论文部分内容阅读
科学的研究遥无止境，科学家对物质的基本组成着了迷。原子、离子、电子、中子……人们对物质的理解也越发深刻。然而，科学也许的确存在着两面性，当人们在为了解世界而兴奋不已时，原子弹的爆炸却在极短的时间内夺去几十万人的生命。
量子论
普朗克(1858～1947年)，爱因斯坦(1879～1955年)
普朗克是一位优秀的音乐家，爱因斯坦经常为他进行小提琴伴奏。也正是他们，提出了量子理论。
量子理论诞生于热箱。1900年，普朗克试图解开火钳之类的热物体为何呈现红或白等不同的颜色，以及具体的颜色和不同波长的光之间的联系等一系列疑团。凭借普通经典物理学知识，普朗克基本可以解释带有小孔的黑色箱子里发出光的原因。实验表明波长的辐射比普朗克方程预测的辐射大得多。为弥补这一不足，他做了一个特别的假设：能量不是连续地离开箱子，而是以一份一份的或“量子”的形式离开的。
1900年12月14日，当他正式发表这一观点时，普朗克还拿不准发现这些能量量子的意义。1905年，爱因斯坦证实光确实以一份份的形式传播，即今天的光子。
爱因斯坦用这一理论解释电子被光线从金属表面击落出原因。1902年，菲利浦·勒纳发现电子的能量不取决于光线的强度，如果光线柔和发出普通波长，那么亮光表示存在更多有活力的电子。但是爱因斯坦认为假如一个电子被一个光子从金属表面击中的话，它很可能被附近所有的光子击中。
虽然光量子多年以后才被接受，但最终量子理论统治了世界。物理学家们坚信任何物质都来自不能缩小的量子——不仅是能量，而且还包括电荷、动量、自旋甚至是空间和时间。
原子模型
卢瑟福(1871～1937年)，玻尔(1885～1962年)
“就像你对着薄纸射出一发15英寸的子弹，结果子弹反射回来，自己反被它击中。”欧内斯特·卢瑟福这样描述他发现原子核模型的过程。
1907年，卢瑟福的一位学生对着金箔纸发出一束α粒子。结果发现，大部分α粒子都穿过了柔软的箔纸，但是有一些却反弹回来。按照以前的解释，这不过是由于箔纸上带正电荷的轻电子扩散引起的。卢瑟福却认为每个原子中心的原子核都带有正电荷。大多数α粒子会穿过这些原子核，只有极少数会碰到原子核并反弹回来。卢瑟福根据这个发现建立了原子模型，模型中心是微小密集的原子核，周围是众多沿着轨道运行的更小的电子。
这不是简单的重新绘制原子图。1913年，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔，将卢瑟福的观点与新量子理论综合在一起，提出新的量子理论。在玻尔的模型中，电子围绕具有固定能量的原子核运行，由于一部分电子不会失去所有的能量，因此原子是固定不变的，它们只能进入所谓的基态。
这些固定电子轨道还可以解释原子为什么发出单色、刺目的光谱线：当电子从能量高的轨道移到能量低的轨道时，多余的能量会变成光子释放出来，从而生成一种颜色。
中子
詹姆士·查德威克(1891～1974年)
20世纪20年代，物理学家们认为任何物体都由两部分构成：电子和质子。当时比较流行的看法是，在原子中，较轻的带负电的电子围绕密度较大而体积很小的原子核高速运动，而原子核是由较重的带正电的质子和数量更多的电子构成。
20世纪30年代，人们有了意想不到的发现。物理学家们发现α粒子辐射可以激发铍元素样本释放出另一种辐射——这种辐射擅长将质子从其他元素中撞击出去。1932年，剑桥大学的英国物理学家詹姆士·查德威克进行了同样的实验，结果发现如果α粒子将其他粒子（这些粒子质量接近质子，但不带电）撞击出铍原子核。
查德威克一度认为这种“中子”并非基本粒子，而是一种受到紧紧束缚的电子或质子，然而到了1934年，测算证明“中子”比电子或质子的质量略大。物理学家们不得不接受这种新的基本粒子。原子核实际上是由质子和中子构成的，而非以前所认为的由质子和电子所构成。具有同样的化学结构，但质量不同的一种元素的各种同位素（或不同的形式）都包含着数目相同的质子，但中子的数目则不同。
