要略略大于质子,近似为电子质量的1840倍。质子和中子都是原子核的构成部分,统一叫做核子。海森堡等科学家都认为,原子核就是由质子和中子组成的。

    人们发现中子以后,对于物质结构的认识,科学家们普遍觉得电子、光子、质子和中子是构成物质的基本成分,所以把它们叫做基本粒子。但随后人们发现了一类被称作奇异粒子的基本粒子,如K介子,Λ超子等等,它们和以上四种粒子互不统属,而是平行并列关系。随着高能加速器加速能力的提高和粒子探测技术的深入,到目前为止,已经发现了数百种基本粒子,按照它们所对应的静止质量的不同,我们可以将它们划为四类:

    第一类是静止质量为零的光子,光子是电磁相互作用的媒介粒子。

    第二类是质量十分微小的轻子,它们不参与强相互作用,但参与弱相互作用,比如我们熟知的电子就属于这一类。

    第三类是介子,按照当初设定概念时的约定,介子的质量介于轻子和质子之间,但现在一些新发现的介子质量往往会超出这个质量上限。

    第四类是重子,重子的本意是质量大于或等于质子的粒子,我们前面提到过的中子也属于这一类。
    | 3楼 | | | |
    作者:陟云子 时间:2018-06-01 18:49
    @山那边是海2018 2018-06-01 18:13:11
    你的认识比我复杂。我只认识到质子中子电子这一层。不过你说再分基本粒子有几百种。这有点越来越复杂了。
    不过世界真是永远琢磨不透。
    一起侃侃不错
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    欢迎师兄不吝赐教! | 6楼 | | | |
    作者:陟云子 时间:2018-06-02 09:03
    @山那边是海2018 2018-06-02 08:24:55
    宇宙真是让人想不通。要是分子原子基本粒子,再分下去,永远没有尽头。
    妄图一元化解释宇宙难。。
    人类妄想控制宇宙也是太不可能了。还是与自然和谐相处好。科学也是死路,解决不了宇宙问题
    -----------------------------
    宇宙学的很多问题现在还处在猜测之中,有待于进一步地验证。虽然宇宙看起来是有“边界”的(因为宇宙事实上是四维时空中的三维曲面),但人类的思索是无边界的。 | 9楼 | | | |
    作者:陟云子 时间:2018-06-02 09:37
    @山那边是海2018 2018-06-02 09:12:14
    我天文书看了很多,也看了很多年。自以为洞悉了宇宙,但有时也不免困惑
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    在宏微观两个尺度上,都有很多悬而未决的问题,宏观上比如宇宙的演化、黑洞的形成等,微观上比如基本粒子的相互作用形式统一问题,后面会陆续予以介绍,欢迎继续关注! | 11楼 | | | |
    作者:陟云子 时间:2018-06-02 10:36
    (正文)

    在今天看到的物理学中,我们把所有粒子中光子和轻子以外的粒子都叫做强子,并且按照它们的自旋对介子和重子的概念重新作出定义。自旋为整数的,例如1,2,3等等叫做介子,自旋为半整数的,如1/2,3/2,5/2等叫做重子。

    为了解释这么多强子的出现,物理学家盖尔曼作出假设,所有强子都具有内部结构,它们是由更基本的夸克和胶子所组成的。每一种夸克都带有分数倍的质子电荷,有的是质子电量的+2/3倍,有的则是质子电量的-1/3倍。到目前为止我们一共发现了六种夸克,它们分别是上夸克、下夸克、粲夸克、奇异夸克、底夸克、顶夸克,有时我们也用味道这个词来形象地称呼这六种夸克,这里的味道并不是说夸克真的具有某种可以品尝的味觉,而只是对夸克做了一个形象的区分。为了解决夸克组合成强子时有可能出现电荷为分数的困境,人们又引入了颜色的概念,这里的颜色也是虚拟的概念,不对应现实世界中的颜色。夸克的颜色一般有三种,用红、绿、蓝来表示。组成重子的三个夸克分别对应三种颜色,所以是无色的。而组成介子的是夸克和反夸克组成的夸克对,它们携带的颜色正好是“互补”的,所以看起来也是无色的。

    连接夸克和夸克的是胶子,我们可以把夸克想象为小球,胶子想象为连接小球的橡皮筋。当夸克彼此之间的距离很近时,橡皮筋没有产生弹力,这时候两个夸克的运动都是自由的。然而当两个夸克之间的距离增大时,橡皮筋上的弹力增加,且距离越远弹力越大,这就阻碍了两个夸克的分开。所以目前在实验上我们并没有得到单独的夸克。

    那么夸克是否是最小的粒子呢?我们目前还不能肯定。很多科学家都认为,夸克也不是粒子的终极,它们是可以进行分割的,这也是为什么有时我们把夸克叫做层子的原因。夸克的内部结构,正等待我们去进一步探索。
    | 12楼 | | | |
    作者:陟云子 时间:2018-06-02 14:38
    (正文)

    2. 工欲善其事,必先利其器——粒子物理的探测工具

    从前文中我们知道基本粒子的尺度是十分微小的。就拿质子为例,它的大小只有所谓的飞米量级,也就是说如果我们将一米的长度分割成了一千万亿份,那质子的大小也仅仅相当于其中的一份。在如此小的尺度上,早已超过了光学仪器分辨本领的极限,因此不能通过显微镜等装置直接观察到这些粒子的存在。

    要想探测这些粒子,就需要用到能在微观尺度下适用的工具。随着实验研究手段的不断提升和改进,有关高能粒子的探测器五花八门,但按照基本工作原理和研究方式的不同,我们可以把它们划分成两类,第一类是统计粒子数目的计数器,它们能把符合一定条件的粒子进行数字上的叠加,就好像我们在一堆水果中数出有多少个苹果,又有多少个橘子一样。这一类包含闪烁计数器、盖革计数器、契伦科夫计数器等等;第二类是探测粒子运动轨迹的径迹探测器,大家可以把粒子想象为参加长跑的运动员,运动员奔跑的路径可以通过无人机来拍摄,而粒子的轨迹也同样可以由探测器来记录,这一类探测器有威尔逊云室、火花室、多丝正比室等等。

    咱们先来看计数器。拿闪烁计数器来说,就是应用粒子打在某些物质上引起闪烁发光而制成的。一个闪烁计数器包含闪烁体、光电倍增管和负责记录的电子仪器三大部分。闪烁体是产生荧光的物质,早些年常用硫化锌、碘化钠来产生荧光,后来也使用特种塑料来做闪烁体,闪烁体产生的荧光一般位于可见光波中波长较短的部分,所以我们看到的荧光为青色或者紫色的居多。 | 13楼 | | | |
    作者:陟云子 时间:2018-06-02 17:48
    @山那边是海2018 2018-06-02 17:39:11
    我们国家应该在中学阶段普及天文学教育。
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    天文学是和物理学并列的理科分支,不过要研究天文学必须要有强大的物理学基础。前些年高中课程改革,好多原来的必修内容都改成了选修,比如机械波、分子热运动、波动光学等等。所以就目前高中学生的理科基础来看,要在中学阶段普及天文学的内容有一定难度。但作为兴趣爱好培养,开设选修课程还是没问题的。 | 17楼 | | | |
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    • 作者:陟云子
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    • 开贴:2018-06-01 10:02
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