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楼主: dymodel

[信息] 科普连载——磁性起源

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 楼主| 发表于 2006-12-26 21:58:31 | 显示全部楼层
三大发现
原子论最终确立之后,人们自然会提出一个问题:尺度在0.1nm数量级范围的原子是否真的不可再分。直到19世纪末,才有了突破性进展:1895年,德国物理学家伦琴发现了X射线;1896年,法国贝克勒尔发现了放射性;1897年,英国物理学家J.J汤姆孙发现了电子。 <br/>早在1858年,实验室中就已经出现了一种叫做阴极射线管的东西,在两端加上高压,就会在阴极上产生一种当时未知的射线,被称为是阴极射线。阴极射线管在实验室里默默的为人们工作了近40年,其间有许多物理学家让真理从鼻尖下溜走了,其中有位物理学家发现自己的阴极射线管旁边的胶片无故曝光了,于是认为胶片质量有问题,将厂家告上了法庭,他因此获得了大笔赔款,却与诺贝尔奖失之交臂。1895年11月8日的傍晚,伦琴用黑纸将放电管包起来,在暗室里进行实验,却发现远处的荧光屏有荧光放出。伦琴认为这绝不是阴极射线导致的,应该是一种未知的射线,由于当时对这种射线一无所知,因此他命名为X射线。接着他针对X射线作了一系列实验,于当年的12月28日发表论文,并公布了他妻子的手指骨的X光片。X射线立即引起了轰动,仅1896年一年内就有1000多篇相关论文发表,伦琴因此也获得了1900年第一届诺贝尔奖。
德国物理学家劳厄证明了X射线是波长比紫外线还短的电磁波,并作了晶体衍射实验,因此获得了诺贝尔奖,布拉格父子也因对X射线的研究获得了诺贝尔奖(小布拉格为最年轻的物理奖得主),此后沃森和克里克利用X射线晶体衍射技术确定了DNA分子的双螺旋结构,获得了诺贝尔生理学医学奖。但在当时,X射线的起源却成了一个谜,只有了解了原子内部结构和微观世界粒子的运动规律才能够解释X射线的起源,它促使人们去探索原子的内部结构。
X射线发现不久,法国的贝克勒尔很快想到,若荧光物质在强光照射下,是否在发出荧光的同时会发出X射线。于是他将一种荧光物质:钾铀酰硫酸盐晶体放在用黑纸包住的底片上,若能放出X射线则底片会感光。结果果然底片感光了。事隔一周,他想继续实验,但一连两天不见太阳,他认为未经强光照射的荧光物质经底片感光后最多只是微弱的影像,但恰恰相反,底片上出现了很深的感光黑影。他进一步作了一系列实验,发现这种射线并不是X射线,而是荧光物质中的铀特有的一种放出射线的性质,其他含铀化合物也有这种性质。他将这种性质称为放射性。
放射性的的发现立即引起了玛丽.居里的注意,1896年夏,她开始致力于放射性研究,很快她就于1898年发现了与铀的放射性强度相近的元素:钍。钍发现后,玛丽的丈夫皮埃尔.居里也参加进来,他们很快于1898年7月发现了放射性比铀强得多的元素:钋。1898年12月,居里夫妇宣布发现了放射性比铀强100万倍的元素:镭。镭的发现立即震惊了全世界,人们发现镭毫不疲倦的无休止的放射着惊人的能量,它的性质无法用任何当时已有的化学知识来解释,能量起源也成了放射性的一大谜团(直到1905年才由爱因斯坦找到答案),当时很多人不相信镭的存在,按照当时的传统观点,要证明镭是一种化学物质就必须测出镭的原子量,并在周期表中找到它相应的位置。居里夫妇又经过了4年之久的艰苦工作,终于从几吨矿渣中提炼出了0.12克氯化镭,测出了镭的原子量。1903年,居里夫妇和贝克勒尔获得了第三届诺贝尔奖。卢瑟福后来发现,各种放射性元素放出的射线可归结为三类:α射线、β射线、γ射线。放射性与X射线一样,有广泛的实际应用,目前美国医院中的药物有一半左右为放射性药物,放射性在医学、生命科学、工业生产、材料科学等领域中有不可替代的作用。
1897年,英国剑桥大学卡文迪许实验室的J.J汤姆孙终于揭开了困扰物理学家近40年的阴极射线之谜。他的实验表明,阴极射线并不像一些人猜测的那样是电磁波,而是一种带电的粒子流,这种粒子的质量小于当时已知的最轻的氢原子的千分之一,汤姆孙将这种粒子命名为电子。他进一步证明了,电子是一切材料的组成成分。电子是第一个被发现的基本粒子,它的发现对原子组成的了解起了极为重要的作用。J.J汤姆孙培养了一大批优秀的研究生如:卢瑟福、威尔逊、巴克拉、G.P汤姆孙等,成为20世纪初的骨干力量之一,英国剑桥、德国歌廷根和丹麦的哥本哈根最终成为当时物理学家神往的三大圣地。值得一提的是:他证明了电子是粒子,而他的儿子G.P汤姆孙证明了电子是波,并且均获得了诺贝尔奖。
在前面的十几篇文章中,零零碎碎有意无意的穿插了一点量子力学的内容,但不太系统,因此我觉得有必要了解一下量子力学的基本公设,在下一篇文章中你也许会在量子力学公设中体会到量子的独特魅力和诡异的行为。
 楼主| 发表于 2006-12-26 21:59:03 | 显示全部楼层
量子公设
第一公设--波函数公设:微观粒子的运动状态是由波函数(又名物质波)描述的,波函数的模方为粒子的概率密度函数。
