phymath999: alpha01 當α粒子接近原子核時，由於同性電荷的排斥力作用，而使α粒子產生大角度的偏折。

Thursday, March 20, 2014

alpha01 當α粒子接近原子核時，由於同性電荷的排斥力作用，而使α粒子產生大角度的偏折。

當α粒子接近原子核時，由於同性電荷的排斥力作用，而使α粒子產生大角度的偏折。
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1-1 物理學簡史------中國之科學
      西方現代科學：力學（伽利略、克卜勒、牛頓）
                      ：光學（牛頓、海更士、楊格）
                       ：熱學（湯普生、焦耳、卡諾）
                       ：電磁學（、、、、馬克士威）
                       ：近代物理：量子論、相對論、原子結構的認識、量子力學
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近代物理學的發展

二十世紀是物理學的大發現時代，也是物理概念的大革命時代。在這段時期所發展的物理學稱為近代物理學（modern physics），而在這之前的物理學則稱為古典物理學，或稱為經典物理學（classical physics）。

就在十九世紀即將結束之際，三項重大的物理發現，拉開了二十世紀物理學大發現時代的序幕：

X 光的發現

(1) 1895年德國人侖琴（Wilhelm Conrad Rontgen，1845-1923）在研究真空管中的放電現象時，發現從管中的正極處會射出看不見的輻射光，穿透玻璃壁，使置於附近的螢光屏發亮，也可使得包在黑紙盒內的底片感光。他不知道這種輻射光是如何產生，所以稱之為X光。

侖琴出示一張手掌的X光照片，顯示X光可以穿透人體，在當時轟動了全世界。隨後經十幾年的研究，證明X光是由原子內部深層的電子經擾動後，所發出的電磁波。由於X光的穿透性強，成為分析物質結構和醫學治療的重要工具。
------- 第一張X光照片--侖琴夫人的手掌。

天然放射線

(2) 1896年法國人貝克勒（Henri Becquerel，1852-1908），是一位專門研究燐光和螢光的著名學者，在得知侖琴發現「看不見」的光的消息後，他立即推想是否有其它的物質，不必經由在真空管中的高壓放電，也能產生X光？

經過兩個月密集努力的實驗後，他發現鈾鹽內也能發出類似的「看不見」的光，而且是不斷地產生，能使包在黑紙盒內的底片感光。這是「天然放射性」的首次發現。

1898年法國居里夫婦（Pierre Curie，1859-1906；Maria Sklodowska Curie1867-1934）從瀝青鈾礦中提煉出輻射性更強的新元素--釙和鐳。這些輻射性元素本身可以源源不斷地發熱，使當時的物理學家相當困惑，甚至懷疑能量守恆定律是否正確？

後來的研究指出，這是由於原子核內部衰變所發出的輻射，穿透性比X光還要強。經由原子核的衰變，可使一種元素轉變成另一種元素。

電子的發現

(3) 1897年英國著名的物理學家湯木生（Joseph John Thomson，1856-1940）加入研究真空管放電現象的熱潮。他發現從陰極發射出的射束，稱為陰極射線，實際上是由帶負電的粒子所組成，稱之為電子，並且量出了電子電量和其質量的比值。他進一步發現不管陰極是用什麼材料製成，所發射出的電子都是一樣的。湯木生是一位才華橫溢的學者，28歲就獲聘掌管英國劍橋大學極富盛名的卡文迪西實驗室。

近代物理的理論發展

二十世紀一開始，首先登上物理學大舞台的是德國偉大的物理學家卜朗克（Max Planck1858-1947）。他從1897年起，即專心致力於解釋熱輻射光譜的理論問題。這一問題已經困擾了物理學界許多年，根據傳統的物理學，一直無法得到圓滿的答案。

1900年卜朗克勇敢地跳出舊有想法的框架，對於「能量」提出革命性的新概念--「能量」不是連續的量，而是一束一束的孤立量，稱為「量子」。從「量子」想法所推導出的理論公式完全符合實驗的數據。卜朗克的這一劃時代的「量子論」，標幟了近代物理學（modern physics）的起點，在此之前的物理學則統稱為古典物理學（classical physics）。

1905年是物理史上神奇的一年，年僅26歲出生於德國的猶太人愛因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）分別在三月、五月、和六月發表了三篇光輝燦爛的物理學論文：

