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[转载]原子电子学:一门新学科
quantumchina 2020-7-19 11:39
原子电子学 ,英语: Atomtronics ,系英文单词原子(aton)与电子学(electronics)的组合,是一门崭新的属于超冷原子物理学的分支。超冷原子物理学,英语:ultracold atomic physics,包含设有引导原子的物质波的广泛主题。该系统通常包括类似于在电子或光学系统中发现的那些组件,例如分束器和晶体管。应用范围从基础物理研究到实际设备的开发。 原子电子学在很大程度上操纵原子,就像电子学操纵电子一样。它带来了高度小型量子器件的希望,可以测量非常小的力或微小旋转。这样的装置也许有一天会被用来监测地球的状态,通过探测沙漠中的水位或在寻找矿物和石油。它们也将被用于导航,当GPS在飞机或船只上由于恶意攻击或仅仅因为在深海无法使用而失效时。也许有一天,它们还能充当便携式量子模拟器,解决复杂的计算任务。   相干原子电子学以源于玻色-爱因斯坦凝聚体的物质波的形式操纵原子(一种物质状态,在这种状态中,所有原子都失去了它们各自的特性,同时在凝聚体中所有原子都处于同一位置,成为一个单一的量子态)。这些物质波中的原子表现得更像波,而不是单个粒子。这些物质波可以被引入干涉,从而对环境中最微小的变化做出反应,比如轻有机物质和重铁矿石之间的引力差异。与光相比,原子对旋转或加速度的敏感度要高出100亿倍!   比如与构成光的光子相比,这种灵敏度取决于测量时间,就像牛顿的苹果一样,由于地球引力,原子会下落。这迫使最灵敏的干涉仪必须非常高,达到10米,有时甚至达到100米。可能的解决办法是在物质波波导中引导原子,就像光纤引导光一样。不幸的是,它们对加速度非常敏感,这使得它们对物质波波导中的任何缺陷都非常敏感。这就是为什么还没有适合原子的波导,原因是物质波对光滑度非常敏感。   由沃尔夫·冯·克利钦(Wolf von Klitzing)领导的克里特岛(希腊)一个国际科学家团队向小型、超灵敏的原子电子设备迈出了一步,他们展示了原子波导中物质波的第一次相干加速和传输。IESL-FORTH科学家们的突破在于,他们利用不同频率的磁场组合来产生所谓的时间平均绝热势(TAAP)。为了证明这些物质波波导是完美光滑的,他们为中性物质波构建了一个mm大小的加速器环,就像CERN为带电粒子建造的km大小级加速器一样。   物质波达到了超过16马赫(1马赫=音速)的高超音速,并引导物质波超过40厘米,比之前的记录提高了1000倍以上。为“真实世界”应用而准备的量子技术,所面临技术挑战仍然是巨大的。《自然》上发表的taap -波导在这方面迈出了重要一步。Cretan matterwaves团队将使用这个微型CERN型加速器环来研究基础物理问题,比如玻色爱因斯坦凝聚体的超流体性质和原子碰撞。在不久的将来,计划建造一个毫米大小的原子陀螺仪和基于该环的重力传感器。   博科园|研究/来自:Cretan Matter Waves Group   参考期刊《自然》   DOI: 10.1038/s41586-019-1273-5 来源: https://new.qq.com/omn/20190611/20190611A0QOH0.html
个人分类: 量子测量及传感|1875 次阅读|0 个评论
Does ionization process release energy?
yecang 2019-7-16 19:17
In the case of helium atoms, to ionize the first electron, energy is injected, which is 24.59 eV of the experimental results. Will helium emit energy in the process? After the first electron is released, the second electron will automatically change its orbit, retreat from a high-energy orbit to the lowest-energy orbit (-54.42eV), and release energy, right? Is there such an ionization experiment that confirms or negates this conclusion? Initial helium has 2 electrons in the same shell, it's full of electrons at first layer so it's the most stable atom. After 1st electron is ejected to infinity with 24.59eV energy, the 2nd relocates to the lowest energy level -54.42eV, about 30eV energy is emitted. Is this correct? Net energy is plus value in ionization process? What's wrong with this scenario?
2204 次阅读|4 个评论
2018年秋季学期《原子物理》课程总结
nktaurus 2018-12-28 23:21
经过15周紧(sui)张(yi)的上课,2018年秋季学期《原子物理》在It’s time to say goodbye的优美旋律中顺利结课。感谢各位同学没有向讲台扔臭鸡蛋,反而每次上课结束都给予鼓励的掌声。这是本人第三次讲授有着五小力学之称的《原子物理》,选课人数也从第一年的10多人,第二年的70多人,一跃突破到150多人。尽管为了拉人气上学期就已经开始在各种场合鼓动大一的同学们选这门课,但是实在是没想到同学们如此给力。 作为年轻老师的通病之一——讲授方式以PPT为主,板书为辅。作为学校全英文课程资助对象,课程内容都是全英文授课(当然,你们懂得!)期末考试是英文题目,英文作答。根据某位同学(非常感谢)的建设性意见,将90分钟的授课时间由传统的两节课(每节45分钟)中间休息10分钟,调整为三节小课(每节30分钟),中间休息两次,每次5分钟。同学的意见是这样可以增强记忆力,当然在休息期间放点小电影(绝对是震撼心灵,让人脑洞大开的严肃之作)效果更好。 随着课时数从32学时猛增到48学时,每一章课程结束之后,利用45分钟的时间让同学们充分领略物理学习的制胜法宝——亲自动笔算算,那肯定是极好的!