1900年,普朗克首先由黑体辐射理论引入了谐振子的能级差公式:E=hν。1905年,爱因斯坦将此公式推广到电磁波,提出了光量子理论。1917年,爱因斯坦再次提出公式:p=h/λ,认为光子有动量。因此这两个公式称为普朗克-爱因斯坦关系。1923年,德布罗意提出了物质波假设,将这两个关系推广到任意粒子,揭示了微观世界的普遍规律:波粒二象性,第一次引入了物质波(也就是波函数)的概念。波恩进一步指出波函数的物理意义:波函数本身没有物理意义,而它的模方是粒子的概率密度函数,提出了波函数的概率诠释。 <br/>第二公设--算符公设:经典力学中的力学量对应量子力学中相应的算符,算符的本征值为力学量的测量值,量子化过程就是力学量的算符化过程,量子力学中的所有力学量算符的本征函数都有完备性。
1925年,海森伯、波恩和约当建立了矩阵力学形式的量子力学,海森伯建立了经典力学量与算符的对应关系,并建立了算符间的对易关系,提出了著名的海森伯不确定关系。即坐标算符与动量算符不对易。量子力学中有条定理:只有互相对易的算符才有共同的完备的本征函数系,它们才能被同时测量。
第三公设--测量公设:若系统波函数处在本征态(即系统的某个本征波函数),则测量的结果为系统的本征值,若系统波函数不处在本征态,则测量将导致波函数坍缩,即测量过程为了提取系统信息一定会对孤立系统产生某种影响,使系统的波函数以一定的概率向某个本征态跃迁。此过程是随机的、不可逆的、斩断相干的和非定域的。 <br/>1913年,波尔提出氢原子理论时,引入了定态、能级、跃迁等重要概念,矩阵力学与波动力学殊途同归后,由冯.诺伊曼将量子力学统一表达出来,发现波函数有两种行为方式:一种是未测量时的孤立系统遵从严格的因果律,俨然就是经典力学的波动方程;一种是为了提取系统信息而进行的测量过程,也就是波函数的坍缩过程,也就是量子跃迁过程。测量原理经过哥本哈根学派的讨论,融入哥派的正统诠释。可以通俗的理解为,未经测量的电子它表现得象波,但每次测量结果得到的总是一个电子,从没有发现半个的情况。波函数坍缩有大量的实验支持,尤其是90年代做的一系列关于原子双缝干涉的which way实验,以及证实量子芝诺效应的实验表明,波函数坍缩的确是真实的过程,测量决不是简单的信息提取过程,更是信息的制造过程,是一种真正的变革过程,测量方式的不同会得到系统不同的“未来”。
第四公设--演化公设:孤立系统在未经测量的过程中,波函数的演化规律遵从与经典力学能量动量关系相应的波动方程。
若了解了经典力学的能量动量关系,再加上普朗克-爱因斯坦关系就可以写出类似于光学中的波的色散关系,由色散关系立刻就能得到系统满足的波动方程,再加上定解条件就可以得到系统的波函数,而目前为止系统的一切信息都包含在波函数中。1925年,薛定鄂导出了与牛顿力学能量动量关系相应的波动方程,提供了一个应用极为广泛的近似方程。后来克莱茵和高登导出了与相对论能量动量关系相应的波动方程:KG方程,解决了自旋为0的粒子高速状态时的演化,狄拉克利用他超凡的数学才能引入了旋量结构,导出了另一个与相对论能量动量关系相应的波动方程:狄拉克方程,解决了自旋为1/2的粒子的演化。
第五公设--全同公设:全同粒子不可区分。(或者说:全同粒子体系的波函数对于玻色子是交换对称的,对于费米子是交换反对称的)
全同公设的处境类似于历史上几何学的第五公设,没有人怀疑它的正确性,因为有相当多的实验证实,但是它作为公设的独立性却有些人表示怀疑,但至少目前为止,它还是个公设。泡利在研究氦原子光谱时提出了著名的泡利不相容原理:原子中的任意两个电子不能处在相同的量子态上。这是有划时代意义的,在此原理基础上,立刻就可以得到元素周期律。而且揭示了一个普遍规律:全同粒子不可区分。由于微观粒子没有轨道的概念,由系统波函数无法区分系统中的全同粒子。泡利又根据全同粒子不可区分性、相对论和量子因果律导出了著名的泡利定理:全同玻色子体系的波函数是交换对称的,满足玻色-爱因斯坦统计;全同费米子体系的波函数是交换反对称的,服从费米-狄拉克统计(或泡利不相容原理)。第一次揭示了自旋与统计之间的深刻联系。
下面我们回到发现电子的时代,也就是1897年。在此之前,化学与物理彼此独立,作为整个化学基础的元素周期表就如同一个空中楼阁一般,化学家们担心这座大厦可能会随着某个实验的诞生而轰然倒塌,化学家们辛苦了几个世纪的劳动成果很可能如热质说一般不堪一击。门捷列夫刚提出周期表时,甚至有著名的化学家嘲讽他说,将元素按照英文首字母排列也可能会出现某种规律性。电子的发现指引人们,原子是有内部结构的,周期律之谜很可能与原子结构有关,也就是说,揭开了原子结构之谜,也就有可能揭开元素周期律之谜,整个化学就有了坚实的物理基础,与物理风雨同舟,再也不怕风吹雨打了。J.J汤姆孙和他的学生们以及学生的学生们还有学生的学生的学生们抢得了先机,而且一路领先,争先恐后的在物理学这一舞台上展示才华与激情,20世纪前半叶的诺贝尔奖似乎是专为这支人马设立的……
 楼主| 发表于 2006-12-26 21:59:33 | 显示全部楼层
殊途同归
