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【物理学的足迹】 1899年 卢瑟福发现α射线和β射线(外一则)
热度 6 Penrose 2016-2-1 11:35
1899 年 卢瑟福发现α射线和β射线 节选自“改变世界的科学” 丛书 之《物理学的足迹》 图1. 卢瑟福 1896 年贝克勒尔发现天然放射性之后,居里夫妇从沥青中提取出了天然放射性单质元素钋和镭,用信服的实验结果证实了自然界中确实存在放射性元素,从此拉开了放射性研究的序幕。为了进一步了解所谓的“放射性”究竟是什么物质,英国的物理学家卢瑟福开展了几个关键性物理实验,并由此建立起了物理学的一个新的分支——原子物理学。 图2. 三种放射线的偏转 1897 到 1899 年间,剑桥大学的卢瑟福在贝克勒尔的发现基础上,针对放射元素铀的发出的射线做了深入的研究。我们知道天然射线穿透能力很强,可以使厚纸包裹的底片感光。为了研究天然射线究竟能穿透什么材料,卢瑟福试着用层层铝箔把铀盐包裹起来。他发现天然射线实际上存在两种,一种可以很轻易地用纸或单层铝箔就可以挡住,而另一种需要多层铝箔才能包住。于是卢瑟福用希腊字母把前者命名为α(阿尔法)射线,后者命名为β(贝塔)射线。不久,法国物理学家维拉尔从铀盐中又发现了一种穿透力更强的射线,称为γ(伽马)射线。三种射线如何区别呢?物理学家们发现三种放射线其实带电特征不同,α射线带正电,β射线带负电,γ射线不带电。根据电磁学的基本原理,带电粒子在磁场中会发生偏转,因此辨认三种射线可以简单用磁铁来做到。把放射物质放在带小孔的铅盒中,射线路径上加上磁场,不带电的γ射线将保持直线传播,而带正电的α射线和带负电的β射线则偏转方向相反并和磁场方向有关。如今,物理学家已经清楚三种射线的本质,α射线是失去两个电子的氦原子,即氦原子核,含有两个质子,所以带正电,具有较大的质量;β射线实际上就是电子流,所以带负电,质量较轻;γ射线属于电磁波,是光子束,其静止质量为零。从质量上也可以看出,三种射线穿透能力属γ射线最强。一般来说,人的皮肤或者一张纸就可以挡住α射线,一块厘米厚度的木板或者毫米厚度的铝箔就可以阻挡β射线,而能量很高的γ射线能够轻易穿透人体组织,只有采用厚厚的混凝土或者达几个厘米厚的铅板才能阻挡它!除此之外,核反应中释放的中子也会造成核辐射,四种射线都属于电离辐射。 图3. 常见电离辐射的防护方法 天然放射性在自然界普遍存在,地表的土壤和岩石和建筑用的花岗岩等都含有一定量的天然放射性元素,我们所饮用的水和食用的食物都可能含有少量的放射性物质,而在医疗检查或者放射性治疗中用到的 X 射线和γ射线都是人工辐射源。稀有气体氡气是天然放射的主要来源之一,过量的辐射会引起人体的不适甚至病变,积累过多的辐射会导致死亡。许多所谓的“鬼屋”其实是因为含有大量的氡气和其他惰性气体,容易使人产生幻觉并且对身体造成伤害,以至于某些抵抗力差的人会离奇地死亡。 图4. 生活中的辐射来源及比例 发现天然放射性的类别之后,卢瑟福进一步思考这些放射性的物理本质,他认为放射性其实来自原子内部,由于放射性的存在,原子内部状态发生变化,可能转化为另一种原子,有别于原子都不发生变化的化学反应。为了验证他的想法,卢瑟福用α粒子轰击了氮原子,通过分析α粒子散射后的偏转路径,他发现其实原子内部是有结构的。真正和α粒子发生对 撞的仅仅只有原子中心的一小部分——原子核,而原子核外部都是带负电的电子。更深入的研究让卢瑟福于 1919 年发现了原子核内部存在带正电的粒子——质子。卢瑟福以无可辩驳的实验证明了原子具有内部结构,它并不是我们世界最小单元!正是如此,后人才依据他的实验基础提出了各种原子模型,并最终催产了量子力学!这些人群中,诸多是卢瑟福的学生或者助手。卢瑟福可谓是世界上“桃李满天下”中的佼佼者,他的学生和助手中有近 10 位鼎鼎大名的诺贝尔奖获得者。为了纪念卢瑟福的科学贡献,英国特地成立了卢瑟福实验室,之后和阿普尔顿合并,称为卢瑟福 . 阿尔普顿实验室,是目前世界上几个著名的科学实验室之一。 图5. 英国卢瑟福-阿普尔顿实验室(实地拍摄) 1911 年 卢瑟福提出原子结构的有核模型 20 世纪初,原子论的已经被广泛接受,然而原子内部有什么?仍然是一个待解决的问题。为了探测原子内部结构,最简单直接的办法就是找到一个合适的“子弹”去“射击”原子,看“子弹”是如何偏转的。英国物理学家卢瑟福利用他在天然放射性方面研究得天独厚的优势,很快找到了这个合适的“子弹”——α粒子。因为在天然放射线中,α粒子(本质是氦原子核)带正电,具有较大的质量和较低的速度,最容易探测其运动轨迹。 图1. 阿尔法粒子轰击原子的轨迹 1911 年,卢瑟福用α粒子轰击金箔并追踪其轨迹,他发现大部分α粒子都“如入无人之境”穿透过去,只有一部分轨迹发生了偏转,说明它们受到了正电的排斥作用,其中还有万分之一的粒子是“如撞墙后原路弹回”的。这说明在金原子内部存在一个比α粒子质量大得多且带正电的“核心”,其直径仅仅是原子直径的万分之一左右,卢瑟福把它叫做“原子核”。由于原子本身是电中性的,所以为了平衡,原子核外就是一堆带负电的电子“紧密团结”在原子核外围。原子内部结构的发现开启了原子物理学这一新的学科,卢瑟福也成为了探索原子内部奥秘的第一人,为此他获得了 1908 年的诺贝尔化学奖。 图2. 原子的有核轨道模型 关于原子内部结构的探索还远没有停止,为了理解电子在原子内部是如何运行的,物理学家先后提出了“葡萄干蛋糕模型”、“行星轨道模型”、“量子化原子模型”等一系列模型,最终促使了量子力学的建立。而量子力学最成功的案例之一就是氢原子模型,在这个模型中,电子不再是以“轨道”形式在原子内部运动,而是以“电子云”形式,氢原子的电子云是各向同性的球形,在某些特定直径处电子出现概率较大,对应于之前“轨道”的概念。不同原子里的电子云形状多种多样,它们有“哑铃型”、“十字梅花型”、“纺锤型”等等,这才是电子在原子内部的真实情况。 图3. 电子云的形状 卢瑟福的实验同样创造了粒子物理学的基本研究方法——撞击或者对撞。现今粒子物理学家仍采用对撞的方法来研究粒子的内部结构和粒子间的相互作用。北京的正负电子对撞机、美国费米实验室的粒子对撞机、欧洲大型强子对撞机等都是目前科学家们斥巨资寻找新粒子的庞大“武器”。虽然对生物学家来说,将两只青蛙对撞,然后研究其碎片,从而得出青蛙的内部结构,这种研究是最为糟糕也是最不可信的。但是对物理学家来说,粒子内部作用能量太大,人类无法找到合适的“手术刀”来解剖,对撞,或许是目前唯一且最好的办法。 图4. 原子战争之膝盖中弹 图5. 粒子物理学家研究粒子结构的方法 【丛书简介】 “改变世界的科学”丛书是针对青少年编著的一套大型科普图书,含数学、物理学、化学、天文学、地学、生物学、医学、农学、计算机科学等9个分册,以编年体的形式呈现,图文并茂地叙说人类历史上20 000年来最重大的科学发现。本丛书为上海市“十二五”重点图书。 丛书各分册均按照时间顺序来回顾、概括人类的科学活动,以科学发现的历史为主,兼及科学机构的兴衰、科学教育的发展、科学社团的变迁等。丛书通俗易懂,对于青少年了解科学知识、领悟科学方法、弘扬科学精神,乃至对于提高国民的整体科学文化素养,都将起到积极的促进作用。
个人分类: 物理学的足迹|20764 次阅读|11 个评论
【物理学的足迹】1803年 道尔顿提出原子论
热度 1 Penrose 2016-1-11 11:29