一般四道题,先让同学们花个七八分钟练练手,然后抽取两位幸运观众在讲台上讲讲解题的心路历程,考虑到男女搭配,干活不累的铁律,尽量根据选课名单上的名字挑选,不过也总有牛失前蹄的时候。 今年学校增加了两名专业助教的支持,为了充分榨干他们的的剩余价值,特意让助教利用课余时间,每四周再上一次习题课。不过貌似同学们都太忙,助教同学也很忙,所以到目前为止举行了两次课外习题课。 此外上课老师过分沉侵在量子力学建立的美妙历史进程中,对于20世纪前二十年的八卦历史讲的有点多,以至于后面课程的讲授时间略少,相应的对其他物理学家的八卦也少了。现在我充分意识到这是不对的,在此向那些为了听物理学家八卦才来上课的同学们深表歉意。 暂时就总结这么多,尽管总是批评很多同学踩着铃声进教授,但是想想总比那些没来的同学强些;尽管有时调侃上课看手机的同学,但是想想自己参加学术会议的时候也老是低头;尽管很多同学主动通过微信利用各种原因向我请假,但是想想现在都记不清楚到底都谁请假了(尽管汗去吧!);尽管…… 希望同学们在明年的考试中取得自己满意的成绩(有的同学刚刚还说老师明年再见),唯一的要求就是不要作弊,当然挂科的同学也不要太多(前两年的同学可都没有和老师在《原子物理》的课堂上再见的哦!) 一些小电影的标题(就知道你们最关注这个): EASY HOME EXPERIMENTS THAT WILL BLOW YOUR MIND Amazing Science Experiments and Fire Tricks! AMAZING Physics Toys That You Will LOVE! Awesome Science Tricks Using Static Electricity! Top 10 Science Experiments - Experiments You Can Do at Home Compilation …… 以下是每一章课件的封面(如有侵权还请联系本人)
个人分类: 教学|5094 次阅读|0 个评论
为什么物理学家们对质子和电子的排斥力视而不见
热度 3 yecang 2017-6-26 10:03
在论文 一种新的原子模型( http://blog.sciencenet.cn/blog-3245787-1059253.html ) 中, 我给出了库仑定律的扩展公式 这个是质子和电子之间的作用力在原子尺度上的正确表达。 这个扩展是我们世界存在的基础,否则电子和质子吸引到一起了,起核反应了,和电子和正电子的湮灭那样。 那世界还会存在吗。 其实早有无数的物理实验暗示着这个公式里的斥力项的存在。 质子或原子核总是排斥特别靠近电子。电子流射向质子被质子弹开的实验就有很多。 还有电子和质子的组成氢原子的实验。 但是,物理学家没人给出这个斥力项。 不承认这个排斥力,那问题就变得复杂了。 波尔绕圈就是这么产生的(受行星模型的启发)。绕圈是为了平衡那个势能,就是防止电子坠落原子核。 因为那个分立光谱,那普通绕圈还不行,还必须命令电子在特定的几个分立的轨道上以特定速度绕。 能有这样特殊能力的行星也堪称魔鬼行星了。也是一个奇迹。 量子力学赋予的电子在质子傍边的神奇功能(电子云)也是不承认这个排斥力的结果。 都是为了解释电子没有坠落的事实。一个用魔鬼行星解释,另一个用魔鬼跳跃解释。 电子在远离质子时候很正常,辐射连续谱,没表现出分能级或者跳跃成云的本领。比如加速器里的电子发连续谱。 电子在原子紧密接触时候也没有分立能级和跳跃成云本事。比如金属加热发红光也是连续谱。 要分立能级和跳跃成云,必须要原子远离,同时电子靠近质子。就是必须是稀薄状态气体。 有人把这种稀薄气体叫做物质的量子态。 就是要观察一种物质全光谱,需要汽化该物质。 你把一个电子靠近质子组成了氢原子。电子原来速度是零,请问哪里来的神秘能量使得电子突然按预设轨道绕圈,或者突然跳跃成云? 模型错了,全盘皆错。不得不救助超自然力来解释。 ----------------------------------------------------- 看质子和电子组成氢原子的实验: ---------------------------------------- -阴极 -------| |----------+ 阳极 ---------------------------------------- 如图,一个密封玻璃管右边是阳极,左边是阴极。里面充稀薄氢气。 加直流电压。用火烧玻璃管。 火烧的结果使得玻璃管里氢气分解为氢原子并部分电离。 电离后氢原子分解为电子和质子。电子被右边阳极收集,质子向左运动聚集到阴极附近。 聚集到左边阴极附近的质子会和阴极出来的电子重新组成氢原子。
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群体行为和个体行为------假想单个质子和电子光谱实验
热度 1 yecang 2017-6-19 08:47
群体行为和个体可以完全不同。有完全不同的性质。 比如外星人研究地球人,发现人的个头有分立高度。就是1.7米,3.4米,5.1米,6.8米。 而且还有个概率分布,1.7米的最多,3.4米高的也很多,6.8米的极少。 外星人百思不得其解。 其实,是地球人有些人站其他人身上的体操行为造成的。二个人站立一起个子加倍,4个人站一起就是6.8米。 这里群体性质和个体完全不同。 这种不是个体的特殊行为导致,而是不同个体的配合造成的结果。 所以,对于单个个体绝对没有,对于群体就会有。 再 设想外星人用薛定谔方程求解北京人。发现了北京人在北大,清华,中关村和北京站出现的概率。还发现了男女人分别出现的概率。 但如果他们误认为是一个人,那这个人就有了魔鬼性能,同时在这多地方出现,一会是男一会是女。 不观察不知性别(即是男又是女),一观察,男女立判。 电子怪异行为就是这样被赋予的。 错误地把群体行为当作个体行为会导致各种怪异的结果。 氢气光谱就是这样产生的。 氢气那些电子是正常电子,和导线里面出来的原来属于金属的电子一样的。和离开原子核的那些阴极射线管和加速器里的电子也是一样的。 这些电子本来没有分立的能级,是稀薄氢气里的不同原子的配合造成的分立能级。 就是有的原子把电子失去了(因为外来能量)临时给了其它原子。 这个和外星人研究地球人说地球人有分立的高度一样。 其实地球人就是1.7, 没有其它高度。 如果能做单个氢原子实验就好了。 把一个质子和一个电子放到真空管里,实验结果一定是:发出能量为13.6EV的光子。就是电子从远处被质子吸引过去重新组成氢原子所发出的能量。看论文,H1的电子能量是-13.6EV。也就是,电子停留于玻尔半径位置的能量。在这个位置到无穷远之间,电子没有任何中间位置可以停留。也就是没有其它能级存在。 如果把二个电子一个质子装真空管里呢? 这就复杂一些了。 会有二个能级存在。发出三种不同能量的光谱。 一个是和前面一样,另一个电子在远处没参与进来。那发出13.6电子伏的光子。 第二种情况是另一个电子参与进来。那形成论文里的H2. 能量是-3.4电子伏。就是第二个电子被吸引过来,发出3.4电子伏的光子。 第三种情况是: 已经有2个电子的质子,一个电子逃跑了,那么另一个将从能级-3.4降低为-13.6, 那会发出能量为二者之差10.2043EV的光子。 也就是,在一个质子的实验中, 一个电子发一个能量光子。 二个电子发出三个不同能量光子。 10.2043电子伏光子是氢原子的一个非常强的谱线。波长是121.5纳米。