许多人都觉得1900年普朗克发现能量量子化是量子力学的开端,实际上,这只是个起点,量子力学真正创立于1925年,比广义相对论晚了整整10年。1925年,海森伯和泡利依据原子的离散能级,通过改造经典力学建立了一种全新的矩阵力学,其中最著名的莫过于海森伯的不确定关系,粒子的坐标和动量不能被同时测量准确。几乎与此同时,奥地利的薛定鄂找到了德布罗意提到的波函数所服从的一个波动方程,建立了波动力学。表面看来,它们毫无关系,甚至风牛马不相及,但是他们通过计算得到的所有结论居然完全一致,并且与实验结果也非常符合。不久,海森伯、薛定鄂、泡利等人相继证明了两种理论居然是完全等价的,只不过是同一个物理规律的两种数学描述。狄拉克和冯.诺伊曼又对量子力学的数学结构作了许多调整,使得量子力学两种描述完全统一起来。因此有人感叹,殊途同归。
量子力学最深刻的最基础的内容是什么?哥派会说不确定原理(或由此引申出的互补原理);经典学派会说波粒二象性。实际上,它们也是等价的。德布罗意不愧是学历史出身,通过科学史居然挖出了一个最大的宝藏:物质的波粒二象性。当时(1924年)爱因斯坦的光量子理论已经诞生了19年,尽管有光电效应等实验作为理论基础,但是光的波粒二象性仍然让许多人将信将疑。而德布罗意却做得干净彻底:既然光有波粒二象性,电子为什么不能有?如果电子有波粒二象性,一切物质是否都有?能量量子化以及原子的轨道角动量量子化都引入了整数,而当时整个物理学界其他领域中引入整数的只有波的简正振动。通过类比,他推广了普朗克-爱因斯坦关系,提出了波函数假设。戴维森、革末和G.P汤姆孙分别用实验完全证实了电子的普朗克-爱因斯坦关系。由波粒二象性可知,粒子确定的动量对应一种单色波。然而世上有单色波吗?完全可以肯定的说:没有。在已知的任何领域,即使原子光谱中也没有发现过绝对的单色光,总有一定的频率宽度。与之相对应的是,自然界中的粒子在有限空间中永远没有确定的动量,总有一定的动量不确定度。通过数学中的史瓦兹不等式利用波粒二象性可以导出海森伯的不确定关系。又一个殊途同归。
值得一提的是,虽然波函数现在可以描述系统的全部信息,但是能够用来提供系统所有信息的数学工具却并非波函数一种。格林函数也是可以包含系统全部信息的一种工具。费曼提出了第三种量子化方案,即路径积分方案。费曼路径积分中的传播函数就与格林函数只差一个常数。费曼曾夸口,没有人提出的量子化方案会比他的路径积分还要简洁明了。在此之前,量子力学在求解有电磁场的问题时,用的是正则量子化方案,即将公式中的机械动量替换为正则动量,然后将力学量算符化。在量子电动力学中曾经遇到过发散困难,哈佛大学的施温格发明了重整化理论,消除了无穷的困扰,但他的论文据说有上百页。费曼将路径积分应用到量子电动力学中,代替了正则量子化。当时费曼还不懂重整化,施温格也不懂路径积分,但是他们对照各自的笔记,发现相应的运算结果居然完全相同。量子论中真是有太多的殊途同归了。 <br/>求解波动方程,对大多数物理学家来说基本都是小菜。这样,氢原子解出来了,谐振子解出来了,各式各样的量子效应都解出来了,大量的验证实验都证实了它的正确性,大量改变世界的新技术因此而诞生……似乎物理学的天又晴了,然而似乎还有一个问题。加上似乎两个字是因为这个问题对哥本哈根学派来说已经不是问题了,而对经典物理学派尤其是爱因斯坦来说,这个问题当然不能让人用两个字给糊弄过去。这个问题就是:波函数是什么?
哥派认为,波函数本身没有意义,它的模方是粒子出现的概率密度函数。尤其诡异的是,在未测量时,波函数服从严格的因果律;而测量时,仪器将不可避免的对系统产生作用才能提取(甚至是制造)信息。系统与仪器发生相互作用导致波函数坍缩,即以一定的概率向某个本征态跃迁过去。 <br/>经典学派不否认波函数坍缩,他们或认为粒子是波场中的奇性点,波场才是真正的物理实在;或是寻找可能遗漏的隐变量;或是试图将量子力学建立在热力学的系综原理基础上;总之,他们的目的是寻找波函数坍缩的细节。他们认为,没有关于波函数坍缩细节描述的量子论至少是不完备的。他们试图通过找到这种过程的细节描述来从理论上彻底消除概率,还回一个因果律支配的世界。
哥派认为经典学派完全是白费力气,他们的方向走错了。测量过程中,仪器与系统的作用根本无法截然分开,即使是最微弱的测量,想要得到系统信息也一定会改变系统的状态,而正是这一点导致了不确定关系,因此这种相互作用是无法描述的,世界的本源就是概率,量子跃迁没有细节,是一个最基本的过程。
许多人接受了哥派这一解释,因为至少它与实验精确相符,而且不用花大力气去探讨波函数坍缩,更重要的是,直到目前为止,至少从实验方面,量子力学是完备的,还没有发现量子力学无法解释的实验现象。但是显然,爱因斯坦没有理会玻尔那一套,他那句经典名言:上帝不会掷骰子成为经典学派的精神支柱。玻尔的反驳同样成为经典名言:不用你告诉上帝该做什么。
波函数坍缩,两种截然不同的观点。决定论与概率论似乎不可逾越的峡谷之间,是否会在云雾深处存在一座桥梁?是否又是一次历史性的殊途同归? <br/>薛定鄂方程唯一不尽如人意的地方是它不满足相对论的要求。美国的劳伦斯发明回旋加速器后,经过不断改进,使人类进入了粒子的高能领域。空前绝后,种类繁多的“基本粒子”的出现让物理学家们眼花缭乱。薛定鄂方程对新粒子的产生却根本无法解释。这时候,人们想到了相对论……