在第一篇論文中，愛因斯坦擴展了卜朗克的量子概念。他認為光就是一種量子，兼具有波動和粒子的雙重性質，稱之為「光子」。他以這種嶄新的「光子」想法，來解釋當時令物理學家困惑的「光電效應」，並推導出一個簡單的公式。十年後，這個公式為美國物理學家密立坎（Robert Andrews Millikan1868-1953）以實驗完全證實。愛因斯坦統一了經歷兩個世紀之久有關光的「粒子說」和「波動說」的爭辯。

光電效應

金屬表面受紫外光照射時，會發射出帶負電的粒子。這現象最早為赫茲所觀察到。如果將鹼金屬如鈉、鉀等作為陰極，封入真空管內，則光電效應更為顯著。1899年湯木生證實這些射出的帶電粒子就是電子。

布朗運動

1827年英國植物學家布朗（RobertBrown1773-1858）在顯微鏡下觀察到落在水面上的微細花粉顆粒，竟然作鋸齒狀的運動。他誤認為那些顆粒是活的！後來發現懸浮在液體中的粒子都能呈現同樣的現象。但是原因為何？卻一直得不到合理的解釋。

在第二篇論文中，愛因斯坦討論了布朗運動。他認為在懸浮液中粒子的鋸齒狀運動是由於受到周圍分子的撞擊而產生。他以統計方法得出一個簡單的有關粒子運動的理論公式，可以方便地以實驗檢視。三年後，獲得法國物理學家裴林（Jean Baptiste Perrin1870-1942）的實驗證實。從十八世紀以來有關原子和分子的假說，至此終於確證實際存在。

第三篇論文即為最著名的「狹義相對論」，改造了整個物理學的基礎。愛因斯坦認為所有的運動都是相對的，連對「時間」的測量也是相對的。因此「時間」是除了三個空間座標以外的第四個變數。不同的觀察者所看到同一事件自發生以迄結束的時間間隔不一定相同，這和傳統上認為「時間」是絕對的想法--即任何人所看到的時間間隔都一樣，完全不同。

愛因斯坦純憑邏輯建立起無懈可擊的相對論。他推論出光速是物體運動速度的上限，當物體的速度增加時，其質量亦隨之增加。但在牛頓力學中，質量被認為是不變的，因此當物體的速度變大時，按牛頓力學計算的結果便不準確，必須應用相對論加以修正。愛因斯坦指出物體的質量和能量實際上是同一種物理量的不同表示法，其關係式為E＝mC2，式中C為光速，這就是著名的質能互變公式。

輻射能的產生，就是由於原子核衰變時，質量減少，轉變為能量而得（其他如原子核分裂或融合所釋放的能量，也是經由同樣的方式而得）。相對論中的許多說法後來都陸續獲得實驗的證實。

1915年愛因斯坦進一步發表了影響更為深遠的「廣義相對論」，取代了牛頓的萬有引力理論。他從理論中預測：當光線經過一個大質量的星體（例如太陽等）附近時，光會受重力的吸引而發生偏折。

1919年英國天文學家利用日全蝕的機會，觀察遠處恆星射來的星光，果然發現偏折如所預期。「廣義相對論」成為解釋宇宙現象所必須遵循的理論。

愛因斯坦以革命性的新概念，重新詮釋物理學，改寫了牛頓力學。在近代物理學的所有層面，他都留下了開創性的不朽貢獻。愛因斯坦理論的偉大處，在於他都以簡單淺顯的概念出發，從實驗操作的觀點設想，建立起脈絡分明的理論體系。愛因斯坦和牛頓是科學發展史上並列的巨人。

就在理論物理學方面有革命性進展的同時，實驗物理學也有重大的發現。

原子結構的認識

1911年英國傑出物理學家拉塞福（Ernest Rutherford1871-1937）發現了原子核的存在。拉塞福出生於紐西蘭，1895年獲得獎學金前往英國劍橋大學留學，在湯木生門下學習。他利用鐳放射出的帶有正電的α（希臘字母，讀作alpha或阿伐）粒子射擊金箔（約0.00006cm），大多數α粒子皆如預期的直接穿過而不發生偏折，但是意外地發現有少數的α粒子竟然做大角度的偏向，甚至也偶而有直接循原路反射而回的。拉塞福馬上意識到這些帶正電的α粒子，一定是撞上了另一個也帶正電但質量重得多的粒子。