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新原子模型验证实验系列之一
热度 2 yecang 2017-6-13 07:17
根据我的论文和模型,氢原子光谱产生机制是:稀薄氢气放玻璃管里面加热, 造成电子获得能量乱飞,被其它氢原子临时俘获(对原子气体这种加热不是均匀的), 形成H0,H1,H2,H3,...直至H8. 电子在这些原子之内和之间跳跃形成的氢光谱。 论文断言:单个氢原子没有全光谱,只有一条线,就是质子吸引电子回来发出的能量为13.6电子伏的那条线。 这个实验可以做了。今天有空把实验写出来。 真的必须设法证实,假的必须揭穿。 怎么做实验?用单个氢原子实验?这个做不到,以后希望有技术能做到。 那换个思路,我们还用氢原子气体,但不造成电子乱飞,就是设法把被能量激发离开原子的电子收集起来,不与那些氢原子混合, 那么那些光谱就无法形成。 就是把质子和电离飞出去的电子隔离开来。 隔离之后,另外提供一些电子给质子群,那么,这些电子会被这些质子俘获重新组成H1,发出13.6能量的光谱线。 因为质子被集中起来,不容易形成H2(身边还有很多质子等着吸引电子)和H3等,因此质子集中区的光只有一个波长,就是13.6的线。 这样也就证明了,这些质子周围没有能级,电子也没有能级,量子力学和玻尔给电子的神秘武功会被废掉。 一定会被废掉的。一会上图... ---------------------------------------- -阴极 -------| |----------+ 阳极 ---------------------------------------- 如图,一个密封玻璃管右边是阳极,左边是阴极。里面充稀薄氢气。 加适当直流电压使得氢气分解为氢原子并电离。 电离后氢原子分解为电子和质子。电子被右边阳极收集,质子向左运动聚集到阴极附近。 电离开始不会发光,因为电子有去无回,不会再被质子吸引。 就是实现了正负电荷分离,不再和火烧氢气玻璃管那样混合。 质子聚集到左边阴极附近,阴极出来的电子会和这些质子结合重新形成氢原子。这个过程,会发出能量为13.6电子伏的光子。就是我论文里面H0吸引无穷远的电子过来,电子能级从0变为H1,发出这个波长的光子。 阴极附近因为质子聚集,无法形成和电子混合那种气体,因此不会或很少有吸附多个电子的氢原子形成。因此,光线波长单一。不再有那些能级存在。 13.6电子伏光子,波长大概91纳米。属于远紫外线。 这个实验的结果是: 阴极附近发出紫外线,频率单一。没有火烧玻璃管那样丰富的光谱能级存在。 紫外线灯就是这么制作的。 气体放电光源是利用气体放电发光原理制成的。 气体放电光源是紫外辐射源迄今的主要形式,其电弧单位长度功率从0.1W/cm到400W/cm,辐射光谱范围覆盖紫外区域,效率最高达60%,寿命为100~1000小时。这类紫外辐射源中,电子在1V/cm到100V/cm的电场中加速,然后产生激发和电离,最后通过能级跃迁,辐射出紫外能量。 弧光灯适用的填充气体范围从氢气到氙气,包括汞-氩气和钠-氩气。汞弧光是非常有效的紫外源,其大部分输出在紫外波段(特别接近254nm)。氢和氘灯在紫外波段能产生强连续光谱,短波输出主要受限于窗口的光源透过性能。 这个是气体放电光源介绍。 紫外波段有固定的波长,也有连续谱成分。连续谱是因为阴极出来的电子有各种速度,其动能和跃迁的能量叠加造成。如果出来电子速度是0,那只有一个91nm波长。 如果电子有那个分级武功,那么在阴极附近电子质子组成氢原子过程中,电子会出现在不同的能级上,那么光谱就是氢原子的全光谱(和火烧玻璃管那样),而不是频率单一的紫外钱。 单个氢原子或单个电子有分立的能级假的。波尔硬性假设量子化轨道,量子力学是解出的原子气体的群体效应,不是一个原子的。虽然用一个原子列的方程。 但是,量子力学误以为是单个原子有能级。这个太误导人了。 人类上当了,被氢原子捉弄了100多年。
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按新的原子模型预测的锂III的光谱
yecang 2017-6-12 10:40
按我论文的计算,锂被强能量完全电离后会有这个光谱出现。 我网上查了,没有查到锂被完全电离的离子光谱。 完全电离可能很困难,没有人做过这种光谱实验? 谁有这方面的资料,可以发出来,对比一下 Transit 2 - 1 91.8391eV 13.5000nm Transit 3 - 1 108.8464eV 11.3907nm Transit 4 - 1 114.7989eV 10.8000nm Transit 5 - 1 117.5541eV 10.5469nm Transit 6 - 1 119.0507eV 10.4143nm Transit 7 - 1 119.9532eV 10.3360nm Transit 3 - 2 17.0072eV 72.9002nm Transit 4 - 2 22.9598eV 54.0001nm Transit 5 - 2 25.7150eV 48.2144nm Transit 6 - 2 27.2116eV 45.5626nm Transit 7 - 2 28.1140eV 44.1001nm Transit 4 - 3 5.9525eV 208.2863nm Transit 5 - 3 8.7077eV 142.3832nm Transit 6 - 3 10.2043eV 121.5003nm Transit 7 - 3 11.1068eV 111.6284nm Transit 5 - 4 2.7552eV 450.0012nm Transit 6 - 4 4.2518eV 291.6008nm Transit 7 - 4 5.1542eV 240.5461nm Transit 6 - 5 1.4966eV 828.4113nm Transit 7 - 5 2.3991eV 516.7983nm Transit 7 - 6 0.9024eV 1373.8883nm
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jlk1969你把氢原子吸附第二个电子的实验详细发出来