 楼主| 发表于 2006-12-26 21:59:47 | 显示全部楼层
演化规律
薛定鄂方程解释了原子发射光谱相当多的谱线,而且能够预言谱线宽度等实验事实,因此远比玻尔氢原子模型要精巧的多。而且以薛定谔方程为基础连里的量子力学在物理学的各个领域都大显神通,每一项以量子为基础的新技术的提出几乎都会改变世界的面貌。然而还有很多谱线薛定谔方程无法解释。比如钠黄光的谱线应该是一条波长为589.3nm的谱线,但实验给出的却是589.0nm和589.6nm的两条爱科技爱生活得很近的双线。为了说明这种双线结构,乌愣贝克和古德史密斯特于1925年提出电子自旋的概念,电子在磁场中的行为就像一根小磁针。自旋概念作为一个相当重要的概念被保留下来,但是认为它起源于电子自转的假设立即被否定了,因为要使电子产生实验观测到的磁矩,电子自转速度将远远超过光速。自旋作为一个外来的东西结合薛定鄂方程即可解释几乎所有的光谱。当时狭义相对论已经提出20多年,为当时研究的热点,可惜的是薛定谔方程不满足相对性原理。
>薛定谔早年提出过一个后来被称为KG(克莱因和高登)方程的波动方程,它是满足相对性原理的,只可惜由于没有考虑电子自旋,无法得到与实验相符的结果。KG方程还有其它的一些困难,比如负能量困难、负概率困难等。后来泡利发现,只有把KG方程解释为场方程,将波函数再一次算符化(二次量子化)才能避免负概率困难,但负能困难仍然存在。后来发现反粒子之后被认为是沿着时间轴反方向运动的粒子,这样负能困难也得到了解决。KG方程后来成为描述自旋为0的粒子演化规律的有效工具。而且与相对论类似,在速度远小于光速时,KG方程近似的等价于薛定谔方程。然而对于电子为什么有自旋这一额外的自由度,KG方程仍无法了解。狄拉克给电子找到了一个波动方程——狄拉克方程。它同样满足相对性原理,只是这个方程是一个“数学怪物”,它是一个四分量的旋量方程。通过数学推导和角动量守恒这一普遍规律,很自然的得到了电子自旋的概念。相对论量子力学终于摆脱了人为引入自旋的尴尬境地,电子自旋原来是一种总角动量守恒下的相对论效应。四分量旋量方程中,有两个分量是描述电子的,余下的两个量似乎毫无意义。狄拉克敏感的意识到,另外两个似乎没有意义的分量描述的是带正电荷的电子,也就是电子的反粒子。正电子预言不久后就被安德森发现。狄拉克利用这个方程得到了氢原子的严格解,与实验惊人的相符,并证明了电子自旋g因子是2。狄拉克方程是自旋为1/2的粒子的波动方程,并不是只有电子才适用。狄拉克方程没有负概率困难,但仍然存在负能困难。负能困难是相对论量子力学的普遍性质。为了避免这一困难,狄拉克起初提出了真空负能电子海的概念,在泡利原理的协调下避免了这一困难,但是对于KG方程同样存在负能困难,而且由于KG方程描述的是玻色子,无法引入负能海的概念。因此,有一些科学家人为狄拉克的负能海已经完成了它的历史使命,狄拉克方程的负能困难还是应该像KG方程那样用沿着时间轴反向运动的粒子来解释。
20多年后,实验物理学家终于找到了狄拉克方程无法解释的实验:电子反常磁矩和兰姆移位。这并不是说相对论的基础——相对性原理错了,而是我们将库仑场想象的太简单了。在这两个实验的基础上建立了更精确的(也可以说是目前为止最精确的)理论:量子电动力学。该理论指出,电子与核的库仑力是由于电子与核交换虚光子实现的。虚光子在传播过程中产生虚的正负电子对,电子对再湮灭为虚光子,此过程称为真空极化。真空极化的屏蔽作用导致了兰姆移位。电子运动中会发出虚光子,然后再吸收它,表现为电子与它自身的电磁场发生相互作用,从而改变电子的固有磁矩。实验观测到的g因此并不是狄拉克方程预言的2,而是2.002319304376(8),与2的相对偏差为0.001159652188(4)。量子电动力学预言的相对偏差为:0.001159652133(29)。物理学家们以此为基础又建立了相对论量子场论。
人们在宇宙线、加速器、对撞机中发现了种类繁多的“基本粒子”,尤其是对撞机中,新粒子总是在高能对撞中产生。这是薛定谔方程无法解释的。在粒子数表象中,有两个很重要的算符:产生算符和湮灭算符。在薛定谔方程中这两个量总是成对出现的,即粒子在一个能级上湮灭后在另一个能级上产生,粒子数是守恒的,不会产生新的粒子。而通过求解狄拉克方程或KG方程可知,若有足够的能量,可以形成正负粒子对。比如,能量大于两倍电子静止能的光子可能会在重原子核附近形成正负电子对(之所以要在重原子核附近是要保证整个体系的能量动量守恒,因为按守恒律的要求,孤立的光子即使能量再高也不会转化为其它粒子)。早在安德森发现正电子之前,我国物理学家赵忠尧就已经通过高能γ射线与铅的相互作用观测到这一过程,但是由于当时的一些混乱和几个干扰实验,赵忠尧错失了发现正电子的机会,也与诺贝尔奖失之交臂。按量子场论的观点,真空是一切粒子的基态。若在小范围内存在足够的能量,则可能会激发出各种各样可能存在的粒子。