节选自“改变世界的科学” 丛书 之《物理学的足迹》 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=22926do=blogid=946900 我们的世界是无限可分的吗?自古以来人们从哲学上不断地探讨过这个问题。从形象上来看,一个苹果可以一分二,二分四,四分八……似乎可以永远不断地切下去——如果你的水果刀足够小且锋利的话。会不会分到最后,到了一个无法分割的最小单元呢?古希腊哲学家留基伯和他的学生德谟克利特就认为确实存在一个最小的“不可分”单元,他们把它叫做“原子”(希腊文就是“不可分”的意思),“原子”和“虚空”共同组成了世间万物。 2000 多年过去了,人们对微观世界是否存在基本单元的讨论主要还是停留在哲学阶段。就如同中国古代人认为万物的基本单元可以由“金、木、水、火、土”五行来组成一样,人们对物体的基本单元仍然不甚清楚。直到 17-18 世纪,科学实验开始盛行,物理概念光凭理论抽象往往是不足以说服别人的,实验现象和数据证实更为重要,原子的科学概念也随之建立起来。 1789 年,法国化学家拉瓦锡首先从化学角度给出了原子的基本定义:原子应该是化学变化中的最小单位。 1803 年,英国化学家和物理学家道尔顿正式提出了科学意义上的原子论。他这一学说并不是基于抽象的哲学,而是他长年以来在记录气象观测数据中悟出的一个物理规律——道尔顿分压定律:对于同一容器内混合的多种气体,若气体间没有发生化学反应,则每一种气体都均匀地分布在整个容器内,它所产生的压强和它单独占有整个容器时所产生的压强相同。用原子论来解释该定律非常简单:组成各种气体的原子不同,它们可以均匀分布到容器中。道尔顿认为原子在化学反应中不可再分,化学反应其实就是不同原子之间的结合或者分离,因此原子的相对质量可以通过化学反应来测量。尽管道尔顿的原子论还存在许多局限性,如他没有意识到原子和分子之间的区别,以至于晚年时候还竭力反对分子式这一概念,而且他测量到原子量也和实际情况差别很大,但科学上的原子论提出让人们对微观世界的认识更近了一步,从此人类的好奇心深入拓展到了微观世界。 如今,科学告诉我们,世界确实由无数个很小的原子组成,原子的直径在 10 -10 米左右(百亿分之一米)。物质中原子间隔大概在一倍到千倍原子直径之间,小小的一滴水里面的原子数目有多少? 10 23 个!这可是天文数字,即使是让全地球 60 亿人来数的话,也要几十万年才能数完!正是因为原子的不同组合排列方式,构成了缤纷多彩的世界。例如构成生命物质的基本单元——碳原子,它既可以通过层状六角蜂窝的形式结合成质地柔软的石墨,也可以通过密集堆积的方式结合成世界上最硬的材料——金刚石,更可以“和谐团结”一起组成一个足球烯—— C60 ,甚至成为一根微观世界的“管子”——碳纳米管。认识物质中原子排布情况主要靠精密的 X 射线、中子和电子衍射实验手段,一些科学手段甚至能够间接“触摸”和“感知”原子。 回到前面那个哲学问题,原子是否可以再分?当然可以!从化学意义上来说,原子确实是最小的基本单元,但是从物理意义来说,原子是有内部结构的!原子由带正电的原子核和带负电的核外电子构成,原子核直径是原子直径的十万分之一到万分之一,电子直径要更小。原子核又由不带电中子和带正电的质子组成,中子和质子的内部则是三种夸克。夸克和电子有没有内部结构?这是现代物理学尚无法给出确切答案的问题。也就说,我们的世界是否无限可分?至今仍没有科学答案。但我们知道,随着科技的发展,人们对微观世界的认识定然会更加深刻。 【丛书简介】 “改变世界的科学”丛书是针对青少年编著的一套大型科普图书,含数学、物理学、化学、天文学、地学、生物学、医学、农学、计算机科学等9个分册,以编年体的形式呈现,图文并茂地叙说人类历史上20 000年来最重大的科学发现。本丛书为上海市“十二五”重点图书。 丛书各分册均按照时间顺序来回顾、概括人类的科学活动,以科学发现的历史为主,兼及科学机构的兴衰、科学教育的发展、科学社团的变迁等。丛书通俗易懂,对于青少年了解科学知识、领悟科学方法、弘扬科学精神,乃至对于提高国民的整体科学文化素养,都将起到积极的促进作用。
个人分类: 物理学的足迹|24099 次阅读|2 个评论
电子在原子中是如何运动的?[玻尔原子模型100周年纪念文集文章]
热度 1 gaoshan1900 2015-9-20 16:39
2013年 6 月 11-14 日,我参加了在丹麦科学院举办的纪念玻尔原子模型 100 周年的科学史会议 ( http://www.nba.nbi.dk/bohratom100yrs.html )。这里贴出的是我发表在会议文集中的文章。 Shan Gao - Bohratom100.pdf How do electrons move in atoms? From the Bohr model to quantum mechanics Niels Bohr proposed what is now called the Bohr model of the atom in 1913. He suggested that electrons are particles and they undergo two kinds of motion in atoms;they either move continuously around the nucleus in certain stationary orbitsor discontinuously jump between these orbits. The Bohr model was latterlyreplaced by quantum mechanics in 1925-26, in which the physical state of anelectron is described by a wave function. What, then, does the wave functiontruly represent? Exactly what are electrons? And how do they move in atoms? In this talk, I will show that a deep analysis of protective measurements and the mass and charge distributions of a quantum system may provide the answers. It turns out that microscopic particles such as electrons are indeed particles,but their motion is never continuous but always discontinuous and random. Moreover, the wave function represents the state of random discontinuous motionof particles, and in particular, the modulus square of the wave function givesthe probability density for particles being in certain locations. In some sense, this new picture of quantum reality may be regarded as an extension to Bohr’s discontinuous quantum jumps.
