www.hkeasychat.com

人類從“波粒二象性”發現的過程中能獲得什麼啟示? - 天文探索外星ufo


searchsearch      
登入     註冊
»天文探索外星ufo

post

人類從“波粒二象性”發現的過程中能獲得什麼啟示?

SUNSHINEhzl發表於 2019-10-29 20:45:33
1897年,英國科學家湯姆遜在與德國科學家們關于陰極射線本性的論戰中確認它是一種帶負電荷的“粒子”????電子,而不是“波”,顛覆了長期以來被公認的“原子不可分割”的理論。但是,30年後他兒子和另一位美國科學家戴維遜卻又證明電子是“波”。那麼你從這電子“波粒二象性”發現的曲折過程中能獲得什麼啟示?

人類從“波粒二象性”發現的過程中能獲得什麼啟示?

1803年,道爾頓通過大量化學實驗事實提出的原子論,使人類對物質的結構從古希臘時代的哲學臆測飛越到科學認識水平。特別是門捷列夫1869年發現的元素周期律,更使科學家們認識到宇宙間萬物都是由不同種類元素的原子組成的。

人類從“波粒二象性”發現的過程中能獲得什麼啟示?

顧名思義,原子就是“原始的”、不可分割的最小的粒子。但是到了19世紀末,這種被公認的科學理論受到了嚴峻的挑戰,而充當先鋒角色的就是新發現的電子……

陰極射線為何物 歐洲科壇起爭端

1855年,轟動世界的萬國博覽會在法國巴黎開幕了。這當中有這麼一個鏡頭︰當觀眾們正在品嘗各國名酒,特別是對有“粘土中白銀”之稱的精美鋁制品贊嘆不已時,有幾位科學家卻對一種高壓線圈(可以把低壓直流電變成幾千伏特的高電壓)產生了極大興趣。這種新展品很快打入了德國市場。就在這年,德國一位玻璃工人蓋斯勒利用托里拆利真空原理發明了水銀真空泵。他把一根玻璃管兩端都封上了白金絲,並用真空泵把玻璃管中的空氣抽掉,然後在兩端的白金絲上通上那種感應線圈產生的高壓電。由于管中還存有殘余的氣體,玻璃管便發出紫紅的輝光。其實,這是一個低壓氣體放電管,也叫做蓋斯勒放電管。1858年德國物理學家普呂克又在放電管對著陰極的管壁上看到了綠色熒光。1876年德國物理學家哥爾德斯坦用各種材料做成各種形狀、大小的陰極進行實驗,進一步證實熒光都來自從陰極表面垂直發出的一種射線。他把這種射線命名為“陰極射線”。哥爾德斯坦還認為,陰極射線是類似于紫外光線的“以太”波(當時認為光必須依靠宇宙中的“以太”傳播)。

人類從“波粒二象性”發現的過程中能獲得什麼啟示?

他曾做過一個實驗︰把陰極做得很大,而在陰極與陽極之間放置的障礙物又很小,結果發現管壁上出現了障礙物邊緣模糊的陰影。由此,他認為輝光似乎是陰極射線的光的散射效應。這樣就形成了關于陰極射線本性的“以太”說,贊成這種學說的人大多數是德國科學家。特別是赫茲做了一系列實驗研究陰極射線,目的就是要支持“以太”觀點。他在陰極射線管中加上垂直于陰極射線的電場,結果沒有能觀察到陰極射線的偏轉,他就以此作為陰極射線不帶電的證據。另外,赫茲還注意到陰極射線可以透過某些金屬薄片。這使他想到陰極射線具有類似光透過物質那樣的性質,所以赫茲把它看成是“以太”的振動。但是,遠在千里之外、隔著北海的英國科學家們對陰極射線本性的認識卻完全不同。其中的代表人物是倫敦大學化學教授克魯克斯。他首先把當時的新發明????能抽成高真空的水銀泵裝在氣體放電管上並通上高壓電,氣體越抽越少時管中開始發光了,繼續抽下去,一個新奇的現象出現了︰陰極附近出現了一段不發光的黑暗區域,原來連續的光柱斷開了,仍舊發光的一段光柱也像魚鱗一樣閃爍不定。再抽下去,黑暗的區域越來越長,好像由陰極伸出來一股暗流把發光區域越壓越短,最後暗區被壓到陽極上,整個光柱就全部消失了。這時候,放電管已被抽成百萬分之一大氣壓的高真空度,雖然沒有明亮的氣體發光,但整個管子似是處在一種閃爍狀態。在陰極對面的玻璃壁上,熒光則非常清楚。也就是說,管中由陰極發射出了強烈的射線。1879年8月22日,克魯克斯在一次科學報告會上作現場表演並解釋這種現象︰在蓋斯勒管中的是低壓氣體在發光,不論管子什麼形狀,在高壓電作用下,充滿整個管子的低壓氣體都會發出明亮的輝光。但是,在高真空放電管中的只有陰極射線,陰極射線是走直線的,並且不為肉眼所見,我們能看見的只是由陰極射線被打在玻璃管壁上所引起的熒光。接著,助手在管中樹立起一個十字形的雲母片,在玻璃壁上立即出現了黑影。克魯克斯指出,雲母片是透明的。這就表明陰極射線並不是光線。

