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透视原子王国

时间:2022-02-13 理论教育 版权反馈
【摘要】:薛定谔从德布罗意的思想中得到启发:既然电子既是粒子,又是波,那么原子世界必定服从一个既能描述粒子运动,又能描述波的运动的方程式,它深刻地反映出原子世界的运动规律,后来人们把它称为“薛定谔方程”。在薛定谔方程中,电子能呆在原子世界内的任何地方,只是它们出现在玻尔所说的轨道上的可能性要大得多。薛定谔方程是世界原子物理学文献中应用最广泛、影响最大的公式。

透视原子王国

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我们世界上最美好的东西,都是由劳动、由人的聪明的手创造出来的。

——高尔基

玻尔的理论获得了极大的成功,但也有需要完善的地方。特别是他硬性“规定”电子只能在一些轨道上运动,不能在其他轨道上运动,显得毫无道理。电子为什么不能在其他地方运动?连他的导师卢瑟福也这样问他。然而他对此也解释不清。20世纪20年代,世界物理学界人才辈出,其中德布罗意和薛定谔就是他们的代表。

德布罗意1892年生于法国,是贵族的后裔。他善于从历史的观点出发研究自然科学问题,其最杰出的贡献就是在思考光学史的时候提出了物质波的思想。从这一思想出发,德布罗意提出了一个崭新的现点:电子不仅是一个粒子,也是一种波,它还有“波长”。他的这一观点后来为美国物理学家所证实,他们在一次实验事故中意外地发现了电子产生的衍射,而衍射是典型的波动特性。德布罗意由于在物质的波动性方面做出了杰出的贡献而获得了1929年诺贝尔物理学。

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德布罗意

薛定谔1887年生于维也纳,学习成绩优异,23岁时获得哲学博士学位,对自然科学也有浓厚的兴趣。薛定谔从德布罗意的思想中得到启发:既然电子既是粒子,又是波,那么原子世界必定服从一个既能描述粒子运动,又能描述波的运动的方程式,它深刻地反映出原子世界的运动规律,后来人们把它称为“薛定谔方程”。

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薛定谔

薛定谔方程能够解释玻尔理论中的那些存在的缺陷。首先,电子的运动轨迹得到了合理的解释。电子并不是只能呆在某些轨道上,而别的地方不能去。在薛定谔方程中,电子能呆在原子世界内的任何地方,只是它们出现在玻尔所说的轨道上的可能性要大得多。这样一来,电子不像绕太阳运转的行星,而是像环绕在高山顶尖四周的一片云彩了。“电子云”较稠密的地方就是电子较容易出现的地方;反之,“电子云”很稀薄的地方就是电子很少光顾的地方。薛定谔方程是世界原子物理学文献中应用最广泛、影响最大的公式。当时最伟大的物理学家普朗克和爱因斯坦对他非常钦佩,由于他对量子力学的杰出贡献,获得1993年诺贝尔物理奖。经过几代科学家近半个世纪的努力,原子的秘密终于被破译了。在这个神秘的微观世界里,占统治地位的是带正电的原子核。它占了原子质量的99%以上,而体积还不到原子体积的万分之一。如要把原子放大到24层高的大厦那么大,原子核只有一粒黄豆那么一点,可见原子里是多么空旷。带负电的电子就在这个黑洞洞的空间里围绕着原子核疯狂地旋转,这就是大自然的“精心安排”。

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薛定谔方程

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