原子物理学的发展

魅力科学论文

题目原子物理学的发展

姓名庄修志

专业交通运输

学号 201334042 指导教师张志强

郑州科技学院车辆与交通工程系

二○一六年六月

摘要

本文较详实地介绍了原子物理学的发展历程。从最早的“原子”概念出发，“不可分割”与“可分割”的争论，到19世纪后开始的黄金发展阶段，最后确定了原子的基本组成和运动规律。引出了原子核物理的具体发展历程，每个时段都有独特的、有进步意义的新理论提出或对旧理论的完善，体现着人类探索物质内部结构的艰难。

关键词：原子;原子核;分割;发展

1引言

原子物理学是研究原子的结构、运动规律及相互作用的物理学分支。它主要研究：原子的电子结构；原子光谱；原子之间或与其他物质的碰撞过程和相互作用。原子物理学的发展正像其他学科的发展一样，经历了一个漫长的不均匀的发展过程。真正的大发展是在19世纪后半叶到20世纪前半叶，人们对原子本身的结构和内部运动规律才有了比较清楚的认识，我们称之这一阶段是原子物理学发展的黄金时段。之后才逐步建立起近代的原子物理学。下面介绍原子物理学的发展过程。

2 原子物理学的发展过程

2.1远古时代的原子学说

万物由什么组成？物质可以被无休止地分割为愈来愈小的物质单元还是存在构成世界的“砖块”？这是古代哲人们就开始思索的问题。公元前4世纪的古希腊哲学家留基伯在致力于思考分割物质问题后得出一个结论：分割过程不能永远继续下去，物质的碎片迟早会达到不可能分得更小的地步。他的学生德漠克里特接受了这种物质碎片会小到不可再分的观念并称这种物质的最小组成单位为“原子”。由留基伯与德漠克里特提出的留基伯原子论哲学作为“最系统、最始终一贯。并且可以应用于一切物体的学说”是对早期希腊各派自然哲学的大综合，并将早期希腊的自然哲学推上一个

光辉的顶峰。在他们的观点中，原子是最微小的、不可再分割的物质微粒，是坚实的、内部绝对充满而没有空隙的东西。原子数目有无限多，它们彼此间性质相同。其差别只表现在形状、大小和排列上。原子在虚空中不停地运动，运动中原子间会发生碰撞，有时会粘着并组合在一起。于是一组原子组合成一种东西，而另一组原子组合成另外的东西等等。这样万物就由作为实在的建筑石料的原子和虚空构成了。其后，哲学家伊壁鸿鲁、卢克莱修先后接受了这种原子学说，后者在其著名诗作《物性论》中以动人的笔触全面介绍了原子学说，使之成为古代原子学说理论知识的最主要来源。接着古代原子学说又经历了一个漫长的黑暗的停滞时期，在整个封建时代，物理学、化学等学科为了适应封建主的需求，一是为了寻求延年益寿，长生不老的秘方，陷入了炼丹术的泥坑。二是为了得到更多的财富，寻求点石成金的办法。与此同时，封建神学思想统治了社会，愚弄世人，对“圣典”条文的研究代替了对自然真理的发掘。人类从物质结构的争论转到了关于鬼神的争辩。在长达十多个世纪的时间里，对物质结构的研究和探索被人们所遗忘！

2.2古典的原子学说

直到16世纪之后，物质的原子观才被世人所逐步接受，著名学者伽利略，笛卡儿都重新提及过原子论。17世纪形成的气体分子运动论的萌芽可以说是现代原子学说的发源。在这期间值得一提的是，1666 年牛顿发现了光谱，从此人们研究光谱、分析光谱，并积累了大量的光谱资料，得到了一些经验公式，后来因此产生了很多的新理论，致使光谱成为研究原子内部结构的重要途径之一。1801年，英国化学家道尔顿提出了新的原子学说。他认为物质是由许多种类不同的元素所组成，元素又由非常微小的，不可再分的、不能毁灭又不能创生的原子所组成。同种元素的原子大小、性质等都相同，异种元素的原子是不相同的。道尔顿用他的学说说明了化学中的物质不灭定律、定比定律和倍比定律等。道尔顿的原子学说是根据事实概括的结果，能够用来研究和发现新的现象，因此比古代原子学说更进一步。

2.3原子物理学的黄金时段

物理学发展到19世纪80年代积累了大量的事实，归纳出了好多原理

和定理，建立了完整的三大理论体系；力学，热力学，和电动力学。1885

年，瑞士人巴尔末发现氢光谱线系的规律，归纳出形式异常简单的经验公

式，随后玻尔利用此规律很快找到氢原子跃迁规律。1887年赫兹发现光电

效应，后被爱因斯坦利用光量子假说成功解释。1895年伦琴发现了x射线，

后来人们得到原子内层之间的跃迁规律。1896年法国人贝克莱尔发现放射

性。1897年汤姆逊发现了电子，并证明了电子是各种元素的基本组成部分。

这两个发现彻底粉碎了原子不可分的理论。之后贝克莱尔是在偶然的情况

下发现了放射性，当时他正致力于磷光性物质的研究，无意中发现放在抽

屉里用纸密封好的底片居然感光了，形成放在其上面的一把钥匙清晰的像。

光是从哪里来的？通过细心的观察发现是磷光实验用的铀的化合物也偶然

放在抽屉里的原因，在研究后发现这种化合物具有放射性，能从中发出放

射线来。之后，居里夫妇从几十吨提过铀的废矿中提取出放射性更强的的

钋和镭。由于放射现象的发现，知道一种放射性元素发出粒子后能够转变

为其他新元素的原子，说明发出射线的原子就是有其内部的结构。与此发

现相比，电子的发现却没有这么幸运，虽然汤姆逊由于确认电子的存在而

被誉为“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”，但他不是最早发现

电子的，在他之前赫兹就作过相同的阴极射线的实验，终因真空度不够而

没能发现。1897 年考夫曼也都作了类似的实验，发现了阴极射线,测得了

e/值。但都因没有勇气改变传统旧观念而放弃。这些都是恩格斯所描述m

的“当真理碰到鼻子尖的时候还是没有得到真理”的人。汤姆逊不仅证明

了电子的存在，而且还发现很多材料里都能发出电子，说明电子是物质的

组成部分。于是1898 年，汤姆逊大胆地提出了原子的“枣糕模型”：原

子的带正电部分是原子那么大的，具有弹性的冻胶状球体，正电荷均匀分

布在球内和球面上。有负电子镶嵌着，这些电子在其平衡位置上作简谐振

动，原子发光频率即为电子震动频率。汤姆逊的模型后来被证明是错误的，

但他的这些研究为后人建立原子模型提供了不少启示。