这种发现促进了核物理学在20世纪30年代的飞速发展。在核连锁反应中，中子起到至关重要的作用，而正是这些核反应使得核电站运行，原子弹爆炸：原子核分裂时，中子就像榴霰弹一样飞射而出，撞击其他原子核，使其分裂。
核能
奥托·哈恩(1879～1968年)，弗里兹·斯特拉斯曼(1902～1980年)，里斯·迈特纳(1878～1968年)，奥托·罗伯特·弗里希(1904～1979年)，恩瑞克·费米(1901～1954年)
二战爆发前几个月，物理学家们找到了一种将原子核的能量释放出来的方法。德国科学家奥托·哈恩和弗里兹·斯特拉斯曼用中子轰击铀，结果获得了一些新的原子，看起来是钡（一种比铀轻得多的元素）。1939年初，里斯·迈特纳和奥托·弗里希意识到原子核分裂成了两部分。根据他们的测算，这种核裂变释出的能量是巨大的。
然而裂变过程中某种物质逃逸了。物理学家们发现裂变的铀原子核将两三个中子排斥出去，而中子的逃逸又引起其他铀原子的核裂变，导致更多中子的逃逸。在这种连锁反应中，整块整块的铀将内部的能量释放出来。
二战期间，同盟国方面担心希特勒统治下的德国可能会利用核裂变制造出毁灭性武器，因而投入巨大的人力物力，以便抢在德国之前研制成功。1942年12月2日，芝加哥大学的恩瑞克·费米和他的研究小组率先成功地进行了独立的核反应实验。费米设计核反应堆的目的在于获得钚（一种裂变的人造元素）。
第一颗原子弹所用的主要原料就是钚，1945年7月16日在新墨西哥的特里尼蒂试爆成功，爆炸当量为18 000吨TNT。而后来的两颗，即“小男孩”和“大胖子”，在同年8月份被分别投在了广岛和长崎，夺去了几十万人的生命。
如今全球电力供应大约有1/5来自核裂变反应堆。但出于对其安全性的顾虑，1986年的切尔诺贝利核电站事故依然让人们心有余悸，加上核废料处置费用较高，绝大多数国家在电力供应方面对核反应堆都不敢过分依赖。
量子论
普朗克(1858～1947年)，爱因斯坦(1879～1955年)
普朗克是一位优秀的音乐家，爱因斯坦经常为他进行小提琴伴奏。也正是他们，提出了量子理论。
量子理论诞生于热箱。1900年，普朗克试图解开火钳之类的热物体为何呈现红或白等不同的颜色，以及具体的颜色和不同波长的光之间的联系等一系列疑团。凭借普通经典物理学知识，普朗克基本可以解释带有小孔的黑色箱子里发出光的原因。实验表明波长的辐射比普朗克方程预测的辐射大得多。为弥补这一不足，他做了一个特别的假设：能量不是连续地离开箱子，而是以一份一份的或“量子”的形式离开的。
1900年12月14日，当他正式发表这一观点时，普朗克还拿不准发现这些能量量子的意义。1905年，爱因斯坦证实光确实以一份份的形式传播，即今天的光子。
爱因斯坦用这一理论解释电子被光线从金属表面击落出原因。1902年，菲利浦·勒纳发现电子的能量不取决于光线的强度，如果光线柔和发出普通波长，那么亮光表示存在更多有活力的电子。但是爱因斯坦认为假如一个电子被一个光子从金属表面击中的话，它很可能被附近所有的光子击中。
虽然光量子多年以后才被接受，但最终量子理论统治了世界。物理学家们坚信任何物质都来自不能缩小的量子——不仅是能量，而且还包括电荷、动量、自旋甚至是空间和时间。
原子模型
卢瑟福(1871～1937年)，玻尔(1885～1962年)
“就像你对着薄纸射出一发15英寸的子弹，结果子弹反射回来，自己反被它击中。”欧内斯特·卢瑟福这样描述他发现原子核模型的过程。