热度 1 yecang 2017-6-10 20:28
就是吸附第二个电子放出0.8电子伏能量那个。 和我的模型没有冲突
414 次阅读|8 个评论
电子流对撞质子实验早都做过无数次
热度 3 yecang 2017-6-7 10:22
低能中能量电子和质子是完全弹性碰撞。 电子被散射后能量不变。 这完全符合我论文里面的假设,即库仑定律扩展公式。 在平衡球面以内是质子对电子的巨大排斥力。 质子因为质量大,可以认为作用后不动。 因此近似完全弹性作用电子不损失能量。 极高能电子轰击质子,发生非弹性碰撞,就是真的接触到了质子,并可能将其打碎,发生核反应。 总之,实验表明传统库仑定律在原子距离内不对。质子没吸引电子的情况发生。 完全弹性碰撞就是也不发光。如果发光那电子损失能量就会减速。就不是完全弹性散射。 这种实验,电子的量子力学武功也被废了。 接近质子也没有了发出各种固定频率光子的能力。 怎么回事?我论文其实有解答。 电子本来就没那种神秘武功。 按道理,用极低能量的电子流去接近质子会发光。就是电子被质子俘获停留在平衡球面上。 这时候,一个电子发出一个13.6电子伏的光子。其实这就是组成氢原子的过程。 要展示电子的量子武功,必须在气体中,而且还要是稀薄气体。把气体密封到瓶子里,用火烧。这时候能发出全部固定频率的光谱。 高压气体不行,它会发出连续谱。 固体液体都不行。也是连续谱(偶尔发出几条特征谱另有原因,比如电子流轰击金属靶子产生X射线的几条特征谱)。 有人说,只有稀薄气体加热才能使电子进入“量子态”。 用高速电子撞击金属产生X射线,大部分是连续谱,几条特征谱的解释是,高能电子把金属原子的内层电子撞飞了。外面电子回去补位,发出特征线。应该就是这样。 就这个火烧玻璃瓶气体,把科学家绕进去了一百年。不断发现新的光谱线,发现线系,莱曼线系等,还发现了和整数有关的那个公式。一步一步地。根据这些发现,才有原子模型,来解释为啥氢原子有如此怪异的行为。
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热辐射是原子里的电子的热震动所产生
热度 2 yecang 2017-6-6 11:15
  刚才查到了一分教材,讲热辐射的。 https://wenku.baidu.com/view/033f5627dd36a32d73758182.html 教材中只是说:“一切高于绝对0度的物体都会产生热辐射。温度越高,辐射能量越多,短波成分越多,辐射是连续谱...”, 根本没有提到热辐射的成因。教材中都把热辐射当作物体固有属性了,但不说原因。 其实,热辐射就是物体原子里的电子的热震动所产生。就是电子云做出的事情。 只要高于绝对零度,热辐射就不断产生。能量来源就是吸收外来辐射。热平衡状态吸收辐射和发出辐射。 为啥不说是电子热震动产生的?不会没有人想到吧。 是受现在的某些理论比如量子力学误导造成的。 量子力学把受束缚电子作为特殊神秘粒子对待,不提这些电子的热震动。 为啥量子力学回避? 因为热辐射是连续谱,而量子力学的电子是有神秘武功的(有分立的能级),因此,和热辐射连续谱扯上关系了不好,武功有被废的可能,或者有矛盾的地方。 热辐射是电磁辐射,一定是带电粒子震动产生,电子或离子。普通物体就是电子。 不能是原子震动产生,因为原子是电中性的。 也不能是原子核震动产生,因为原子核震动必定带动核外电子震动,等于原子震动。 电子是普通状态物质几乎所有的电磁辐射的源头。
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一种新的原子模型---原子真实物理结构【电子静止模型】
热度 5 yecang 2017-6-6 08:21
一种新的原子模型 作者 : 叶苍 电子邮件 : jshelp@163.com或yecang@sec.ac.cn 摘要 本文给出了库仑定律在原子尺度上的扩展 - 一个描写和规范在原子世界里电子和原子核如何作用的公式 。根据这个扩展的库仑定律,作者提出了一个新的原子模型。 与现有的电子云模型和更早期流行的波尔模型比较,本模型更加接近原子的真实物理结构 。在这个新原子模型基础上,利用简单的积分运算 , 作者成功导出了氢原子气体的光谱和电离氦气体的光谱。 关键词 : 能级,库仑定律扩展,平衡点,平衡球面。 库仑定律的微观扩展 物理上著名的库仑定律 是人类认识宏观世界的结论。在原子尺度上,这个公式并不适用。 其微观扩展公式是: 一个质子对电子的吸引力: ---------- (1) 公式里 R 是波尔半径 ( R = 5.29177×10 −11 m ) 。 k 是库仑常数为 ( k = 8.9 8755 ×10 9 Nm 2 C −2 ) , q1=q2 是基础电荷电量 , 也就是一个电子或一个质子的电量的绝对值。 根据这个公式,质子附近的电子受力如下图所示: 我们早已知道,当一个电子慢慢靠近一个质子的过程中,它们之间的引力不可能按照库仑定律说的那样无限增加。实际情况是,在靠近质子的路径上有一个受力平衡点。电子在这点之外时候受到的是引力,距离小于这个点电子受到的是排斥力。 在这点上,电子受力是 0. 这个平衡点和质子的距离实际就是波尔半径。我们用 B 表示这个平衡点。 以氢原子为例: 平衡点 B 等于波尔半径 R (R=52.9pm) 。 当 r R 时候,电子受到的是质子的引力 , 当 r R 时候电子受到的是排斥力。 这也是为什么电子永远不会被吸入原子核的原因,随着电子和质子的距离减小,引力变为了排斥力并且异常强大。 在宏观尺度上,这个扩展 退化为我们熟知的库仑定律 因为 r R 。 等机会电子排列 在一个原子里面,如果各个电子有均等的机会被原子核吸引,我们就称作这个原子是一个等机会排列原子。 也就是:从原子核往外看,各个电子位于对称的空间位置,有均等的机会被原子核吸引。 在等机会排列原子中,每个电子受到合力(原子核的引力和其它电子的排斥力)可以用下面公式表示: ------ (2) 公式里Np 是原子核里质子数 , Ne 是被原子核吸引的电子数。 平衡点 ( 电子之间的排斥力使得平衡半径加大 ) 。 R 是波尔半径。 根据公式( 2 ),多于核电荷数(质子数)的电子可以被原子核临时吸引,这时候电子数Ne 大于质子数Np 。 公式( 1 )是公式( 2 )的特殊情况,也就是当原子中正负电荷数各等于 1 时的特例。 原子是如何形成的 当一个电子接近一个质子的时候,质子吸引电子靠近自己一直到平衡点位置。电子在这里受力是 0 保持不动,一个氢原子就形成了。平衡点有无数个,构成了以 R 为半径的球面。电子在这个平衡球面上有热运动,包括球面上漂移或者径向热震动。 氢原子的形成是最简单的情况。对于更大的原子,比如钠,是多个电子被原子核吸引而形成。 这时候的电子排列分层。