个人分类: 量子物理|989 次阅读|1 个评论
液气相变后潜热藏哪里?--原子动力学一瞥
热度 2 kiwaho 2015-1-29 10:28
液态水吸收大量热能后蒸发成水蒸气,然而温度不见升高。好奇的人会问潜热藏哪里呢? 这个问题要由原子动力学来回答。 原子由原子核和核外电子云构成,核外电子绕核高速旋转。这是中学生就知道的基本科学知识。 凝聚态是宇宙物质存在的普遍形态。这个道理也不难懂:构成物质的基本粒子,也喜欢像人类一样凑热闹,扎堆抱团取暖天经地义。但扎堆也要讲游戏规则,否则就闹成今年跨年夜的上海滩踩踏死人的惨剧。扎堆大的原则说通俗一点即是:让人活,也让己活,不要过分亲近,留足最低生存距离。 电子为什么要绕核高速旋转?用经典的旋转离心力平衡库仑吸力当然讲得通。其实从另外一个角度来讲更形象,如果把原子当作一个生命体的话,这就是生命的本能嘛:电子如果不在核外高速巡逻,众核中央们岂不要推推搡搡挤在一起?那谁都别想活出一口气! 因而电子是原子的卫兵。卫兵护主的天职,并不妨害不同原子的电子卫兵之间结为好友,即形成化学键。 人在空旷的地方,心里防范性就低。同理,原子在空旷的地方,电子卫兵也会本能地放松警惕,尽量回到原子核心周围悠哉游哉其乐融融。想想也是,外面没有其它原子与你抢地盘,电子跑到老远的轨道上警戒真的没必要,回巢休息洗洗睡得了。当其它原子靠近之时,电子就该迎上去,画出更大的电子云,以防止被入侵。 即物质密度减小,分子/原子距离增加,电子轨道半径缩小,库仑吸力加大,离心力要相应加大,电子速度必须增加,电子动能增加。反之亦然。 按上述推断,相对液态水来说,水蒸气的分子之间非常稀疏,因而各原子的核外电子会尽量往里缩,电子转速提高。增加的动能积分,正是气化潜热的藏身之处! 那么摊到每个电子头上,储藏的潜热,使得动能到底增加多少呢?电子提速多少呢?这是可以估算出来的。 上一篇博文提到,光谱实验观测结果摊到每个水分子的潜能约为0.4eV。 1个H2O分子共有18个重子(质子+中子)以及10个电子。这里的潜热能悄悄藏到那10个电子里去了,而不是用来给重子增速的,折腾重子或者说整个原子,做布朗热运动是显热干的事。因而每个电子平均拿到0.04eV。 事实上这10个电子分布在不同能级的轨道上,平均分配0.4eV理论上是不合理的,但作为估算无所谓。 动能公式为: E=0.5*m*v*v。两边求微分,再求速度增量可得dv=dE/(m*v)。 已知:1eV=1.602*10^(-19)J(焦耳), 电子质量约10^(-30)kg,波尔氢原子轨道速度=5000km/s=5*10^6m/s。 代入前述微分式得到: 速度增量dv= 0.04*1.602*10^(-19)/ =1360m/s,即1.36km/s。 原电子速度5000km/s,增速变化仅仅1.36km/s,算成百分比近千分之0.3,显然微不足道。但可以注意到: 电子绕核速度仅微小变化,即可吸纳较大的潜热能。 在凝结过程中,物质密度增加,分子/原子距离减小,电子轨道半径增大, 库仑吸力减小,离心力相应要减小, 电子速度必须减小,电子动能减小。或者说此时电子要发生能级跃迁。高能级跃迁到低能级必然释放出光子。也可以理解为轫致辐射,减速扔掉的电子动能以光子形式释放。 储存在电子轨道里的动能增量即潜热能,最终就是在凝结时以热光子释放而收场!
4126 次阅读|7 个评论
全球最小电影,精彩
热度 3 guoweihehe 2013-7-2 10:26
这部获得吉尼斯认证的电影名为《A Boy and His Atom》,采用数千个精确放置的原子制作了近250帧的定格动画动作,由I BM研究院出品。 土豆网链接: http://www.tudou.com/programs/view/UdB87CEXvpM/ 报道链接: http://news.mydrivers.com/1/262/262059.htm 众所周知,原子是化学反应的基本微粒,直径的数量级大约是10^-10m,而且质量极小。有关原子的研究从17世纪就已开始,虽然后来科学家通过实验证实了原子的真实存在,但直到去年7月份,科学家才首次通过超高速摄像机捕捉到单个原子的影像,可见“想见原子一面”难度之高。 不过,IBM近日的一段成果堪称奇迹, 他们竟然用原子拍出了一部“全球最小电影”:《A Boy And His Atom(男孩和他的原子)》,这应该算是最极端的微距镜头了吧 。 据悉,为了完成这部影片, IBM使用他们自制的重达两吨的显微镜在零下268℃的环境下拍摄。通过特殊的控制探针来摆放原子的位置,每摆放一次就形成定格影像,最终合成一部242帧的微型影片 。由于技术细节上过于专业,IBM也并未过多介绍。 只知道制作这部影片的团队之前在电磁存储领域曾有所建树,这部影片算是他们进军“电影界”交上的处女作。
个人分类: 科学凹下去|2927 次阅读|7 个评论
[转载]以道家为宗(6)假设两种“三生万物”及其原子世界——比喻道
SciteJushi 2013-5-25 18:51
原载 http://blog.sina.com.cn/s/blog_729a92140101jogm.html “道生一,一生二,二生三,三生万物。”是老子的名句,可以有多种启发。 根据化学知识,这里首先做,微观假设, 1. “道生一”:中子; 2. “一生二”:一个中子 ≈ 一个质子 + 一个电子; 3. “二生三”: 质子、电子,加中子,共三种粒子, “生”强调“一”中子只有与其余“二”粒子结合才能长久; 4. “三生万物”:三种粒子,构成各种原子、分子,进而组成具有宏观意义的物质; 5. 电子:用1、阴爻“- -”表示,两段暗示其有质子对应; 6. 中子:用0、阳爻“—”表示,因为无电性、单独不稳定可以消失而通“无”或1; 7. 质子: 中子减去电子,视为非独立,在电子云内的小点,不需另外表示; 8. 对有宏观意义的物质来说,三类粒子,已是最基本的了,代表“基本单元”; 9. 单元,还有更细致的结构、性质、规律,生、灭、聚、离及其相应的光子、能量等过程是单元间通信、转化、迁移的基础,仍非“死点”,即“道是活的”; 10. 足够大的空间区域 U 中的所有化学物质的粒子的集合 A : {中子 0 =(i,t,x(t),y(t),z(t)), 电子 1 =(j,t,x(t),y(t),z(t)) ; i、j是粒子的序号,t是足够长区间 内的时刻,(x,y,z)是位置坐标,考虑到电子云的大小、测不准原理等,假定x、y、z、t都是数字量}。 据太极八卦图以及“无极、两仪、四象、八卦”的说法,这里再做,宏观假设, 1. “道生一”:形成(设置)第一个空间维度; 2. “一生二”:形成(设置)第二个空间维度 ; 3. “二生三”: 形成(设置)第三个空间维度 ; 4. “三生万物”:物体存在于三维空间中,三维空间坐标(x,y,z)可以描述所有物体; 5. 这也对应着:对有限空间或其它事物的划分、3位二进制表示,八、二进制的转换; 6. 把 U 内的某个较小长方体 B 区域,均分为8块,每块再均分为8块,依此类推,3位二进制数可以用1位八进制数表示,所以第2次分后要2位八进制数标记8 x 8 = 64 块,第3次分后要3位八进制数标记64 x 8 = 512块,依此类推,总可以把空间分得足够细以描述其中的宏观事物。 7. 三维图像集, C = { I (x,y,z,t),这里(x,y,z)属于 B 、(x,y,z,t)的量化单位远远大于 A 的情形},就是所谓的原子世界的一种表述,而原子是不可见的。 大道 = { A ,除 A 外的一切(例如,场、光、 外的一切、 U 外的一切)},是完备的整体。 集 C 对应的现实的万事万物,包括听、读、写、思想、德等等,都有 A 中的部分,有大道中的对应区域、粒子、度量。所以,道、德等的各种普通说法,可以混用、相通、似非而是,存在整体与部分的关系。 有趣的是,这里的两种“三生万物”,居然是“一致的”。 新浪赛特居士SciteJushi-2013-05-25。