1907年，卢瑟福的一位学生对着金箔纸发出一束α粒子。结果发现，大部分α粒子都穿过了柔软的箔纸，但是有一些却反弹回来。按照以前的解释，这不过是由于箔纸上带正电荷的轻电子扩散引起的。卢瑟福却认为每个原子中心的原子核都带有正电荷。大多数α粒子会穿过这些原子核，只有极少数会碰到原子核并反弹回来。卢瑟福根据这个发现建立了原子模型，模型中心是微小密集的原子核，周围是众多沿着轨道运行的更小的电子。
这不是简单的重新绘制原子图。1913年，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔，将卢瑟福的观点与新量子理论综合在一起，提出新的量子理论。在玻尔的模型中，电子围绕具有固定能量的原子核运行，由于一部分电子不会失去所有的能量，因此原子是固定不变的，它们只能进入所谓的基态。
这些固定电子轨道还可以解释原子为什么发出单色、刺目的光谱线：当电子从能量高的轨道移到能量低的轨道时，多余的能量会变成光子释放出来，从而生成一种颜色。
中子
詹姆士·查德威克(1891～1974年)
20世纪20年代，物理学家们认为任何物体都由两部分构成：电子和质子。当时比较流行的看法是，在原子中，较轻的带负电的电子围绕密度较大而体积很小的原子核高速运动，而原子核是由较重的带正电的质子和数量更多的电子构成。
20世纪30年代，人们有了意想不到的发现。物理学家们发现α粒子辐射可以激发铍元素样本释放出另一种辐射——这种辐射擅长将质子从其他元素中撞击出去。1932年，剑桥大学的英国物理学家詹姆士·查德威克进行了同样的实验，结果发现如果α粒子将其他粒子（这些粒子质量接近质子，但不带电）撞击出铍原子核。
查德威克一度认为这种“中子”并非基本粒子，而是一种受到紧紧束缚的电子或质子，然而到了1934年，测算证明“中子”比电子或质子的质量略大。物理学家们不得不接受这种新的基本粒子。原子核实际上是由质子和中子构成的，而非以前所认为的由质子和电子所构成。具有同样的化学结构，但质量不同的一种元素的各种同位素（或不同的形式）都包含着数目相同的质子，但中子的数目则不同。
这种发现促进了核物理学在20世纪30年代的飞速发展。在核连锁反应中，中子起到至关重要的作用，而正是这些核反应使得核电站运行，原子弹爆炸：原子核分裂时，中子就像榴霰弹一样飞射而出，撞击其他原子核，使其分裂。
核能
奥托·哈恩(1879～1968年)，弗里兹·斯特拉斯曼(1902～1980年)，里斯·迈特纳(1878～1968年)，奥托·罗伯特·弗里希(1904～1979年)，恩瑞克·费米(1901～1954年)
二战爆发前几个月，物理学家们找到了一种将原子核的能量释放出来的方法。德国科学家奥托·哈恩和弗里兹·斯特拉斯曼用中子轰击铀，结果获得了一些新的原子，看起来是钡（一种比铀轻得多的元素）。1939年初，里斯·迈特纳和奥托·弗里希意识到原子核分裂成了两部分。根据他们的测算，这种核裂变释出的能量是巨大的。
然而裂变过程中某种物质逃逸了。物理学家们发现裂变的铀原子核将两三个中子排斥出去，而中子的逃逸又引起其他铀原子的核裂变，导致更多中子的逃逸。在这种连锁反应中，整块整块的铀将内部的能量释放出来。
二战期间，同盟国方面担心希特勒统治下的德国可能会利用核裂变制造出毁灭性武器，因而投入巨大的人力物力，以便抢在德国之前研制成功。1942年12月2日，芝加哥大学的恩瑞克·费米和他的研究小组率先成功地进行了独立的核反应实验。费米设计核反应堆的目的在于获得钚（一种裂变的人造元素）。
第一颗原子弹所用的主要原料就是钚，1945年7月16日在新墨西哥的特里尼蒂试爆成功，爆炸当量为18 000吨TNT。而后来的两颗，即“小男孩”和“大胖子”，在同年8月份被分别投在了广岛和长崎，夺去了几十万人的生命。
如今全球电力供应大约有1/5来自核裂变反应堆。但出于对其安全性的顾虑，1986年的切尔诺贝利核电站事故依然让人们心有余悸，加上核废料处置费用较高，绝大多数国家在电力供应方面对核反应堆都不敢过分依赖。