拉塞福構想了一種原子模型：原子的正電荷和其質量集中在一個體積很小的核心，稱為原子核，電子則環繞原子核旋轉，就好像一個小型的太陽系一樣。當α粒子接近原子核時，由於同性電荷的排斥力作用，而使α粒子產生大角度的偏折。

拉塞福根據所假想的模型進行理論計算，所得出的α粒子散射公式和實驗數據完全符合，因此可確認原子核的存在。原子核的大小約為10-15m，只有原子的十萬分之一（原子的大小約為10-10m）。由於電子的質量極輕，原子的質量幾乎集中在原子核。拉塞福鑑定出α粒子就是氦的原子核。

輻射性元素可放射出α、β、和γ三種射線，前兩者在1898年為拉塞福首先發現和命名。其後幾年，經由拉塞福和其他科學家的共同努力，得出結論：γ射線和陰極射線一樣，就是電子流。1908年拉塞福指出α射線也是一種快速運動的帶正電的粒子流。當α粒子的電荷被中和時，成為原子。換句話說，α粒子就是氦的原子核。1914年拉塞福又證明γ射線是一種電磁波，其波長較X光短的多。

原子核是被找到了，但是核外的那些電子是如何運動呢？當時在英國劍橋大學卡文迪西實驗室求學，也受教於湯木生的年輕丹麥人波耳（Niels Bohr1885-1962）擅長於物理的理論演算，他同意拉塞福所說電子受原子核的束縛，但也指出拉塞福的原子模型具有嚴重的缺陷，即電子如何維持穩定的軌道，而不致於被吸引墜入原子核內？

1913年他結合傳統的牛頓力學和革命性的卜朗克和愛因斯坦量子論，提出了一個創新的原子模型，今稱為波耳原子模型。他說原子內的電子環繞原子核運動，但電子依據角動量量子化的原則，只能在若干被允許的軌道上運動。當電子從能量高的軌道，轉移到能量低的軌道時，多餘的能量將以「光子」的形式放射出去。

根據這個模型，波耳不但能準確地計算出當時已知的氫光譜譜線位置，並且還預測了其他系列譜線的位置，後來都一一獲得實驗的證實。波耳的原子模型對原子物理學的發展是了不起的貢獻。

十二年後（1925年）兩位二十多歲的年輕荷蘭學者高斯密特（Samuel A. Goudsmit，1902-1978）和烏倫貝克（George E.　Uhlenbeck1900-1988）推想電子應具有自旋，類似地球的運動，除了公轉之外，還有自轉。電子的角動量量子化和自旋都獲得實驗的證實。

氫是最簡單的原子，只有一個電子環繞原子核運動。拉塞福把這個帶正電的原子核，取名為「質子」。1920年他猜想其他元素的原子核，是由同樣的質子組成，但其中有些質子則和電子緊密結合為中性的粒子，稱為「中子」。他有這個想法是因為當時也發現了有些原子核會放射出電子，稱為β（希臘字母，讀作beta或貝他）衰變。

1932年，他的學生英國人查兌克（James Chadwick1891-1974）在研究以α粒子撞擊鈹原子核的實驗中，發現了中子。

但是中子並不是如拉塞福所構想的由質子和電子組成，它就如質子一樣，是個單純粒子，只是不帶有電荷。至此，我們確知原子核是由質子和中子組成，質子數和核外的電子數相等，稱為原子序（atomicnumber），週期表上的原子位置即是按照原子序來排列。

質子和中子統稱為核子。核子的總數，即質子和中子數的和，稱為質量數（mass number），和原子量有密切的關係。原子核內帶正電的質子之間，雖然因庫侖電力的作用，彼此排斥，但是核子之間（即質子和質子之間、質子和中子之間、以及中子和中子之間）卻另有一種力彼此互相吸引，以維持原子核的穩定。這種核作用力稱為強作用力（strong interaction force），於1932年首先由德國人海森伯（Werner Karl Heisenberg1901-1976）所提出。

物質波

近代物理學的發展是一連串理論和實驗的互動過程。1924年法國貴族德布羅意（Louis de Broglie1892-1987）擴展了愛因斯坦的光子論點，認為所有的粒子，皆如同光一樣，具有粒子和波動的雙重性格。粒子呈現的波稱為物質波（matter wave）。

他應用相對論得出粒子的動量和其物質波波長的關係式，並用以解釋波耳的電子軌道為何可以保持穩定。德布羅意的物質波假想在1927年獲得實驗的證實，這又是一項物理學的革命性進展。