人類從“波粒二象性”發現的過程中能獲得什麼啟示?

一個長長的放電管被搬上來了。這管子制作得十分巧妙,中間平行地安放著兩根玻璃棒,就像火車的兩根軌道,而在玻璃軌道上則又安放著一個雲母片做的小風車。通電以後,小風車開始轉動,離開陰極向陽極跑去。把電極互換以後,原來的陰極變成陽極、原來的陽極變成陰極,小風車又往回轉動。克魯克斯告訴大家,由陰極發出來的射線實際上是微小的粒子流,它們被打在小風車一側的翼上,就會使風車轉動。最使人驚嘆不已的是這樣一個放電管︰陰極被做成了凹面鏡形,所以發出的陰極射線就全部聚焦在一個小點上。如果在管中裝上一個可以轉動的風車,在風車和陰極之間立一塊擋板,這樣通電以後,陰極射線射在擋板上,風車便靜止不動。這時候,克魯克斯把一塊磁鐵掛在放電管上面,在磁場的作用下陰極射線往上偏轉了,通過擋板上方射在風車的翼上,于是風車就飛快地轉動起來。他又把磁鐵轉了180度,磁場方向也跟著變了180度,陰極射線反過來向下偏轉了,通過擋板下方射在風車翼上,于是風車就反方向轉動起來了。克魯克斯反復地轉動著磁鐵,風車就一會兒正轉,一會兒反轉。風車上畫了清晰的螺旋線,所以看螺旋線是展開的還是收縮的,便可以知道風車旋轉的方向了。“啊!真是妙極了。”人們驚呼著。克魯克斯進一步告訴大家,光線是不能被磁場彎曲的,而陰極射線卻能被磁場彎曲,這說明陰極射線不僅是一種粒子流,而且是帶電的粒子流。最後,克魯克斯對實驗作了總結。他指出︰陰極射線這種帶電的粒子流,以很高的速度離開陰極。由于同性相斥,因而它帶的顯然是負電荷。德國科學家們並不甘示弱。1893年,勤納德把陰極射線管壁的玻璃去掉一部分,再用極薄的金屬鋁片密封好。實驗發現,陰極射線可以穿過鋁片,並在空氣中傳播幾個厘米。由于克魯克斯受到原子不可分割傳統理論的束縛,把帶電的粒子錯誤地理解為“電原子”,因而被德國科學家們抓住“小辮子”,並反擊說它應該和鋁片的原子尺寸相同,為什麼通過鋁片時沒有留下孔洞呢?法國物理學家佩蘭決定助英國科學家一臂之力。1895年,他讓陰極射線從陰極射出,經過小孔進入陽極內的金屬筒。這個金屬筒就是一個電荷接收器,然後可以用靜電計檢測電量及其正負。檢測結果表明陰極射線是帶負電的。由此,佩蘭發表論文支持陰極射線是“帶電粒子流”的觀點。

人類從“波粒二象性”發現的過程中能獲得什麼啟示?

但是,堅持陰極射線是“以太振動”的德國物理學家並不認為這個實驗具有判決性,因為這還無法說明靜電計上所檢測到的負電荷就一定是陰極射線本身。他們提出,這些負電荷也可能是伴隨陰極射線所出現的物質,而佩蘭實驗並沒有證據表明它們同陰極射線有相同的運行路徑。所以,他們認為這些帶電粒子與陰極射線之間的關系,充其量就像從槍口飛出的子彈與開槍時的閃光一樣。就這樣,陰極射線的本性究竟是什麼,德國科學家與英、法兩國科學家之間爭論了20多年,仍舊沒有明確答案。