最开始两个电子位于第一层球面(按照前面公式),因为电子之间的排斥力,第三个过来的电子将排列到更外层上而不在第一层。 在第一层有 2 个电子以后,系数Np/Ne 仍然大于 1, 在更大的半径位置将存在一个新的平衡球面。 新的平衡球面可以通过求解氦离子的一个方程来知道 ( 2 个质子一个电子,在电子更远的径向地方存在另一个平衡点 ). 所以,其它电子将填充在第二层的平衡球面上。第二层最多可以填充 8 个电子。然后是第三层 … 直到所有的电子都填充完毕。也就是一直到满足系数Np/Ne =1 。 每层的电子数目分别是 2 , 8 , 18 , 32 ,这个是确保每层电子之间有基本相同的密度,避免过度排斥。 层电子数 2xn的2次方 正比于每层的球面面积。 氢原子光谱 根据公式 (2) , 当一个电子附属于原子核时候(在平衡点球面上) , Np/Ne=1 , 平衡点 B = 波尔半径 R = 52.9177pm, 公式变为 , 我们用区间从 B 到无穷远做简单的定积分 , 积分结果就是把这个电子从平衡点移动到无穷远所做的功: 这就是著名的氢原子第一能级的能量。 当2个电子被原子核临时吸引过来时 , 把其中一个电子从平衡点移到无穷远: 类似地,当 3 个电子临时附属于原子核时候,移走其中一个电子,我们得到 … 下面的积分结果列出了氢原子从E1 到E8 各个能级的能量值: 能级 能量 ( 电子伏 Ev) 1 -13.6058eV 2 -3.40145 3 -1.51176 4 -0.850362 5 -0.544232 6 -0.377939 7 -0.277669 8 -0.212591 两个能级相减立即得到氢原子的光谱: 跃迁能级 能量差 (eV) 光子波长 (nm) 2 -1 10.2043 121.5003 3 -1 12.0940 102.5159 4 -1 12.7554 97.2003 5 -1 13.0616 94.9221 6 -1 13.2279 93.7288 3 -2 1.8897 656.1018 4 -2 2.5511 486.0013 5 -2 2.8572 433.9297 6 -2 3.0235 410.0636 4 -3 0.6614 1874.5765 5 -3 0.9675 1281.4488 6 -3 1.1338 1093.5030 5 -4 0.3061 4050.0109 6 -4 0.4724 2624.4071 6 -5 0.1663 7455.7020 什么是能级?能级如何存在的?电子的跃迁如何发生? 当氢原子气体被加热或通电给予外部能量时候,大量的氢原子会被电离而电子脱离了质子束缚跑到原子离子蒸汽中。逃脱掉的电子会向四周游荡,结果被其它原子(或质子)吸引而临时附属于这些原子(或质子)。 结果是:在氢原子蒸汽中临时存在大量的 H0,H1,H2,H3,…H8 原子。 Hn 表示 n 个电子的氢原子。 H0 是质子, H1 是正常的氢原子, H2 是临时附属了 2 个电子的氢原子。等等。 我们把这种气体叫原子气体的激发态。每一个原子都有一个对应的能级( H0 不算,单独的质子)。示意图如下: 一个正常的未被激发氢原子 H1 所在能级是 1 (13.6e V ) 。被激发后的氢原子:临时束缚了 2 个电子的氢原子 H2 的能级是 2(3.4Ev) , 临时束缚了 3 个电子 的氢原子是能级 3 ( 1.511Ev ) … 等等直到 H8 。电子从一个能级的位置跳到另一个较低能级位置叫做能级的跃迁。这时候,多余的能量以光子的形式释放出来。 能级的跃迁 跃迁是因为电子跳跃位置而发生的。分为两类。第一类是电子在同一个原子内的跃迁,第二类是电子在不同氢原子之间的跃迁。 第一类的例子:比如在 H2( 束缚了 2 个电子的氢原子,如上图示意 ) 中,如果一个电子逃逸掉了,另外一个电子将从能级 2 变为能级 1 ,结果是大约 121.5nm 波长的光子发出。或者在 H3 中,如果一个电子逃逸掉了,另外两个电子将从能级 3 降为能级 2 ,这时候两个波长为 656.1nm 的光子会放出。或者在 H4 中,如果 2 个电子同时逃逸掉,另外 2 个电子将从能级 4 降低为能级 2 ,两个波长为 486nm 的光子会发出。 第二类跃迁是电子从一个原子跳到了另一个相邻原子中导致的能量释放。上面说的电子逃逸掉了,逃逸到哪里了?大部分是被附近的其它原子束缚住了。就是逃逸到另外一个氢原子中。举例来说,比如 H3 中的一个电子逃逸掉了被附近的 H0 (质子)所俘获,这个电子从能级 3 变为能级 1 ,发射出来 102.5nm 的光子。几乎同时(实际不同时,有先后跳时间差), H3 原子的另外两个电子将从能级 3 变为能级 2 ,发出 2 个 656.1nm 光子。 顺便提一下, 656nm 光子(能级 3 到能级 2 )应该有光谱线分裂(所谓的精细结构),因为这个光谱是由 3 个不同的电子产生的: 1 个从 H3 跳到 H1 产生(不同原子间跳跃,从能级 3 到能级 2 ),与此同时 H3 里面的另外 2 个电子也从能级 3 跳到能级 2. (同一个原子内的跳跃)。不同的跳跃路径会有光谱波长的细微区别,精细结构由此产生。类似地, 121.5nm( 能级 2 到能级 1) 光谱应该也有谱线分裂,因为这个光谱由不同的两个电子产生: 1 个电子从 H2 跳跃到 H0( 从能级 2 到能级 1) ,与此同时 H2 里面的另外一个电子也会从能级 2 变为能级 1. 这种不同电子同时按不同路径跃迁发出的光谱都会有精细结构。不同的跃迁路径有微小的能量差异。 通过以上解释,我们知道,单个的氢原子无法发出这样多不同波长的光谱。能级存在于受激发的氢原子气体之中,而不是存在于一个氢原子中。这就是为什么我们要观察一种物质的全光谱,必须把这种物质汽化才有可能。单个氢原子只能发出一个能量为 13.6eV 的光子。不能产生我们熟知的氢原子光谱。 