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原子的价态和中医的说法之类比
热度 6 liwei999 2012-6-17 04:39
原子的价态和中医的说法之类比。 作者: mirror (*) 日期: 06/15/2012 21:23:48 这个“灵感”是来自 “你相信金属锌(Zn)有+3价氧化态吗?” 的帖子。讲物质原子间的结合力,人们一般的划分方法是离子键、共价键、金属结合键(?)范徳华键。 离子 的说法比较好。把 电子 看做原子的一个孩子,一价 离子 就是中性的原子少了一个孩子,二价就是少了两个。到了N价,就是离开了N的电子。单独一个原(分)子(气态),可以通过各类手法实现、达到 离子 的状态。但是到了 凝聚态 , 离子 就是一个理想的概念,电子不可能完全离开 亲原子 ,因为原子间的距离与原子的大小相差不多。实际的NaCl晶体中的电子的密度图如图所示,可以通过X射线衍射的方法测出来。这相当于人体的解剖图。Na+处是Na正离子的重心,Cl-是负离子的重心。电子数是这个密度积分+归一化后的数值。知道了这个分布后,价态就不是什么大不了的事情了。所谓价态,不过是个方便记忆、归类的手段 Download 锗的共价键的电子密度分布图。可以看得出来,在两个锗原子之间,有个相对电子密度偏高的地方。相同的原子因为是等价的,所以是理想的“共价”。如果原子序号不一样,“共价”就要打些折扣,就要有些离子结合的成分。比如,对SiC的晶体,可以说共价性有80%,离子性有20%的比例。 Download 有了这个分布,就跨越出了0/1的思考模式。也就是说,不能单纯地把事儿分成 科学 和 不(非)科学 的两类。对与“你相信金属锌(Zn)有+3价氧化态吗?”的问题,与其质疑这个价数有问题,不如去探讨决定这个价数的实验是否可信。原子的空间配位关系搞定了,几价的说法就都是 解释 了。 之所以把这类事情与中医联系到一起,是因为化学上的这类思考,是在物理学里搞定原子结构、原子结合力之前发生的事情。虽然物理对物质结构的认识很大程度上帮助了化学的发达,但是化学仍旧是化学,不是物理学。基本粒子的学问几乎与化学无关。 中医对人体的认识模型及其理论,与没有确定原子结构时代的化学可以对应上。医学、化学,作为实学,结果是第一位的。过去的化学对原子结构不理解,但是这不妨碍人们能做出化合物来、能炼出钢铁来。中医也是如此,除了有人相信的理由之外,有结果也是一个原因。 回到NaCl的结构图上,人们可以问有没有原子,也可以问他们在哪里。但是不好问原子有多大。如果一定要给出个数字来的话,不妨按99%的电子存在半径给出。但是如果有人问:60%不行么?这就不好回答了。比如说考试非要99分么?60分不成么?大家都是过来人,对求学的不同阶段、不同的科目,对分数的要求是不一样的。 ---------- 就“是”论事儿,就“事儿”论是,就“事儿”论“事儿”。
个人分类: 镜子大全|3642 次阅读|6 个评论
原子组成熵(复杂程度)
热度 1 zhangxw 2011-10-23 13:05
原子组成熵(复杂程度) 张学文 2003年2月公布于 熵信息复杂性网站 声明:本文论点还没有在任何刊物上公布。想引用者要与作者单独联系 --张学文于2003,2,4 2011.10.23:本思路和数据也刊于2003.12月出版的《组成论》一书的附录中,253-254页。 在物理和化学中的"熵"对应的是物质的能量状态、量子状态或者空间状态的复杂程度。关于物质的组成成分的复杂程度并没有计量过(这种复杂程度由于在化学变化中没有变化,不计量也没有什么关系)。 但是 从组成论的观点(见本网站的组成论讲座)看,每个分子就是一个广义集合。知道化学分子式(组成)就是知道了分布函数,也就可以计算化合物分子的复杂程度。这个复杂程度描述了不同的原子各有多少。我们承认这个化合物存在,就应当承认这个复杂程度的客观存在。 这个认识也可以用于原子层次。化学物质的每个原子,由不同数量的质子、中子、电子组成的,所以也可以根据不同数量的基本粒子各有多少而计算对应的复杂程度。如果用物理学语言,这就是原子组成熵。现在我们具体计算这个熵。 针对原子,我们问? l 原子由不同数量的电子、中子、质子组成的,一个原子的复杂程度是多少? l 1 摩尔这种原子的复杂程度是多少? l 是否可以把它折算为热力学中的熵? l 是否可以与热力学熵做比较? 现在结合表 1 给出的数据回答这些问题。表的第 1 列是化学元素(原子)的符号,第 2 、 3 、 4 、 5 、 6列 分别是在各个元素的原子具有的质子个数、原子量、中子个数、电子个数和质子、中子、电子的总数。第 7 列是利用组成论讲座第 7 章的公式( 7.5 )计算出来的一个原子的复杂程度。第 8 列是折算出来的 1 摩尔的原子具有的复杂程度,但是单位已经换算为热力学熵了(便于与热力学熵比较)。 表 1 某些元素的 原子组成的复杂程度和熵 元素 名称 质子 数 原子 量 中子 数 电子 数 粒子 总数 复杂程度 ( 纳特 ) 热力学熵 (J/mol.K) H 1 1 0 1 2 1.386294 11.52011 Li 3 7 4 3 10 10.889 90.48759 Be 4 9 5 4 13 14.2068 118.0585 C 6 12 6 6 18 19.77502 164.3304 N 7 14 7 7 21 23.07086 191.7188 O 8 16 8 8 24 26.36669 219.1072 F 9 19 10 9 28 30.72583 255.3317 Na 11 23 12 11 34 37.32368 310.1598 Mg 12 24 12 12 36 39.55004 328.6609 Al 13 27 14 13 40 43.91969 364.9726 Si 14 28 14 14 42 46.14172 383.4377 P 15 30 15 15 45 49.43755 410.8261 S 16 32 16 16 48 52.73339 438.2145 Cl 17 35 18 17 52 57.10873 474.5735 K 19 39 20 19 58 63.70237 529.3667 Ca 20 40 20 20 60 65.91674 547.7681 Cr 24 52 28 24 76 83.28742 692.1185 Mn 25 55 30 25 80 87.58242 727.8099 Fe 26 56 30 26 82 89.89404 747.0194 Co 27 59 32 27 86 94.19513 782.7615 Ni 28 59 31 28 87 95.47695 793.4135 Cu 29 64 35 29 93 101.7914 845.8866 Zn 30 65 35 30 95 104.1093 865.1481 Br 35 80 45 35 115 125.493 1042.847 Ag 