荷質比證據確鑿 湯姆遜一錘定音

1897年,英國科學家湯姆遜對佩蘭的實驗進行了改進。他把放電管和金屬筒(即電荷接收器)分開放置,並且均與一個玻璃泡相連。實驗時,從陰極發出的陰極射線經縫隙進入玻璃泡,在它沒有受到磁場作用時,沒有電荷進入接收器;用磁場偏轉陰極射線,當其強度達到某一量值時,電荷接收器上接收到的負電荷猛增。湯姆遜總結這個實驗時說,這就表明不管我們怎樣用磁力扭曲和偏轉陰極射線,負電荷總是和陰極射線走同一條路線。因此,這種負電性與陰極射線是牢不可分的。這應該說是對“帶電粒子流”觀點的有力支持,也是對“以太振動”觀點的回擊。但是,由于赫茲當年在實驗中未能觀察到陰極射線被電場偏轉的現象,因而反對“負電微粒說”的人就把這一點作為“最後陣地”。于是,湯姆遜重復了赫茲的實驗。起初,他也得到與赫茲同樣的結果。但是,他沒有放棄努力,最終查明原因在于當年使用的放電管的真空度不高,陰極射線就成了電離劑,它使放電管內的殘留氣體電離而具有了導電性,就像金屬罩把驗電器“屏蔽”那樣。他在實驗室技師的幫助下,提高了放電管的真空度,終于實現了陰極射線在電場下的偏轉。這兩個關鍵性實驗的成功,使得關于陰極射線本性的爭論有了重大突破。但是,湯姆遜並沒有停止思考和研究,他在後來發表的著名論文中寫道︰“由此而產生一個新問題,便是這種粒子是什麼︰是原子?分子?還是可再分成更小層次上的物質?為使這一點明確起來,我進行了一系列有關這種粒子的質量(m)與其所帶電荷(e)之比的測量。”具體表現為“三步曲”︰一是讓陰極射線通過一條狹縫進入陰極內的金屬筒,利用靜電計測量一定時間內金屬筒獲得的電量。二是插入熱電鍋,經過同樣的時間後,根據溫度的升高,測出進入金屬筒內微粒由于踫撞而全部轉化成的熱能。三是加上一定強度的磁場使射線偏轉,並測定微粒運動軌道的曲率半徑。結果湯姆遜發現,這種微粒的“荷質比”(e/m)要比當時公認的最大的氫離子荷質比還要大得多。這有幾種可能,或者是m小,或者是e大,或者兩者兼而有之。如果要符合前述勤納德實驗結果,應該m特別小,才能穿過“鋁窗”而不打出“孔洞”。湯姆遜運用“雲霧室”進行鑒定。這是他學生威爾遜的發明。我們知道,水蒸汽遇冷凝結成霧時必需有凝結核心(空氣中的塵埃或離子)。雲霧室就是利用了這一原理。它的主要部分是一個大玻璃筒,下面有一個底盤與驗電器相連接。筒內充滿潮濕空氣後將筒上的活塞突然向上提,水蒸氣就迅速膨脹而處于過飽和狀態。這時進入雲霧室的陰極射線的帶電粒子可使氣體電離而形成凝結核心,水滴就開始慢慢地落到底盤上。根據水滴下降的速度可以求得其大小,再根據其大小和水蒸氣總量求出水滴總數。把驗電器收到的總電量除以水滴總數,就可求出每個水滴上的電荷值(e)。由于e/m是已知數,因而很容易算出m值。湯姆遜測定,e值與已知的1個氫離子電荷值相同,但m值卻比一個氫離子質量小得多,只有它的1/1840。湯姆遜進一步用金、銀、銅、鎳等各種金屬做陰極,又把不同的氣體????氫氣、氧氣、氦氣……充到管內,陰極上射出的帶電粒子的荷質比都是相同的。這就充分表明,各種物質中都含有這種質量遠比氫原子質量小的微粒。1897年10月,湯姆遜正式命名這種微粒為“電子”。電子是人類認識的第一種基本粒子。這一重大發現顛覆了原子是不可分割的最小粒子的傳統觀點,打開了原子世界的大門,具有劃時代的意義。1906年,湯姆遜榮獲諾貝爾物理學獎。那麼,湯姆遜對電子本性的認識是否已達到完美境界了呢?