電子顯微鏡即是應用電子波的原理

量子力學

1926年奧地利的物理學家水丁格（Erwin Schrodinger1887-1961）從物質波的基本概念出發，以「波函數」描述物體的運動，建立了量子力學的理論體系，取代了先前的量子論，成為研究微小粒子（例如分子、原子、電子、質子等）運動所必須遵循的理論。

同一時期，德國學者海森伯和伯恩（Max Born1882-1970）也發展了另一套本質相同，但以不同數學形式表示的量子力學。

1928年英國傑出的物理學家狄拉克（PaulA.M.Dirac1902-1984）結合了相對論，

發展出相對論性量子力學。

量子力學修改了波耳的原子模型，指出電子並不循一定的軌道環繞原子核運動，而是在原子核外呈現雲狀的機率性分布。圖中濃淡的程度代表電子出現機率的大小。相對濃度最大（即出現機率極大）的區域，和波耳模型所定的電子軌道大致相符。

在二十世紀的四十年代，原子核物理學的進展令人吃驚。1938年德國化學家哈恩（Otto Hahn1879-1968）和他的學生史特拉斯曼（Fritz Strassmann，1902-1975）在以中子撞擊鈾原子核（原子序92）的實驗中，意外地在產物中發現有質量較小的放射性鋇（原子序56）。

他們的長期合作者猶太裔的奧地利女性物理學家麥特納（Lise Meitner1878-1968），當時因受德國納粹政府的種族迫害逃亡到瑞典，得知實驗結果後，從理論上判斷，這是由於鈾原子核被撞擊分裂所致。

原子核可以分裂的消息迅即傳開，震驚了科學界。1942年美國籍義大利人費米（Enrico Fermi 1901-1954）在芝加哥大學足球場看台下的板球場內建造了第一座原子核反應爐，可在人為控制下進行鈾原子核分裂的連鎖反應。1945年7月16日美國在新墨西哥州的沙漠地帶成功地引爆了第一顆原子彈。

質量重的原子核會分裂成幾個較輕的原子核；反過來說，質量輕的原子核在高溫的條件下，可以融合成較重的原子核。核分裂和核融合皆因反應後的總質量較反應前減少而釋放出巨大的核能。

1938年美國物理學家貝特（Hans Albrecht Bethe1906-）指出太陽能量就是源自於其內部所進行的核融合反應，由四個氫原子核，在約一千五百萬度（K）的高溫下，融合成氦原子核。其它發光的星球也是藉由類似的核融合反應提供能量。

利用這個原理，美國在1951年試爆了第一顆氫彈，所需的融合高溫由內藏的小型原子彈先行引爆後產生。

1930年狄拉克從相對論性量子力學的理論上預測有帶正電的電子存在，稱為正電子。

1932年美國人安德生（Carl David Anderson1905-1991）從宇宙射線中發現了正電子。

1935年日本物理學家湯川秀樹（Hideki Yukawa1907-1981）假想原子核內核子間的強作用力，是由於交換一種微小的粒子。他推算這種粒子的質量介於質子和電子之間，約為電子的兩百倍，稱之為介子（meson）。1937年這種後來稱為π介子的粒子也在宇宙射線中找到了。

從四十年代起，物理學家陸續建造了一些大型的粒子加速器，可以將帶電的粒子加速到很大的能量並導引射擊其他的粒子或原子核，類似當年拉塞福以α粒子射擊金原子核的散射實驗；另外由於電子技術的進步，發展出非常精密的粒子偵測器，可以準確地檢測粒子互撞後的產物。

1955年在加速器的實驗中驚奇地發現了帶負電的質子，稱為反質子。從宇宙射線和加速器的研究中，累積發現了成百個微小粒子和它們的反粒子（即質量相同，但電性相反），其中有些粒子的質量比質子大，有些則介於電子和質子之間。實驗證據顯示出質子和中子還有內部的結構，不是一個單純的粒子，而是由更小的粒子所構成。那麼到底組成物質的最基本粒子是什麼呢？

1963年美國人蓋耳曼（Murray Gell-Mann，1929-）提出夸克（quark）理論，認為質子或中子等類的粒子是由三個夸克所組成，介子則由一個夸克和一個反夸克所構成。但單獨的夸克一直未發現能自由存在。夸克的種類共有六種，皆已一一在加速器的實驗中被證實存在，最後一種（稱為頂夸克）是在1994年被發現。