 楼主| 发表于 2006-12-26 22:00:12 | 显示全部楼层
粒子分类
电子、质子和中子相继被发现后,物理学家们又发现了许多“基本粒子”,这其中包括中微子、正电子、μ子、π介子、Κ介子、∧超子等。比较稳定的(寿命长于10^(-16)s)“基本粒子”共有30多种,再加上寿命很短的(小于10^(-20)s)共振态粒子,“基本粒子”家族已经有400多位成员了。为便于分析,将“基本粒子”分为强子、轻子、媒介子三大类。
轻子共有6种,加上各自的反粒子共12种。它们都是费米子,不参与强相互作用,包括电子、μ子、τ子和各自对应的中微子(电子型中微子、μ子型中微子、τ子型中微子)。目前的理论和实验都表明,轻子没有内部结构,是基本粒子。电子是原子的组成部分,是第一个被发现的基本粒子,μ子又叫重电子,它的质量是电子的207倍,会很快的衰变(2.2*10^(-6)s)为电子和中微子,最早由安德森和内德梅厄从宇宙线中发现。τ子又称超重电子,其质量比质子还大,这三种轻子在参与弱相互作用时会伴随着中微子。中微子在自然界中只有左旋形式,反中微子只有右旋形式,因此在有中微子参与的任何弱相互作用中,宇称守恒定律都会被破坏。李政道和杨振宁因此而获得了诺贝尔物理学奖。1998年的实验以99.99%的统计置信度证明了中微子有静止质量。 <br/>强子又分为介子和重子两类,是一个相当庞大的家族。介子是强子中的玻色子,1935年,汤川秀树理论预言了一种传递核力的粒子,于1947年被发现,并命名为π介子。π介子与原子核有强烈的相互作用,π0介子质量是电子质量的264倍,π±介子是电子质量的273倍。π介子一般衰变为光子。Κ介子有两种衰变方式,一种是衰变为π±介子两个粒子,一种是衰变为π±介子和π0介子三个粒子,由这两种衰变方式可知,Κ介子的衰变过程宇称是不守恒的。重子是强子中的费米子,包括两种我们最熟悉的粒子:质子、中子,它们统称核子。此外还有∑超子、∧超子、Ξ超子、Ω超子等。除了质子和核内的中子外,其他粒子都会很快衰变(自由中子平均寿命为930s)。
媒介子都是玻色子。其中,传递电磁相互作用的是光子,传递弱相互作用的是Ζ粒子和W±粒子。传递强相互作用的是8种胶子,理论预言的传递引力相互作用的是引力子(引力子尚未在实验中被发现)。
大量资料和实验表明,强子是有内部结构的。盖尔曼提出了强子的夸克模型。他认为强子都是由带分数电荷的三种夸克(和相应的反夸克)组成的,为使其符合泡利原理,引进了一个新的自由度,称为“色”。每种夸克都有红、绿、蓝三色。夸克模型成功的解释了大量强子的结构。但是1974年,丁肇中等人发现的J粒子(文献上称之为J/ψ粒子),它不是由已知的三种夸克组成的,因此引入了第四种夸克:粲夸克。丁肇中因此而获得了诺贝尔物理学奖。夸克理论又进一步预言,夸克应该有6种(上、下、奇、粲、低、顶),低夸克和顶夸克后来均被实验证实。夸克模型将庞大的强子家族收归自己旗下,随着越来越多的实验证实夸克的存在,强子不再被认为是基本粒子了。同时人们开始更多的关心夸克的行为。实验方面发现了夸克的两个重要性质,一个是夸克禁闭,一个是渐近自由。夸克禁闭是指在目前所有的实验中都没有观测到自由夸克,夸克似乎永远被关在强子内部;渐近自由是夸克的另一重要性质,即夸克间距离非常接近时,它们之间就几乎没有相互作用了。杨振宁和米尔斯提出规范场论后,杨振宁就一直试图用规范场来描述强相互作用。在此之前,夸克理论还一直是唯象理论,物理学间们提出了各种各样的“口袋”模型用来理解夸克行为。规范场描述的夸克是禁闭的,名不见经传的特.胡夫证明了规范场描述的夸克是渐进自由的。温伯格、萨拉姆、格拉肖曾用规范场统一了电磁相互作用和弱相互作用,如今强相互作用也可用规范场来描述。相信用规范场来统一电、弱、强相互作用已为期不远。如今越来越多的科学家开始相信,引力场很可能也是一种规范场。
现在我们来清点一下本文提到的基本粒子名单:6种轻子加上各自的反粒子共12种轻子;6种夸克每种有三色,再加上各自的反粒子共36种夸克;已证实的媒介子为光子、Ζ粒子、W±粒子、8种胶子共12种媒介子;也就是说已经被实验证实的基本粒子共有60种。如果未发现的引力子也算一种则总共是61种。 <br/>是不是理论预言的基本粒子(除引力子外)都被发现了呢?没有。目前最新的理论共预言了62种基本粒子。那么这个本文从未提到过的幽灵粒子究竟是什么呢?它有什么性质?它在整个基础理论中又处在什么位置?是主角还是配角?抑或只是一个没有多少作用的可有可无的过客?……<
 楼主| 发表于 2006-12-26 22:00:34 | 显示全部楼层
幽灵粒子
牛顿应用他的定律为物质定义了一个基本属性:质量。然而,质量是什么?质量的起源又是什么?如今大多数的粒子物理学家的观点是:根据粒子物理的标准模型, 是一种叫做“希格斯玻色子”的粒 子导致了质量的产生。这种神秘的粒子又被冠称为“上帝的粒子”,科学家 给希格斯粒子冠以如此神圣的 名字,原因很简单,只是为了衬托它的重要性。假如希格斯玻色子存在, 那么科学家就可以回答为什么物体会有质量 的问题。此外,希格斯玻色子的发现也可能会动摇整个物理学的根基。有很多科学家认为,“新物理”时代可能即将来临,而西格斯粒子就是它的突破口。一旦验证了西格斯粒子的存在,物质质量起源之谜就会被彻底揭开,有了西格斯粒子的加入,标准模型就取得了相当大的成功。如今的粒子物理学家们梦寐以求的就是验证西格斯粒子的存在。