47 108 61 47 155 169.0537 1404.836 Cd 48 112 64 48 160 174.224 1447.801 I 53 127 74 53 180 195.3805 1623.612 Pt 78 195 117 78 273 294.5649 2447.834 Au 79 197 118 79 276 297.9171 2475.691 Hg 80 200 120 80 280 302.1178 2510.599 Pb 82 207 125 82 289 311.3561 2587.37 Ra 88 226 138 88 314 337.3371 2803.271 Th 90 232 142 90 322 345.7124 2872.87 Pa 91 231 140 91 322 346.5992 2880.24 U 92 238 146 92 330 354.0849 2942.446 Pu 94 244 150 94 338 362.4548 3011.999 Lr 103 256 153 103 359 387.7016 3221.8 表中的质子数也就是化学元素周期表中的原子序数。我们把原子量取整数(忽略同位素问题)作为该原子的质子和中子的个数的和,并且把它减去质子的数量就得到中子的数量。而电子的数量当然是与质子的数量相同的。 从广义集合的角度看一个原子,我们要承认这里的个体总数就是质子、中子和电子的数量的和(尽管它们的质量差别很大,但是在广义集合中的地位相同!)。根据复杂程度公式(见组成论第七章) 知道了三种不同的粒子的数量就可以计算它的复杂程度。例如对应原子氧 O ,它有 8 个质子、 8 个电子、 8 个中子,粒子总数是 24 。依公式, 复杂程度 C 为 C =-8 ln(8/24) -8 ln(8/24) -8 ln(8/24) =26.36nat 表中每种元素的 1 个原子的复杂程度都是按这个公式计算出来的。 根据组成论第七章的公式和讨论, N 个原子的复杂程度是一个原子的复杂程度的 N 倍。所以 1 摩尔氧原子的复杂程度就是阿佛加德罗常数( 6.02 × 10 23 )乘 26.36 。它是一个非常大是数值。 另外,因为复杂程度 C 与热力学熵 S 的关系是 S = kC 这里的 k 是玻尔兹曼常数 1.38 × 10 -23 J/mol.k ,所以 1 摩尔的氧原子的组成熵 S 是 S = ( 1.38 × 10 -23 )×( 6.02 × 10 23 )× 26.36=219J/mol.k 它就是表中氧 O 的行的最后一列给出的数值。 表 2 给出了几种化学物质在一个大气压力,摄氏温度为 25 度时 1 摩尔物质的热力学熵。从对比看原子组成的熵比化学过程考虑的热力学熵要大。在这里我们已经看到它们有可比性,有相同的数量级。 表 2 化学物质在一个大气压力,摄氏温度为 25 度时 1 摩尔物质的热力学熵。 固体 热力学熵 ( J/mol.k ) 液体 热力学熵 ( J/mol.k ) 气体 热力学熵 ( J/mol.k ) C 金刚石 2.4 H 2 O 69.9 He 126 Si 18.7 Hg 77.4 Ar 154.7 以上的对比有什么更深的含义?下面做一些说明。 物理学和化学中的热力学熵是利用物理或者化学过程的热量吞吐而计算出来的。在与统计力学联系起来以后,这个熵的值描述了(例如 1 摩尔物质)物质的微观状态的复杂程度。具体地说这个微观状态实际上仅指与运动状态(能量能级)、量子状态、粒子分布的空间状态(分散程度)的复杂程度。用广义集合的语言说,这里涉及的标志变量只有能量、量子态、空间状态。而没有涉及该物质的化学组成甚至原子组成的多样性、复杂性。由于在化学变化中原子组成是不变化的,所以我们计算的原子组成的复杂程度也没有变化。过去没有考虑它们也没有错误。或者说人们忽略这个量有不足为怪。 但是当我们树立广义集合、分布函数和复杂程度概念以后,一方面我们看到热力学熵是复杂程度的一种,另外它也帮助我们看到和开始计算非热力学熵。于是就有了表 1 。我们希望大家认可这里计算的复杂程度(熵)是与过去计算的热力学熵一样的客观真实(物理含义有区别)。 表的最后一列我们把原子组成的复杂程度换算为热力学熵的单位了。这主要是为了与物理学过去的熵做比较。它并不表示我们喜欢这个单位,也不表示这个单位更合理。复杂程度的单位应当是比特或者纳特。更科学的做法应当是把热力学熵的单位换算为比特或者纳特。是的。热力学熵单位强迫熵穿上了能量的外衣,在热力学中固然有其方便的一面,但是也会阻碍人们对其本质的理解和在另外领域的应用。 列出表 1 不仅是为了复习复杂程度的计算公式和它与热力学熵的关系,它在提醒大家:存在着我们过去忽视的熵。 以上计算当然也可以用于原子核的衰变过程,在 这种过程中一些基本粒子消失了,另外一些粒子出现了 (这与化学变化不同)。物理学对这个过程中的质量、能量、动量、角动量的守恒性做了充分研究。但是核反应过程中的粒子组成熵(复杂程度)的变化是从来没有研究过的。我们应当认识这个物理量的客观性并且分析其变化。 如何理解核反应中物质组成复杂程度(熵)的变化规律? 质量能量信息的关系一文 指出的扩大的爱因斯坦质量能量公式(即质量、能量、复杂程度的统一的公式)是首先要考虑的原理。
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APS进展
Yangyong2012 2011-9-20 14:33
APS (Atomic Prism Spectrometer) 小有进展。
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化学与宇宙
guxingzhuyue87 2011-7-18 19:30
一直在思索这个世界会是个什么样子?宇宙会是个什么样子?宇宙和我们所生活的这个世界是否有某些共识? 茫茫宇宙里充满着“杂乱无章”的星系,在现在的人们面前,我们还没有很好的途径来彻底认识它,来规律化地反映它。而我们所生活的这个社会也似乎是“杂乱无章”,我们没有一个根本的方法来彻底地规律化每个人的生活,我们也无法来预测某一个人的生活路径,每个人都“杂乱”地生活着,我们没有一个公式来预测某个人某个时刻的行为,就像宇宙一样,我们无法预测。 我们每天所进行的科研工作都在研究这个世界,尽力地找出这个世界背后所隐藏的规律,以化学中的原子为例,我感觉整个宇宙更像一个稳定的超级大分子化合物,有许许多多的原子组成。我们生活的这个太阳系,就像这个化学物中的一个原子,我们所生活的这个地球就是太阳这个原子的一个电子,时时刻刻围绕着原子核而转。这个大分子中除了太阳这个原子之外,还有许许多多的原子,他们与太阳这个原子以一定的分子力结合在一起。宇宙是一个大的化学物分子,在这个大分子之外也许有另外一种生物在研究这个大分子,他们在研究这个分子的性质,结构,企图来彻底认识这个大分子,而我们就是这个分子的一部分。也许偶尔出现的彗星,就是他们用X光照射所产生的,就像我们在实验室用各种实验手段来研究化合物一样。其实,这个世界也许就是这样,在我们人类所生活的这个层次,我们可以研究规模比我们小许多的系统,而在规模比我们人类大很多很多的时候,其实我们正在被别人研究着!我们无法探知他们的形貌,因为他们是站在更好的层次,而这个层次是我们所不能及的,就像我们所研究的原子一样,他是无法窥视到我们人类的全貌,因为我们在他们面前“巨大无比”,同样,我们也无法窥视到正在研究我们的生物!