氦II光谱的计算 对于氦原子 , 二个质子Np = 2 当一个电子束缚在原子中时候(电离的氦原子),平衡半径 , 库仑扩展公式 计算这个定积分,积分区间从 B( 分别等于 R/2, R, 3/2R… 等等 ) 到无穷远,我们立即得出氦原子的能级表 能级 能量 (eV) 1 -54.4232eV 2 -13.6058 3 -6.0470 4 -3.4014 5 -2.1769 6 -1.5118 7 -1.1107 8 -0.8504 各个能级相减得到的氦光谱表: 跃迁能级 能量差 ( 电子伏 ) 光谱波长(纳米) 2 - 1 40.8174eV 30.3751nm 3 -1 48.3762eV 25.6290nm 4 -1 51.0217eV 24.3001nm 5 -1 52.2463eV 23.7305nm 6 -1 52.9114eV 23.4322nm 7 -1 53.3125eV 23.2559nm 3 -2 7.5588eV 164.0254nm 4 -2 10.2043eV 121.5003nm 5 -2 11.4289eV 108.4824nm 6 -2 12.0940eV 102.5159nm 7 -2 12.4951eV 99.2253nm 4 -3 2.6456eV 468.6441nm 5 -3 3.8701eV 320.3622nm 6 -3 4.5353eV 273.3757nm 7 -3 4.9363eV 251.1640nm 5 -4 1.2245eV 1012.5027nm 6 -4 1.8897eV 656.1018nm 7 -4 2.2908eV 541.2287nm 6 -5 0.6652eV 1863.9255nm 7 -5 1.0663eV 1162.7961nm 7 -6 0.4011eV 3091.2487nm 这个表完全和实测的 HeII 的光谱数据吻合。 本原子模型的要点 1) 电子是静态地在原子核外面排列,和镶嵌在那里一样,电子仅仅有微小的热运动,包括径向的振动和在平衡球面上的滑动。 2) 离开原子核的单个电子没有能级,例如加速器里面的电子没有能级,真空管里面的电子没有能级。 3) 单个氢原子没有光谱(仅仅有一条固定线)。能级是存在于受到激发的原子气体中,是一种群体效应。单个氢原子不具备。单个氢原子不会发出我们看到的氢光谱。 进一步讨论和展望 当世界看起来对我们非常复杂,最有可能的情况是,我们解释这个世界的方法出了问题。 本文提出的库仑定律扩展,连同这个扩展带来的原子模型都应该可以被精心设计的物理实验检验。作者希望,这类物理实验能够在不远的将来开展起来。 参考资料 Nist 数据库( Nist database ) . 网址是 physics.nist.gov/PhysRefData/Handbook/Tables 本文中所用于对比的所有实测光谱数据都来自这个数据库。
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关于新原子模型的答疑(会随时修改更新)
yecang 2017-5-27 10:11
Q 库仑定律怎么会那个样子,有斥力项? A 我也不知道。猜测出来的。属于科学中的假设。其实也容易猜测到,静电引力不可能那样随着距离缩小不断增加的。数学上可以,物理上没有这个道理。 还有,就是原子核排斥电子也容易想到。你用电子流射击阿尔法粒子,看是不是被弹出?或者组成氦原子。电子不会被吸入的。 斥力项的存在是组成物质世界的基础。没有这个,原子不会形成的。也就没有我们的世界。 Q 波尔半径怎么回事?是利用的现成的波尔模型里的数据? A 不是的。仅仅是用个大家熟悉的名词而已。 用新的模型,假设不知波尔半径数值,用氢原子的第一个积分,让这个积分等于光谱数据,给定不同的R实验计算,让结果符合光谱数据,这个R就会被求出来。 Q 为啥新模型只解出了一半氦光谱?不能和氢原子那样得到完全解? A 因为论文里的公式(2)只适合于等机会电子排列原子。氦原子一半时候是这样的,这部分光谱就可以精确计算出来。另一个半的光谱不是等机会排列原子(电子分层了,无法给出其中一个电子的受力公式)。 这个已经很好了,现有的电子云模型或者波尔模型,能准确计算出氦光谱吗 Q 电子静止模型有物理实验支持吗? A 著名的康普顿X射线散射实验就支持。康普顿假设物质里面电子是静止的。根据静止的电子计算的散射结果(波长等)。如果电子高速运动,这个实验的计算就不会是那个结果。 还有,金属中的自由电子就是基本静止的。光电效应中也是按静止电子接受了外来一定量的光子能量计算的。 导电金属导体里面的电子也基本静止,可以算出移动速度非常小。 Q 质子对电子的排斥力还有什么物理实验能说明? A   1967年由杰罗姆二弗里德曼门erome Friedman),亨利·肯达尔(Henry Kendall) 和理查德·泰勒(RIChaf Taylor)组成的麻 省理工学院和斯坦福直线加速器中心合作组用 加速器中心提供的高能强流电子束轰击质子。   这个实验, 电子被质子散射开,而不是被吸入原子核。也可以作为一种质子排斥电子的暗示或说明。 Q 为啥论文里说电子离开了原子核就没有了能级? A 能级是原子气体里面存在的现象,就是由不同原子临时吸附了其它原子丢失的电子形成的,所谓的原子气体的激发态。离开原子核的电子不存在能级,比如同步加速器里面的电子发出的同步辐射光就是连续谱。   同步辐射是具有从远红 外到X光范围内的连续光谱。   还有,被原子核紧密束缚的电子也没有能级, 比如金属加热后发出的谱线也是连续谱(用高能电子轰击金属,会得到少量的能级谱线。不是全部,这个是表面气化,内部个别电子脱离束缚引起)。 要观察物质的全部能级,必须将物质气化,成为原子蒸汽。
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《原子物理学》(第2版)崔宏滨
ustcpress 2012-3-13 15:21
《原子物理学》(第2版)崔宏滨
出版日期:2012年1月 出版社:中国科学技术大学出版社 书号(ISBN):978-7-312-02932-5 正文页码:458页(16开) 字数:564千 定价:49.80元 编辑邮箱: edit@ustc.edu.cn (欢迎来索要目录、样章的PDF) 当当网购书链接: http://product.dangdang.com/product.aspx?product_id=22645353 本书有现成的课件,欢迎任课教师选本书作教材。 【 内容简介 】 本书 讲述大学普通物理的“原子物理学”部分,内容包括原子的结构、原子的量子模型、量子力学的初步介绍、原子、分子的光谱和能级,以及原子核的基本知识。书中详细描述了有关原子物理的重要实验,提供了大量的实验数据,利用量子力学的基本知识,通过对实验结果的分析,向读者尽可能详尽地介绍了原子、分子的结构、能级、跃迁、光谱以及原子核的组成、放射性、核反应等方面的知识,以及原子物理学在各个方面的应用。对于处理和研究原子结构、能级、光谱的方法和技巧,做了仔细的说明和论证。书中附有大量图片和实验数据,便于读者参考核对。本书适合作为大学物理类以及其他理工类本科生的教材,也适合作为其他专业读者的参考书。 【 作者简介 】 崔宏滨,中国科学技术大学物理学院副教授,毕业于中国科学技术大学,获理学博士学位。承担“光学与原子物理”“力学与热学 ” “固体物理学”等物理课程的本科教学工作,连续多年为全国奥林匹克物理夏令营的学生讲课。曾获中国科学技术大学第六届“困学守望”杰出教学奖( 2011 )、中国科学技术大学校友基金会优秀教学奖( 2009 )、中国科学技术大学华为奖教金( 2003 ),是学校重点培养的教学骨干。