1995 年 3 月 2 日,美国费米实验室向全世界宣布他们发现了顶夸克时,粒子物理学标准模型所预言的 61 个基本粒子中的 60 个都已经得到了实验数据的支持与验证。但是仍然有一个粒子,仍然游离在实验之外,它就是希格斯粒子,而且正是这个粒子有可能会击毁整座基础物理学大厦。基本粒子可以分为两大类:费米子和玻色子费米子为拥有半整数的自旋并遵守泡利不相容原理的粒子;玻色子则不遵从泡利原理。基本粒子的标准模型是一套描述电、弱、强相互作用的基本粒子的理论,它是基于杨振宁-米尔斯的非阿贝尔规范场论构造出来的,属于量子场论的范畴。电弱统一理论与量子色动力学在标准模型中合二为一。这些理论都基于规范场论,把费米子跟玻色子配对起来,费米子负责构成物质的骨架,而玻色子负责传递相互作用。标准模型所包含的玻色子有:负责传递电磁力的光子;负责传递弱核力的 W 及 Z 玻色子;负责传递强核力的 8 种胶子。
希格斯子也是一种玻色子,然而它与传递相互作用的规范玻色子不同,希格斯粒子负责引导规范变换中的对称性自发破缺,是惯性质量的来源,因此并不是规范玻色子。在西格斯粒子未提出之前,杨 - 米尔斯规范场论无法应用到强、弱相互作用中,其主要障碍就是质量问题,规范场不允许玻色子带有任何质量,然而这一点却与实验不符,如果不能解决质量问题,将使得整个理论失去意义。
人们希望利用自发对称破缺来解决质量问题。1962 年,有人证明每一个自发对称性破缺都必定伴随着一个无质量无自旋粒子,1964年,英国物理学家希格斯解决了这个问题,使得自发对称性破缺发生时,那个无质量无自旋粒子仍然存在,但它将变成规范粒子的螺旋性为零的分量,从而使规范粒子获得质量。这一方法被引入标准模型,标准模型通过引入希格斯场来实现希格斯机制。通过希格斯场产生对称性破缺,同时在现实世界留下了一个自旋为零的希格斯粒子。这样一来希格斯粒子就显得极为重要,可以说它是整个标准模型的基石,如果希格斯粒子不存在,玻色子就不是通过西格斯机制获得的质量,整个标准模型就会毁于一旦。
然而被实验物理学家们称之为“上帝粒子”的希格斯粒子却始终没有被发现。2000年9月,欧洲核子研究中心的科学家利用世界上最大的正负电子对撞机发现了一些西格斯粒子存在的迹象,但是该中心期望找到更确切的证据时,得到的却是相反的结果。科学家预计希格斯粒子存在的可能只有30%。我们的粒子物理大厦是建立在30%的概率基础上的。一旦希格斯粒子被证实不存在,那么整个物理学就将经历一场新的困惑和震动,我们不得不再次目睹终极理想离我们远去。一旦证明希格斯机制、希格斯粒子理论都是错误的,那就意味着大量的人力、物力、财力的巨大浪费。几十亿美元的巨额资金投入和无数科学家们的辛劳都将付诸东流。值得一提的是,标准模型并不是唯一的理论。早在数十年前就有人针对标准模型的缺陷提出了新的理论,即超对称理论。还有人提出了条件更为宽泛的弦理论,这些理论有希望一举统一四种相互作用,而不是像规范场论那样各个击破。而且即使实验观测到希格斯粒子,标准模型虽然无疑是巨大的胜利,但仍然面临将引力归入体系的难题,标准模型仍然任重而道远。英国科学家霍金曾下注100美元打赌希格斯粒子不存在,霍金是比较狡猾的:赢的概率是70%,为什么不赌?为避免倾家荡产只下注100美元。然而我们不必担心,参考他以前的“赌场”经历,他是逢赌必输的,因此考虑到这一因素,希格斯粒子存在的概率会大于30%。
标准模型的基础是规范场论,而规范场论作为三足鼎立(超引力、超弦、规范场)中的一足,又是目前为止最为活跃的领域,已经有多位物理学家因此而获得诺贝尔奖。而超引力和弦论虽然喊得很响,但是却没有得到多少实验验证,与之相比,规范场论优势明显多了。
 楼主| 发表于 2006-12-26 22:00:56 | 显示全部楼层
规范场论
1999年瑞典皇家科学院宣布,该年度的诺贝尔物理学奖授予荷兰的特.胡夫与维尔特曼。理由是两位获奖者给粒子物理理论提供了坚实的数学基础,尤其是,他们证明,该理论可以用于物理量的精确计算。欧洲和美国的加速器实验器的实验证实了许多理论计算结果。皇家科学院还着重赞扬了他们的工作对于阐明在物理学中弱电相互作用的量子结构的巨大功绩。
这一宣布,引起巨大轰动。他们的贡献具体地说,就是解决了当前量子论发展的最高阶段——量子化的杨—米尔斯规范场的重整化问题。早在20世纪初,人们就认识到了麦克斯韦的电磁场理论中隐藏着一种对称性,后来称为规范对称不变性。也就是说四维电磁势在规范变换下保持麦克斯韦方程组的不变性。通俗的说就是,可以用不同的电磁势来描述同一个电磁场,而且得到的结论是完全相同的,在A-B效应发现之前,这一现象没有得到足够的重视,因为人们通常认为描述电磁场的量应该是电场E和磁场B,势只是一种辅助的数学工具,没有物理意义。但量子力学表明,势也存在可以观测的物理效应,这就使得电磁势的理论意义空前的重要起来。规范不变性实际上应该叫做相位不变性,分析表明,这一对称性直接导致电荷守恒定律。费曼证明,局域规范对称性加上洛仑兹变换可以导出麦克斯韦方程组。