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魔(摩)尔,迷惑你。写在阿伏伽德罗假说提出两百周年
liwei999 2010-12-13 08:07
魔(摩)尔,迷惑你。写在阿伏伽德罗假说提出两百周年。 (3155 bytes) Posted by: mirror Date: December 11, 2010 02:58PM 明年是阿伏伽德罗假说两百年。老阿在国人与英国人的鸦片战争爆发前就提出了这个假说。但是早了一些,又过了50年才被学界认识上去。 今天又提这阿伏伽德罗不单是因为两百年的纪念,也是因为阿伏伽德罗常数与一百多年来的千克原器定义。在不远的将来,质量单位的千克大约要用阿伏伽德罗常数来重新定义。具体细节今天就不说了,今天要说的是元素、原子和分子的事儿,阿伏伽德罗假说的就是讲如何区分的这几个事情。 元素是来自人们传统的物质概念(观念)。比如说洋人的4元素水空气火土,国人的5行等都是说元素。当然在今天看来,那时所说的元素都是没谱的事儿,与今天所说的元素也不沾边儿。但是作为人们思考概念的元素,不论是在过去还是在今天,都是一致的。 对应着概念上元素的说法,实体的东西就被叫做原子。道尔敦的原子说就是一个例子。各种元素、各类物质都是这些原子的聚合和离解。一般认为这是所谓的近代科学思想。 阿伏伽德罗聪明之处在于他不是从下往上看,而是从上朝下看世界的视点。因为是从上往下、由大到小的视点,所以微观模型被叫作分子,与原子的提法形成了鲜明的对照。盖-吕萨克发现了两个法则:一个是的任何气在恒压升温时的线性膨胀系数相同,一个是标准状态下气体反应化学反应时体积呈整数比。比如两个体积的氢气与一个体积的氧气反应后形成了两个体积的水蒸气。 与道尔敦的原子说(定组成法则)不同的是盖-吕萨克的法则是来自实验事实,数据只需要测量,不需要分析。在历史上,因为盖-吕萨克的法则与道尔敦原子模型说法的不同,也许还因为英法国家之间的不合,道尔敦不承认这个与他自己的说法相近的盖-吕萨克的说法。因为依照道尔敦的原子说,两个体积的氢气与一个体积的氧气发应后只能是1个体积水蒸气,如果承认水的组合是H2O的话。如果只承认水是HO的话,那三种物质的比例就只能是1:1:1。当时人们的人们谁都没有见过原子,也不能想像、理解单质气体是双原子分子以及两个同类的原子也可以结合(如同不认可同性恋那样)。也就是说,当初人们并不能区别今天所说的原子与分子在概念上的不同。 即便是在现代,人们也不是很能说清楚元素、原子和分子的区别。知道上面所说的自上而下的视点后,就可以有一个比较明确的区分了。mol这个单位,就是来自阿伏伽德罗当初的分子(molecule)的说法。在输入Molecule后,镜某计算机上给出的汉字提示是摸了粗了。虽然这也是个说法,但是对汉语拼音输入如此的理解水准也有几分令人心寒了。 阿伏伽德罗的法则是说在标准条件下,同样体积气体中的分子数一样多。因此这也可以形成一个物质量的单位。推广一下就是以分子量的数字为克数的那么多物质量。过去的克分子的说法来源于此。只是克了分子后还要去克其它无穷多的物质称呼,比如说电子、离子、原子等等的,很麻烦,最后归结到了一个摩尔(迷惑你)的新说法。具体是多少呢?曰:不大清楚。是0.012kg碳12中的碳原子的数目那么多。这个数目大约是6.022e23,目前只能知道7-8位有效数字。 如果说阿伏伽德罗数是个连接横向的宏观物质量与微观粒子(原子等)阶梯的话,普朗克常数就是个纵向的连接物质结构(=原子的结构,量子的结构)的梯子了。这两个看起来不相干的数字的诞生相差了近一个世纪,在今天要走到一起来了。能够知道这两个常数有相关的人应该是学问上的佼佼者了。通过物理关系可知,精确地测量了普朗克常数也就等于精确地知道了阿伏伽德罗常数。也许一个人可以不理解阿伏伽德罗常数的意义。但是一般很难否认普朗克常数的意义,因为量子力学中的很多单位都是用到这个普朗克常数。 有了精确的这两个常数值,就可以重新定义质量的单位千克了。虽然今天的单位千克定义依然是巴黎的那颗砝码原器,但是它被拉下马的日子已经不远了。 就是论事儿,就事儿论是,就事儿论事儿。 http://www.starlakeporch.net/bbs/read.php?1,73908
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非惰性原子的爱美癖好和专一
yanghualei 2010-9-30 21:35
原子是中性的即内外一致的,但每个原子都是追求完美的,特别把惰性气体那华丽的套装当作自己的理想标的,若相对于惰性套装其装束有太多的花哨或者其缺少冠帽,就拿交换和共享去摆平,即使失去独立变成离子,但毕竟非惰性还是非惰性,其本质是不变。 假如一原子A的套装多了一个电子,另一个原子B的套装多了个正电子,则彼此为获得完美的惰性套装,选择了保留原稿的交换即A给B一个电子同时保留这个电子(彼此交换电子类似于交换知识即交换知识后彼此并不失去作为交换对象的知识),B给A一个正电子同时B留着底稿,A因为得到正电子进而与多余电子一起湮没,去掉花哨,同理B也一样;由于保留原稿的交换使得A与B交溶,进而生成键力(交溶部分越大则健力越大)这是所谓的离子键。 假如一原子A的套装少了一个电子,另一原子B的套装也少一个电子,则彼此为获得完美的惰性套装,选择了保留原稿的交换即A给B一个电子同时保留这个电子(彼此交换电子类似于交换知识即交换知识后彼此并不失去作为交换对象的知识),B给A一个电子同时B留着底稿,最终A因为得到一电子,弥补了损失,达到了共享,进而带上冠帽,同理B;保留原稿的交换使得A与B也相互交溶,进而生成共价键力。对于金属键类似共价键,其是多数电子的共享。 总之, 两 个系统的交换必须是保留原稿的交换,这样结合才稳定和持久 ,如果区域要一体化,必须涉及那些能保留原稿的交换标的如文化、科技等思维领域内的东东,否则单纯的实物交换式是不能称为一体化。
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[转载]原子的电子亲和能
yaoronggui 2010-6-11 23:13
原子的电子亲和能是指在0.0K下的气相中,原子和电子反应生成负离子时所释放的能量。   原子的电子亲和能 Electron Affinities of Atoms 原子序数 (Atomic number) 元素符号(Symbol) E(eV) 原子序数 (Atomic number) 元素符号(Symbol) E(eV) 1 D 0.754593 38 Sr 0.11 H 0.754195 39 Y 0.307 0.754209 40 Zr 0.426 2 He - 41 Nb 0.893 3 Li 0.6180 42 Mo 0.746 4 Be - 43 Tc 0.55 5 B 0.277 44 Ru 1.05 6 C 1.2629 45 Rh 1.137 7 N - 46 Pd 0.557 8 O 1.4611103 47 Ag 1.302 9 F 3.401190 48 Cd - 10 Ne - 49 In 0.3 11 Na 0.547926 50 Sn 1.112 12 Mg - 51 Sb 1.07 13 Al 0.441 52 Te 1.9708 14 Si 1.385 53 I 3.059038 15 P 0.7465 54 Xe - 16 S 2.077104 55 Cs 0.471626 17 Cl 3.61269 56 Ba 0.15 18 Ar - 57 La 0.5 19 K 0.50147 58~71 Ce~Lu - 20 Ca 0.0184 72 Hf 0 21 Sc 0.188 73 Ta 0.322 22 Ti 0.079 74 W 0.851 23 V 0.525 75 Re 0.15 24 Cr 0.666 76 Os 1.1 25 Mn - 77 Ir 1.565 26 Fe 0.151 78 Pt 2.128 27 Co 0.662 79 Au 2.30863 28 Ni 1.156 80 Hg - 29 Cu 1.235 81 Tl 0.2 30 Zn - 82 Pb 0.364 31 Ga 0.3 83 Bi 0.946 32 Ge 1.233 84 Po 1.9 33 As 0.81 85 At 2.8 34 Se 2.020670 86 Rn - 35 Br 3.363590 87 Fr 0.46 36 Kr - 88 Ra - 37 Rb 0.48592 89~103 Ac~Lr -
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儿子的新“发明”:一种显微针
harmonism 2010-4-19 23:33
儿子的新发明:一种显微针 曾纪晴 儿子所在幼儿园的班主任老师在儿子班上养了蚕。上次老师让我带儿子去帮她采摘桑叶来喂养蚕虫,后来蚕吐丝结茧了,又变成了蚕蛾,产了产卵。周日,儿子和我又去采摘了两塑料袋桑叶,今早由儿子带回幼儿园。 下午接儿子回家的路上,我问儿子有没有把桑叶交给老师。他说有啊,老师还表扬了他。于是,他接着就讲起了他今天对蚕卵的观察。 爸爸,我发现,蚕卵一开始是黄色的,现在却变成了黑色的。为什么蚕卵会变成黑色的呢?看来,儿子对蚕卵的观察还是蛮仔细的啊。 这个我也不是很清楚。我想,蚕卵它就像鸡蛋一样,它要是慢慢孵化的话,它其实就在慢慢地发育,最后就会像小鸡从鸡蛋里孵化出来一样,蚕虫就从蚕卵里面孵化出来。尽管我不清楚,但总不能就说不知道吧,于是就拿小鸡从鸡蛋里孵化的过程进行类比,相信儿子会有兴趣。 哦,原来蚕卵这是在发育啊!我们班上的小朋友们都以为蚕卵死了呢。小家伙一下就抓住了发育这个本质问题。 但小家伙似乎并不满足。他继续问道:那我们怎么样才能看到蚕卵里面呢?想看看蚕卵是怎么发育的。 这回我反过来问他:用显微镜能不能看呢? 用显微镜不行,看不到里面。儿子居然知道显微镜不能看到蚕卵里面,我告诉你我的新发明 小家伙很兴奋,我一听又有新发明,赶紧问道:什么样的新发明啊? 我的显微镜可以用一根针穿过蚕卵看到里面的。这根针啊,很细很细的,可以穿过原子。我的这根针叫显微穿透针,穿过蚕卵就可以把里面看得很清楚。小家伙兴奋地讲解着他的新发明。 你的这个显微针比原子还小,那么它是用什么做的呢?我发现了这个破绽。 我的显微针啊,还可以穿过电子呢!小家伙越说越兴奋,越说越离谱了,爸爸,电子是跑得很快的吧,但我的显微针可以用两个夹子把它夹住 就是让它慢慢停下来。这两个夹子是绿色的,这个绿色是它本来就是绿色,不是把颜色涂上去的。它是什么东西,我也不知道。 呵呵,小家伙的胡思乱想,还是有些想象力的啊。他的显微针不会是 X- 射线显微镜,或者是 - 射线显微镜吧?看来只有这些射线兴许能够穿透电子吧? 2010-4-19
