谈原子结构模型建立过程中的辩证否定思想
第24卷第2期 唐山师范学院学报 2002年3月 Vol. 24 No.2 Journal of Tangshan Teachers College Mar. 2002
谈原子结构模型建立过程中的辩证否定思想
王久海
(唐山师范学院 物理系,河北 唐山 063000)
摘 要:从辩证否定思想阐述了原子结构的建立过程,揭示了人们认识原子结构过程的曲折性。 关键词:原子结构;核心思想;保留;抛弃;量子
中图分类号:O571.21+1 文献标识码:C 文章编号:1009-9115(2002)02-0062-02
原子物理学是师范学院开设的一门基础理论课,通过教学我们发现原子结构模型建立过程中充满了辩证否定思想,辩证否定观认为:否定是事物的自我否定,否定是事物联系,也就是既克和发展的环节[1]。辩证否定的实质是“扬弃”服又保留,既批判又继承。
原子是由电子和原子核构成的,这一大家熟悉的结论,是在19世纪和20世纪初经过较长时间实验和理论的研究才得到的。对于原子结构的认识,古希腊哲学家德谟克利特认为:物质是由许多极小的微粒构成的,这种微粒称为原子,在希腊文中“原子”有不可再分的意思,而这种学说只是一种设想,没有实验依据。19世纪初,人们通过大量的实验总结出了定比定律和倍比定律[2],在此基础上,1803年道耳顿提出了他的原子学说,其核心思想:元素是由原子构成的,不同元素的原子,质量各不相同,原子可能按几种不同的比率化合成几种化合物的分子。也基本上保留了德模克利特观点,但对物质构成的认识向前跨了一步。原子是不是有内部结构,一直是困惑人们的谜团。到1897年汤姆逊在电解实验定律和荷质比定律的基础上,大胆提出原子中包含电子,后被密立根油滴实验所证实。电子的发现揭示了原子的可分性,抛弃了原子不可分的思想,表明了电子是构成原子的基本成份。由于电子带有负电荷,而整个原子是电中性,说明原子内部尚有带正电荷的部分,从而显示出原子应有复杂的内部结构,这个结构到底是什么样的呢?为了进一步探究原子结构,必须做更多实验,但没有理论做指导,谁也不知道做什么实验,这种理论指导一般来源于某种原子模型,这种模型必须以上述初步认识为依据,同时必须做出某种预见,去指导实验,最后接受实验的检验。1898年,汤姆逊最早提出了原子模型,其核心思想:带正电部分均匀分布在整个原子中,而电子则镶嵌在正电部分中,每个电子绕其平衡位
及量子比条件:
置做谐振动,并且不断地向外辐射能量。这是人们对电子运动状态最原始的一种描述。在1911年,卢瑟福为了证实该实验的结果发现有模型的正确性而设计了粒子散射实验,
大角散射现象,而按汤姆逊模型经理论分析不可能发生大角散射现象,为了克服上述困难,卢瑟福提出了核式结构模型,其核心思想是:原子中心有一个极小的原子核,它带有正电和差不多全部原子的质量;所有电子都围绕着原子核旋转。这样就继承了原子是由带正电部分和电子构成的,抛弃了电子镶嵌在正电部分里边的观点,建立了有核结构模型[3]。在1885年巴尔末发现了氢原子光谱是线状光谱。要解释氢原子的线状光谱,必须研究氢原子的结构,然而,这种轨道式的电子运动状态,根据经典电动力学,原子应该连续地向外辐射能量,电子的轨道半径,将迅速缩小,直至为零,这样原子将不是一个稳定的系统,辐射的频率应连续地变化。这显然和实际相违背,为了克服以上困难,1913年,丹麦物理学家波尔提出了新原子结构模型,其核心思想是:原子只能存在于一系列不连续变化的稳定状态,称为定态,这些状态与一定的能量相对应,在这些状态 下,电子虽有加速度,也不会发生辐射,只有电子从一个轨道跃到另一个轨道时,才以光子形式发射单色辐射,其频率遵守:
hv=En-Em (1)
ÑpdF=nò
F
F
h (2)
波尔的原子结构模型很好地解释了氢原子光谱。他的思想基本保留了电子绕核做轨道运动,抛弃了绕轨道运动就向外辐射能量的观点。波尔的原子结构模型虽然表面上解决了这一矛盾,但仍未从本质上阐明电子的运动状态。
从汤姆逊模型到波尔理论,都没有摆脱经典理论的框
────────── 收稿日期:2001-01-28
作者简介:王久海(1962-),男,河北滦南人,唐山师范学院物理系讲师。 - 62 -
王久海:谈原子结构模型建立过程中的辩证否定思想
架,只能看作是半经典半量子的理论。1924年德布罗意在光的波粒二象性思想的启迪下,提出了微观实物粒子也具有波粒二象性,德布罗意关系为:
E= hv (3) λ= h/p (4)
德布罗意关系利用普朗克常数将粒子性和波动性有机地联系在一起,更全面地揭示了微观客体的本质,后来电子的波动性被戴维逊——革末实验所证实。德布罗意对电子的认识又向前跨了一大步,他保留了电子具有粒子性,同时提出了电子也具有波动性。
如何来描述微观粒子的这种复杂的二象性,一向是人们关注的问题,20世纪30年代建立和发展起来的非相对论和相对论量子力学,阐述电子的状态用态矢量来描述,用相应的力学量算符来表示,引入了量子化条件:
[piqi]iij (5)
其中pi,qj为一对正则共扼量,大量事实已表明:量子力学关于电子运动状态的描述,对于解决经典理论所遇到的困难,取得了很大的成就,是比较成功的理论。当然这种理论也存在着局限性,非相对论量子力学的数学表达式不满足洛化兹协变性、因而不能用来描述高能过程、即使是相对论量子力学,在理论上也存在着负能级和负几率的困难,对于粒子数不守恒问题,这种理论更显得无能为力。
综上所述,随着自然科学的发展,实验手段的先进,人们对原子结构的认识会逐渐完善。人们的认识是不断否定的过程;现有的认识成果,只是真理性认识过程中的一个阶梯和环节,它必将被更新的认识成果所代替,人们的认识必将逐步深化和发展。
参考文献:
[1] 肖明.哲学原理[M].北京:经济出版社,1994.131-140.
[2] 杨福家.原子物理学(第三版)[M].北京:高等教育出版社, 2000.1-23. [3] 宋健.现代科学技术基础知识[M].北京:科学出版社,1994.67-78.
Dialectically Negative Idea during Building Atom Structure Models
WANG Jiu-hai
(Physics Department, Tangshan Teachers College, Hebei Tangshan 063000)
Abstract: The building process of atom structure is expatiated on in this essay with dialectically negative ideas and the flexibility in realizing atom structure is discovered.
Key Words: atom structure; main idea; reserve; abandon; quanta
责任编辑、校对:孙海祥
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Image Formation by Parallel Glass Panel
DI Shu-hong, SHI Feng-liang
(Physics Department, Tangshan Teachers College, Hebei Tangshan 063000)
Abstract: The longitudinal and horizontal displacement formula of image formation by parallel glass panel are obtained with the step-by-step image formation method. We also point out the reasons why the image shifts as the observation position changing.
Key Words: parallel panel; refraction; displacement; visible image
责任编辑、校对:孙海祥
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