杨振宁曾经试图将局域规范对称性纳入到强相互作用理论,但一直没有成功。1954年他与同事米尔斯提出了非阿贝尔规范对称性的概念,通俗的将就是在规范变换中相位因子不是一般的实数,而是矩阵,因此一般不满足乘法交换律(不满**换律的群叫非阿贝尔群)。他们当初是想构造一个解释强相互作用的理论,虽然当时没有成功,却发现了非阿贝尔规范对称性。杨振宁-米尔斯的理论将人们的视野从阿贝尔规范对称性转移到了非阿贝尔规范对称性,后来的历史表明,这是量子论发展史上的一个里程碑。强相互作用理论没有成功的原因是,量子化的规范场论要求,规范粒子的质量必须是零,它的用途是传递相互作用,既然规范粒子质量是零,规范场就应该像电磁场一样有无限大的作用力程,也就是说,强相互作用力应该是长程力。但所有的实验都表明,强力是一种力程只有10^(-15)m的只在相邻核子之间起作用的典型的短程力,当时汤川预言传递核力的粒子是π介子,质量是电子的200多倍。也就是说,实验和当时的理论都要求,规范粒子的质量必须是一个不为零的数。后来的夸克理论和实验表明,核力是夸克之间的“剩余力”,强相互作用应该是夸克通过胶子产生的作用力,而胶子的质量的确是零,核力的短程性与分子间作用力类似,是一种长程力的剩余力。强相互作用的这一理论叫做量子色动力学,它是以八种无质量的色胶子作规范粒子,由它传递夸克之间的强相互作用,每种夸克又具有三种可能的颜色态,对比量子电动力学,将它称为量子色动力学,它是杨-米尔斯理论的重要组成部分。自然界中存在一种典型的短程相互作用,就是弱相互作用。既然是短程力,传递相互作用的粒子就应该有质量,似乎不能用杨-米尔斯理论来解释,但是在60年代,日本物理学家南部阳一郎将超导理论中的对称性自发破缺机制介绍到杨-米尔斯理论中,爱丁堡大学的希格斯表明,规范场论中对称性自发破缺效应会使某些原来没有质量的粒子获得质量,后来人们称这一机制为希格斯机制。或者通俗的讲,规范对称性并没有在弱相互作用中被破坏,而是被希格斯场隐藏起来了规范粒子依爱科技爱生活“吃”希格斯粒子获得质量。在强相互作用中自然不需要这种机制,但在弱相互作用中却是必须的。1966-1967年,温伯格、萨拉姆与格拉肖成功的应用希格斯机制建立了将弱相互作用和电磁相互作用统一起来的杨-米尔斯理论——电弱统一理论,并预言了传递弱作用的三种中间玻色子,1983年三种玻色子均被发现,从此自然界中存在四种相互作用的说法只能留在历史博物馆里了,三人也因此获得了诺贝尔奖。
在量子电动力学中,存在一个类似于20世纪初紫外灾难一样的困难,就是量子论的发散困难。由量子电动力学计算出的很多物理量如自能、质量、电荷等都是无穷大。后来日本的朝永振一郎、美国的施温格和费曼各自发展了一套数学方案,叫重整化,可以消除理论中存在的无穷大,并且可以将结果计算到相当高的精度,三人因此获得了诺贝尔奖。同样的问题出现在了杨-米尔斯理论中,人们很自然的会问,规范场论的发散困难是不是可以重整的?如果不可重整,一切都是毫无意义的。杨-米尔斯理论比量子电动力学复杂的多,是一个高度非线性的方程组,因此它的重整化当时谁也不能保证。60年代,许多著名的物理学家为此耗尽心血,仍没有成功。但这一难题却在1971年被荷兰年轻的博士(24岁)特.胡夫解决了。这一发现震惊了整个物理界,他的重整化方法非常巧妙,与施温格的重整化思路完全不同。后来的所有理论包括量子色动力学、电弱统一理论都是在有了重整化方案之后才有应用价值的。因此特.胡夫获得诺贝尔奖是当之无愧的。
下面我们从遥远的理论空间回到现实世界中来,一杯水的一半是半杯水,然后这样一直分下去会怎样呢?当然,一般就只剩下一个水分子了。学化学的人总喜欢说,分子是保持物质化学性质的最小单位。原因很简单,水分子再往下分就不叫水分子了(这里所说的分子包括单原子分子)。我们这个形形色色的世界就是由周期表中的100多种原子结合成分子组成的,事实上,周期表中的原子也不是平等的,它们也分主角和配角。比如6号元素碳,它形成的分子种类占总数的一半以上;而组成人体的元素除了C、H、O、N、P、S等比重较大外,其它几十种微量元素只占极少的一部分。我们知道,分子比原子复杂的多,那么原子又是凭借什么方式组成了如此种类繁多的分子的呢?比如说最简单的氢气分子,两个电中性的原子之间顶多会有一丁点儿类似于分子间作用力般的剩余电磁力,怎么可能会有强烈的吸引作用呢?为什么氢分子是由两个原子组成的而不是三个或更多呢?学化学的人更喜欢另一句话:结构决定性质。
 楼主| 发表于 2006-12-26 22:01:17 | 显示全部楼层
黑洞漫谈之常规黑洞简介
19世纪末20世纪初,物理界出现了两朵乌云:黑体辐射与迈克尔逊实验.一年后,第一朵乌云降生了量子论,五年后,第二朵乌云降生了相对论.经过一个世纪的发展,又在这世纪之交,物理界又降生了两朵乌云:奇点困难和引力场量子化困难.这两个困难可能通过黑洞与大爆炸的研究而解决.