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小道消息:Accelerating neutral atoms (邱荣涛)2009.11.26
GrandFT 2009-11-23 11:56
邱荣涛 2009年11月26日下午4:3018教学楼405 The intensity gradients of inhomogeneous laser-light fields impose ponderomotive forces on charged particles. Such forces have been used to trap and manipulate ions, diffract electrons, and generate charge waves in plasmas. But they were thought to act only very weakly on neutral atomshaving to rely on the polarizability of an atoms charge distribution. Now, however, a group at the Max Born Institute in Berlin has reported the use of intense ultrashort laser pulses to accelerate neutral helium atoms for about 100 femtoseconds at 10 15 m/s 2 . Thats eight orders of magnitude greater than the acceleration (or deceleration) one can get with the continuous-wave techniques used in laser cooling of neutral atoms. The ponderomotive force of an inhomogeneous light field pushes a charged particle toward lower light intensity with a force proportional to the square of its chargeirrespective of signand inversely proportional to its mass. The Berlin group argues that the strong laser pulse excites an electron to the outer reaches of the helium atom where it quivers in the oscillating light field and experiences the ponderomotive force almost as a free electron would. But still bound to the atoms ionic core, it tugs the much heavier core with it away from the laser beams focus. The figure shows how the maximum velocity thus acquired by neutral atoms in the Berlin experiment increases with pulse duration. The dashed curves show the theoretical expectation for the groups model of electron excitation and the consequent ponderomotive force. Such ultrastrong acceleration of neutral atoms, they suggest, could be exploited for atomic-beam optics, atom deposition, and controlled chemical reactions. 附件中是相关文章 Acceleration of neutral atoms in strong short-puls
个人分类: 小道消息区|2717 次阅读|0 个评论
小道消息:Accelerating neutral atoms (邱荣涛)
grandft 2009-11-2 10:19
小道消息: Accelerating neutral atoms (邱荣涛) The intensity gradients of inhomogeneous laser-light fields impose ponderomotive forces on charged particles. Such forces have been used to trap and manipulate ions, diffract electrons, and generate charge waves in plasmas. But they were thought to act only very weakly on neutral atomshaving to rely on the polarizability of an atoms charge distribution. Now, however, a group at the Max Born Institute in Berlin has reported the use of intense ultrashort laser pulses to accelerate neutral helium atoms for about 100 femtoseconds at 10 15 m/s 2 . Thats eight orders of magnitude greater than the acceleration (or deceleration) one can get with the continuous-wave techniques used in laser cooling of neutral atoms. The ponderomotive force of an inhomogeneous light field pushes a charged particle toward lower light intensity with a force proportional to the square of its chargeirrespective of signand inversely proportional to its mass. The Berlin group argues that the strong laser pulse excites an electron to the outer reaches of the helium atom where it quivers in the oscillating light field and experiences the ponderomotive force almost as a free electron would. But still bound to the atoms ionic core, it tugs the much heavier core with it away from the laser beams focus. The figure shows how the maximum velocity thus acquired by neutral atoms in the Berlin experiment increases with pulse duration. The dashed curves show the theoretical expectation for the groups model of electron excitation and the consequent ponderomotive force. Such ultrastrong acceleration of neutral atoms, they suggest, could be exploited for atomic-beam optics, atom deposition, and controlled chemical reactions. 参考文献:U. Eichmann et al., Nature 461 , 1261, 2009 .