出版了《光学》(科学出版社)、《原子物理学》(中国科学技术大学出版社)等教材。 【 教材特色 】 本教材取材于作者的讲义。该讲义多次试用,并不断进行调整,一方面删繁就简,同时补充新内容,并制成电子课件供学生参考。学生普遍认为内容合理,较为新颖,方便实用,乐于接受。本教材在中国科学技术大学用于非物理专业,对于一般本科院校可用在物理专业。 【 专家评价 】 资料丰富,表述清晰,易学易懂 在大学普通物理的课程中,只有原子物理是关于微观体系的物理学分支,这一属性决定了原子物理学是一门难学难懂的课程。一方面,不能用经典的、宏观的理论描述和处理原子的问题;另一方面,微观粒子的运动特性、微观领域的量子规律,对于熟悉经典物理的学生来说,往往难于把握和运用。 崔宏滨所著的《原子物理学(第二版)》教材,较好地解决了这些困难。 第一,由于作者查阅了大量的相关文献,特别是解决原子物理问题的重要的原始文献,使读者对原子物理的发展过程有了清晰的了解。例如该书在讲述原子核式结构模型建立的过程中,引述了汤姆孙、卢瑟福、查德威克等物理学家当年发表的论文,详细地描述了他们的实验方法和过程,以及通过数据分析、理论推导进而建立物理模型的过程,从而使读者对物理学的研究方法和规律有了切实的感受,能够很好地理解这些理论发展和建立的过程,并有助于培养学生的科学态度和科学思维。 第二,由于作者积累了丰富的资料,所以对原子物理学发展中的重要思想和关键事件十分了解,并在教材中进行了较准确的阐释。索尔维会议的主题和争论、波粒二象性的提出、玻尔模型的建立、空间量子化的依据、量子理论的建立、自旋假设的提出,等等,这些重要的事件在教材中都有较详细的描述。了解原子物理的发展历史,有助于学生理解原子物理中的重要概念、重要模型,以及这些概念和模型是如何不断地被完善,从而越来越清晰、越来越准确的。学生在阅读这些资料的过程中,对新规律、新思想、新概念由陌生到熟悉,从而很容易接受。 第三,作者大量地运用物理模型和物理图像描述原子中电子的运动特征和规律。由于在学习原子物理的过程中,学生往往尚未系统学习量子力学,因而该教材中对这类问题,借助形象的模型加以阐释,例如波包与粒子、磁矩与角动量,等等。通过这样的处理,许多较难的问题可以迎刃而解。 第四,该教材较好地结合了科研中的实际问题,并能反映原子物理学的新进展和应用成果。其中对照明光源的能级和光谱,多种激光增益介质的能级和跃迁,扫描隧道显微镜、原子力显微镜的原理和应用,磁共振方法和成像技术, x-ray-CT , pet-CT ,等等,都进行了较详细的描述和分析。 第五,该教材提供了较多的原子能级和光谱的实验数据,常用阳极靶的 x 射线谱及其命名规则,等等。这些资料,一方面有助于学生对原子的性质有直观而具体的印象,另一方面,也方便学生在日后的工作中参考。 第六,对于困难的问题,作者通过多种实例进行解释。例如等效电子受泡利原理限制所形成的原子态的问题,多电子原子基态能级的形成问题,原子辐射跃迁的选择定则问题,等等。这些例题,一方面可帮助学生理解处理问题的物理依据,另一方面,也便于学生掌握处理这些问题的具体方法和规则。 显而易见的是,这本易读易懂的教材凝聚了作者的心血和经验,因而颇受读者的欢迎,这也算是对作者辛勤编写此书的回报。( 王冠中:教授、博导,中国科学技术大学物理学院副院长)
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几多时光,雕刻地球之(5)
songshuhui 2010-7-8 17:35
Ent 发表于 2010-07-08 11:51 19世纪晚期,开尔文勋爵利用地热梯度公式推断,地球的年龄大约只有几千万年,而佩利的反驳则没有引发注意。但是随着20世纪的到来,物理学揭开了新篇章,地球年龄的探索又会走向何方呢? 五:物理时代(下) 历史真是充满讽刺。就在汤姆生(开尔文勋爵)1897年对地球年龄下最后论断时,另一个也叫汤姆生的家伙(J. J. Thomson)在同年4月份皇家学会上宣读了一篇论文,宣告电子的正式发现。没人能想到,叩开原子的大门之后,里面是怎样的珍宝。真可谓成也汤姆生,败也汤姆生。 J. J. Thomson (1856-1940)。多正太的眼神啊这家伙虽然名气不如开尔文勋爵,但也很牛啦,自己拿了诺贝尔奖不说,还有足足七个助手也先后拿了诺奖,甚至还把自己的儿子也培养成了诺奖得主 这么好的老板上哪找啊!后来他也封了爵,可惜只是最低级的爵士,不世袭。 原子的放射性是法国人贝克勒尔(Henri Becquerel)1896年1月在研究磷光时意外发现的。在当时很多人看来,物理学已经发展得几乎尽善尽美,就要走到终点了;剩下的不过是一点小问题,或者用开尔文勋爵的话说,是天边的两朵乌云。这个背景下,放射性这一全新现象的发现本来这应该立即成为焦点不幸的是,就在上个月,伦琴发现了X射线。(好吧,其实贝克勒尔就是看了伦琴的实验之后才受到启发的。)X射线是高频电磁波,仍然处在传统物理学的解释范围之内,但是它表现出的穿透性很是神奇,把人们的注意力都抢光了,结果是大家都误以为这个新的放射性和X射线差不多。实际上,就连贝克勒尔本人对此也很快失去了兴趣。反倒是一位叫做玛丽斯可洛多夫斯卡的女士在寻找博士论文题目时看中了这个领域。她希望能在一个全新的领域里工作,能够在实验室里自由发挥而不是整天泡图书馆的故纸堆,而她的物理学家丈夫也在自己任职的学校里为她开辟出一间实验室,到后来他甚至放弃了自己的晶体学研究,加入了妻子的领域不兜圈子了,我说的其实就是居里夫妇啦。 居里夫妇在实验室那一张照片实在太常见了,咱换一张不常见的。想不到吧,他俩都是自行车的狂热爱好者当年自行车还算是个新鲜玩意。他们新婚第一天就是在骑自行车郊游野餐中度过的~ 早在十多年前,皮埃尔居里和他的哥哥雅克就发现了压电效应,就是说给石英晶体施加压力让它变形的话它会自动积累电荷,而如果给它通电的话它又会自动发生形状改变。现在的石英钟就是利用这个原理,不过他们当时只想到这一效应可以用来测静电,由此发明了石英晶体压电静电计。而玛丽斯可洛多夫斯卡居里注意到放射性能使空气电离,那么恰好可以借用丈夫的静电计来间接衡量放射性的强度。由此她做出一项重大发现,放射性的强度只和其中的放射性原子数量和种类有关,和它的化学形式、所处的温度压力什么的完全无关。这表明放射性是来自原子内部的。 她的发现很快引发了同行对放射性领域的关注,其中最著名的无疑是英国人卢瑟福(Ernest Rutherford)(讽刺的是,他本人根本不相信原子核的能量可以被提取出来利用)。他的实验室发现,原子发出放射线之后自己也会衰变,并测量出衰变遵循一个固定的速度,但是不是每秒几个原子,而是每秒百分之几。换言之,每一刻每一个原子的衰变可能性都是相同的。这样一来,衰变所需的时间就和初始量无关:每经过一个固定的时间(这个数被称为半衰期),放射性原子就衰变一半。