父說粒子兒曰波 同獲諾獎傳佳話

1925年的一天,美國西方電氣公司戴維遜與他的助手革末用電子去轟擊鎳靶時,忽然一聲巨響,一只盛放液態空氣的瓶子倒地炸裂。戴維遜是長期研究新型真空三極管的。這下可糟了,鎳靶是置于真空條件下的,現在液態空氣立即蒸發,彌漫全室,鑽進了真空系統,那塊鎳靶立即被氧化。為了淨化鎳靶表面,他倆只好自認倒霉,長時間地進行熱處理,並灌以氫氣再裝回真空管中。兩個月後實驗重新啟動。“見鬼了,今天怎麼連電子也學會與我繞彎子?”戴維遜驚呼說,“革末,再將鎳靶轉個角度。”“先生,您發現了什麼?”“請你自己過來看,難道是我的眼楮出現了毛病?”“先生”,助手也感到奇怪,“電子束怎麼不穩定了呢?”原來,隨著鎳靶的取向變化,電子束的強度也在改變。這種現象很像一束波繞過障礙物時發生了“衍射”。但是,科學家們已經公認湯姆遜的發現︰電子是一種帶負電的微粒,怎麼現在又變成了“波”呢?兩人感到困惑……1926年夏天,戴維遜陪伴夫人橫渡大西洋,回英國探親。他隨姻兄理查森參加了一些科學活動,並結識了著名物理學家波恩。波恩對他介紹說,1924年法國科學家德布羅意提出了一種“物質波”理論,包括電子在內的一切微觀粒子既有波動性又有粒子性,概括為“波粒二象性”,並列出了換算公式。波恩分析,這個“意外”實驗結果,很可能是由于鎳的晶格引起電子的衍射而引起的。也是確認物質波存在的第一個證據。戴維遜深受啟迪,回國後立即重新開始實驗。他和助手回憶那次事故後,將管子切開,在一位顯微鏡專家幫助下,發現本是極光滑的鎳表面,經過加熱處理後,原子已經重新排列,變成了單晶體。1927年1月,戴維遜與革末終于從單晶鎳的電子衍射中獲得數據,計算出的波長與德布羅意預言的電子波波長基本一致。幾乎與此同時,英國湯姆遜的兒子小湯姆遜用一束窄的陰極射線,穿過厚度約為10厘米的一片金屬薄膜,並垂直于射線的方向,然後在金屬膜後面放一張照相底片。底片顯影之後所得到的環狀圖案,很容易使人們聯想起肥皂泡上由于陽光干涉產生的彩色花紋。顯然,這也是一種干涉現象。

人類從“波粒二象性”發現的過程中能獲得什麼啟示?

可以想象,陰極射線中的電子伴隨著電子波在前進中遇到金屬薄膜中的原子,原子對電子波散射,形成一個個被散射的子波。由于金屬的每個小晶體中的原子是規則排列的,在某一特定方向上被散射的子波的位相彼此有一種特定關系。在某些方向中,它們將同相,建立強散射波,其他一些方向中出現反相,彼此相消。這種現象正如光柵衍射光束一樣,晶格相當于立體空間光柵,電子射束就相當于光束。對比戴維遜和小湯姆遜兩人的實驗,雖然思路、方法和操作細節並不相同,但異曲同工,殊途同歸,都證明了電子波的存在,從而進一步確認了德布羅意“物質波”理論????電子的“波粒二象性”。1937年,戴維遜和小湯姆遜共享諾貝爾物理學獎。老爸發現了電子,兒子又證實了電子還是“波”。父子二人在物理學上的這種“接力賽”,特別是反映在100多年來諾獎獲得者的長長名單上迄今尚屬首列,在科學史上被傳為佳話。更給廣大讀者深刻啟示的是,從原子的“不可分割”到電子“波粒二象性”發現的曲折過程又一次證明了︰任何一條被公認的科學原理都不是“絕對真理”。科學發展無頂峰!

相關內容:
上一篇:為什麼陸地和海洋都進化出了遠比人類體型大的動物,而天上飛的卻沒有?
下一篇:藏在你我身邊的那些人類看不見的文明

更多帖子推薦

天文探索外星ufo討論區最新帖子快速翻頁:
234567891011121314151617
post

天文探索外星ufo

人類從“波粒二象性”發現的過程中能獲得什麼啟示? -END- 

香港交友討論區hkeasychat - 香港社交論壇forum本交友論壇採用forum形式運作,會員所講所post交友話題、發起的交友活動與本交友網立場無關 本頁面任何內容(包括但不限於:『留言、文章』)不代表廣告商同意立場及觀點,本頁面可能出現間接宣傳。hkeasychat旗下討論區業務集團之一 - hkeasychat 香港交友討論區 聯絡我們