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《相对论》及其发展 (26)
可变系时空多线矢主人 2009-4-18 08:20
《相对论》及其发展 (26) 25 .什么是最基本的粒子? ( 接 (25)) 在原子时代,人们认为一切物质都由不同元素的原子或它们的化合物分子 组成。 后来发现一切原子都是由质子、中子、和电子组成,并有中微子、各种介子、和超子等粒子,而认为一切物质都由这些不同的基本粒子组成。 高能物理实验,以及量子色动力学等理论的进一步发展,使人们进而认为一切物质都是由 6 种轻子、 6 种夸克和相应的胶子组成。 但是,所谓夸克迄今尚无人证实其单个的存在 , 和证明其在任何 4(3+1) 维时空的禁闭性。实际上并不能确定它们的存在性。 迄今尚不能确定:现有认识条件下,最基本的粒子。 ( 未完待续 )
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超导配对和原子轨道
热度 1 yunping 2009-1-27 07:41
在超导文献中,我们经常可以看到s波配对、p波配对和d波配对等概念。这些概念描述的是超导电子对(Cooper对)内部两个电子(也可以是两个空穴,为了简便起见,下文中只说电子对)的配对状态。初次接触的人容易把这些概念和原子中的s、p、d轨道等概念相混淆,以为s波配对、p波配对和d波配对分别是原子中s轨道、p轨道和d轨道电子参与的配对,用固体物理的语言,就是以为是s带、p带和d带电子参与的配对。其实这样理解是错误的,参与s波配对的电子,可以是s带电子,也可以是p带和d带电子等其他带电子,还可以是s和p、s和d等杂化带的电子,甚至是固体中不同种原子的轨道之间组成的杂化带的电子。 超导配对中的s波配对、p波配对和d波配对,跟原子轨道中的s轨道、p轨道、d轨道确实不是一码事,但它们之间也是有联系的。s波配对、p波配对和d波配对等概念是从原子轨道中借鉴过来的。以氢原子为例,氢原子是一个质子和一个电子组成的两体系统,而超导电子对是一个电子和另一个电子组成的两体系统。它们之间还是有一些共同之处的。在氢原子中,电子受到质子的吸引力作用,这个力场是一个中心力场,具有连续的转动对称性,这样原子的角动量是守恒的,角动量量子是一个好量子数。电子处在s、p、d等轨道,分别表示角动量量子L=0,L=1,L=2。在超导电子对中,一个电子受到另一个电子的吸引力作用,这个力场严格来说不再是中心力场,也就是说角动量不再是守恒量,角动量量子不再是一个好的量子数。幸运的是,在固体中超导电子对的角动量守恒在一定程度上是近似成立的,所以把原子中的s、p、d等概念借过来,还是有一定意义的。 在传统的符合BCS理论的金属超导体中,超导相干长度远大于晶胞的尺寸,电子虽然处在以晶胞尺寸为周期的周期性的晶格场的作用下,但在相干长度的尺度下,这种由周期性势场引起的势场起伏基本已经被平滑掉。这种情况下,超导电子对的一个电子受到另一电子的吸引作用,也可以近似看成是中心力场,角动量守恒近似成立。因此,传统超导体中我们称超导配对为s波配对是没什么问题的。 在氧化物超导体中,超导相干长度和晶胞的尺寸相比拟,由离子实作为中介(起作用的有可能是磁作用,也可能是电作用)的电子之间相互吸引作用,不再可以近似看成是各向同性的,也就不存在连续的转动对称性(连近似的连续对称性都没有)。在这种情况下,角动量量子数不再是一个好量子数。然而,氧化物超导体中虽然不存在连续的转动对称性,但在很多氧化物超导体中还存在分立的、以z方向为转动轴的四次转动对称性(有的是严格的,有的是近似的)。在只具有严格的四次转动对称性的情况下,总角动量量子L肯定不是一个好量子数,其分量Lz严格说也不是一个好量子数。在这种情况下,Lz=0一定与Lz=+/-4,+/-8,+/-12,...等无数不同的角动量相互混杂在一起的;Lz=+/-2与Lz=+/-6,+/-10,+/-14,...等相互混杂;Lz=+1的态一定与Lz=-3,+5,-7,+9,...等相互混杂;Lz=-1的态一定与Lz=+3,-5,+7,-9,...等相互混杂。但是,由于存在四次转动对称性,这四种混杂状态相互之间又是不混杂的,这样我们可以把含有Lz=0、并且主要成分为Lz=0的混杂态定义为s波配对态,把含有Lz=+/-2、并且主要成分为Lz=+/-2的混杂态定义为d波配对态。后面两个既相互正交又相互简并,我们可以把含有Lz=+1(或-1)、并且主要成分为Lz=+1(或-1)的混杂态态定义为p波配对态。 需要指出的是,超导电子对中的两个电子是全同粒子,这一点和氢原子不同。由于是粒子全同性的缘故,超导电子对中的两个电子满足交换反对称性。如果自旋波函数交换反对称(两个电子自旋相互反平行,即单态配对),那么轨道波函数就应该是交换对称的,s波配对和d波配对属于这种情况;如果自旋波函数交换对称(两个电子自旋相互平行,即三态配对),那么轨道波函数就应该是交换反对称的,p波配对属于这种情况。 文献上的说法如果与这里的说法有出入,请以这里的说法为准。呵呵。
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