再经过同样长的时间,再衰变一半,只剩四分之一。所谓一尺之棰,日取其半,万世不竭,恰好可以用来描述衰变。 大名鼎鼎的卢瑟福(1871-1937),原子物理之父,1908年诺贝尔化学奖得主(虽然他自己更想要物理奖)。我一直觉得他是那一辈人里最帅的一个,而且和我心目中的福尔摩斯同学非常像/_\\ 他后来也受封为男爵(1st Baron Rutherford of Nelson),但是因为没有儿子,所以这个爵位没传下来。右边是半衰期的图解。 一种现象,速度保持恒定、不受任何外界环境干扰,这俨然是完美的尺子啊。因此很多人都想到了利用放射性测年的可能性。最早提出这一猜想的似乎是John Joly,就是提出根据海水盐度计算年龄的那一位。这时恰逢卢瑟福的合作者索迪(Frederick Soddy)等人测出了铀衰变释放粒子的速度,卢瑟福于是假设氦核全部被周围的岩石困住变成氦气,那么可以通过测量氦气总量来计算年龄。当然测得的衰变速度其实并不精确,氦气也不可能没有逃逸,但毕竟是第一步嘛。结果出乎意料,随手挑了一块铀矿石就测出了四千万年的数值。开尔文勋爵1897年估计地球年龄的上限也才四千万年而已啊,而且岩石的年龄肯定比地球要年轻不少。 这下可捅了马蜂窝了。那时开尔文已年届80,俨然是物理学界半神级的人物,之前说过,他的地位就跟晚年的爱因斯坦差不多,皮埃尔居里曾拿到开尔文的一封推荐信,结果是35岁博士毕业(那时候博士制度没现在这么严谨,所以很多人拖得很久)立刻升为教授,年薪六千法郎。相比之下,玛丽在巴黎求学期间仅靠每年折合两百多法郎的波兰奖学金就过得还可以了。(我们熟知的玛丽居里的艰苦生活是在她拿到这笔奖学金之前的两年。)卢瑟福虽然也已算是名人,怎么也不能和开尔文过不去啊。 还好,放射性还有其它的作用。皮埃尔居里在1903年证实放射性会产生大量的热,他发现镭的放射性足以在一小时之内融化同等质量的一块冰。物理学家立即反应过来,这一下使得之前所有基于热量计算的地球年龄都需要重新校正。George Darwin和John Joly两人首先指出这一点,部分原因可能是他俩的自己算法并不依赖于热量~ 因此就有了以下这段著名的描写,卢瑟福自述他和开尔文勋爵的一次狭路相逢: 我走进灯光昏暗的屋子,立即看到了听众席上的开尔文勋爵,意识到我有麻烦了我的演讲最后一部分关于地球年龄的部分和他的观点相矛盾。还好他睡的正香,让我大为欣慰。然而正当我讲到关键部分时,这老鸟突然坐起来,张开一只眼睛,向我投来一束凶恶的目光!恰在这时我灵机一动,说道:开尔文勋爵曾经限制过地球的年龄,前提是没有发现新的热源。这一充满前瞻性眼光的预言,所指的正是我们今晚讨论的物质,镭!瞧,那老顽童立刻转怒为喜了。 实际上,这大概只是卢瑟福用来哄开尔文他老人家开心的小把戏。后来较为严格的计算表明,放射性产热虽然总热量确实不小,但是由于热源分散在整个地球内部,而开尔文的计算是基于地热梯度,因此对原来的结论并不产生很大的影响;真正的错误还是如Perry所言,用错了地球物理模型。不过Perry已经被遗忘,而卢瑟福的这个故事流传太广,放射性产热看起来是那么有说服力(毕竟开尔文自己都说过新热源的可能性),而一项新发现既推翻了原有的假说又能找到新的方法替代,这一切看起来都太完美了。因此,很多人都误以为是卢瑟福藉助放射性产热推翻了开尔文的论证。达尔文的第三子,植物学家Francis Darwin说过,科学中的荣耀归于说服了世界的那个人,而非首先想到的那个人。大概就可以描述这件事。不管怎么说,最后计算出新的年龄这一功劳还是要归给核物理学的。 氦气是不靠谱的,要找一种不会逃跑的元素才行。这时我们终于见到美国人出场了:耶鲁毕业的Bertram B. Boltwood。他自己先前已经做过一些放射性研究,在1904年听了卢瑟福的一场讲座之后更是激动万分。他发现镭衰变到铅就稳定下来不动了,进而注意到不同地层的岩石中镭/铅比例不同。越古老的岩石,铅越多,镭越少;而且衰变速率是可以测定的。这样一来根据两种元素的比例就可以计算出岩石年龄。他手头很多岩石测出上亿年的数据,远远超过开尔文勋爵的估计。只可惜他的论文发表在地质学刊物上,而当时的地质学家对于放射性这种新鲜玩意不太感冒(50年后历史重演洛伦兹关于混沌的论文发表在大气物理的刊物上,同样无人问津)。后来Boltwood专心研究放射元素衰变序列,把测年法抛诸脑后;直到1927年因抑郁症发作而自杀。要我说他也是有点活该,这家伙居然对我们敬爱的居里夫人口出狂言,认为她不过是个女人而已,她的工作只是苦力活,没有创造性;可要是没有居里夫人的工作,他自己的整个领域是否存在都是问题呢那个时期女科学家的境遇其实非常糟糕。啊,女科学家的事情以后再说,我们先回到正题。 最后完善测年法的人是英国人Arthur Holmes,他后来因此而获得了渥拉斯顿奖章记得吗?就是史密斯得过的那个地质学最高奖。还在读本科时,他正确地选择了铀铅测年的路线并给出了首个严格的测年(Boltwood的测定方法很不精确);不过同位素测年方法相当繁琐,刚开始很多人并不太认同,因此他1910年本科毕业之后没有专注于测年技术而是去莫桑比克探矿,结果得了疟疾差一点死掉,死亡通知书都寄到家了,他却居然又活转过来。返英拿到博士学位之后他在1920年又跑到缅甸给一家石油公司当首席地质学家,结果1924年公司破产让他身无分文地回到英国,而他的三岁儿子又在他临返程时因患痢疾而夭折真是悲剧啊。 Arthur Holmes(1890-1965)。不,你猜错了,他不是Arthur Conan Doyle 和Sherlock Holmes的合体 但是我们老师总是说,搞地质和当侦探差不多,都是从现有的蛛丝马迹推断过去的真相。上面的这本讲显生宙尺子的书就是题献给他的。 不过,所谓大难不死必有后福,他回英之后很快就获得了一个教职,因为三年前放射性元素测年法在国际会议上已经得到了承认,顺带让开尔文勋爵的估算彻底破产还好,开尔文1907年逝世了。物理学家普朗克说过一句很辛酸的话:一种新学说战胜其反对者,不是靠说服他们,而是等他们全死光。虽然大概不是指的这件事,但是单个人的保守思想可见一斑由此更让我们意识到科学家只有作为一个不断更新的群体才能前进。 到现在,常用的测年放射性原子已经达到十几种,各自有其适用场合,过去的全部地质资料都得到了放射性测年的重新标定。我们熟悉的碳十四测年也是其中一种,只不过由于碳十四半衰期比较短,只能测定几百年到五万年的范围,超出去就不准确了,因此更多地用于考古领域。总之地质学家终于可以放心地说,这块岩石的绝对年龄是多少多少。 于是地球的年龄问题转了一圈又回到地质学家手里,只不过这一回,他们的任务变成了找到最古老的岩石。 几多时光,雕刻地球(1) 几多时光,雕刻地球(2) 几多时光,雕刻地球(3) 几多时光,雕刻地球(4)
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