基本粒子,天体演化,和生命起源是当代自然科学的三大课题.黑洞与宇宙学的研究与基本粒子,天体演化有密切关系.特别是黑洞的研究涉及一些根本性的问题,有助于我们深入认识自然界,因此,黑洞是本连载的重中之重.
牛顿理论也曾预言过黑洞,将光作为粒子,当光被引力拉回时,就成为一个黑洞.它与现代理论预言的黑洞不同,牛顿黑洞是一颗死星,是天体演化的最终归宿.而现代黑洞,却只是天体演化的一个中间阶段,黑洞也在变化,甚至有些变化异常激烈.黑洞可以发光,放热,甚至爆炸.黑洞不是死亡之星,甚至充满生机.黑洞是相对论的产物,却超出了相对论的范围,与量子论和热力学之间存在深刻的联系.由天体演化形成的黑洞称为常规黑洞.
1972年,美国普林斯顿大学青年研究生贝肯斯坦提出黑洞"无毛定理":星体坍缩成黑洞后,只剩下质量,角动量,电荷三个基本守恒量继续起作用.其他一切因素("毛发")都在进入黑洞后消失了.这一定理后来由霍金等四人严格证明.
由此定理可将黑洞分为四类.(1)不旋转不带电荷的黑洞.它的时空结构于1916年由施瓦西求出称施瓦西黑洞.(2)不旋转带电黑洞,称R-N黑洞.时空结构于1916-1918年由Reissner和Nordstrom求出.(3)旋转不带电黑洞,称克尔黑洞.时空结构由克尔于1963年求出.(4)一般黑洞,称克尔-纽曼黑洞.时空结构于1965年由纽曼求出.
其中最重要的是施瓦西黑洞和克尔黑洞.因为黑洞一般不带电荷,却大都高速旋转,旋转一周只需千分之几秒甚至更小.一般来说,黑洞平均密度是非常大的,但黑洞质量越大密度越小.太阳质量的黑洞密度为100亿吨/立方厘米,宇宙质量的黑洞密度却只有10^(-23)克/立方米数量级与现在宇宙密度已相差不大,因此有人猜测宇宙可能是个黑洞也不无道理.
黑洞引出了奇点困难,体积为零,密度无穷大的数学奇点应该不会在物理界出现,但是自然界中实在找不到其它的力可以抵抗强大的引力,因此,在奇点附近有可能存在至今未被发现的相互作用或物理定律阻止奇点的形成,这也是研究黑洞的意义之一.
 楼主| 发表于 2006-12-26 22:02:36 | 显示全部楼层
晶体结构
在通常状态下,物质有气、液、固三态,而固态物质有一定的形状,因此固体内的粒子有可能具有特定的排列方式。一般将内部粒子具有整齐有规律排列的固体称为晶体。晶体可分为粒子晶体、原子晶体、分子晶体和金属晶体四类。要了解晶体,首先要了解粒子间的相互作用。粒子间相互作用除化学键外,统称为分子间作用力,一般分为色散力、取向力、诱导力,对某些特殊分子如H2O、NH3、HF、DNA等还存在氢键,粒子的这些相互作用决定了它们存在的状态。例如,水分子间如果不存在氢键,常温下的水一定是气态的。氢键的作用强度介于化学键和分子力之间,对物质的性质有决定性影响。通常情况下,色散力比取向力和诱导力大,且随分子量增大而增大,因此大分子物质常温下一般是液态或固态的。在低温下,除液氦之外,自然界中的所有纯物质都有可能形成晶体。
晶体有整齐规则的外形,有些晶体表面看来并不规则,但是在显微镜下却仍有规则的外形(多晶)。因生长条件的不同,晶体可能会有不同的大小和形状,但是各晶面之间的夹角(面角)却总是一定的,这一规律叫做“面角守恒定律”,是晶体的固有特征之一。晶体一般存在各向异性,即晶体在不同方向上的传热、导电、光的折射等物理性质不同。例如,云母在不同方向上的强度很不相同,石墨在不同方向上的导电能力也大不一样。晶体在固定的压力下有固定的熔点,这些特征与晶体结构密切相关。
晶体粒子在空间中有规则的排列,这些点的总和叫做晶格,任何晶格都可以看作某个最小部分在三维空间中无限重复的产物,这一最小部分叫做晶胞。由晶胞的特征可以将晶体分为七个晶系:立方晶系、四方晶系、六方晶系、菱形晶系、斜方晶系、单斜晶系、三斜晶系。
典型的粒子晶体是食盐NaCl,在食盐晶体中,根本不存在NaCl分子,它是由Na+和Cl-离子交替排列,通过静电引力(离子键)结合而成的。由于在所有相互作用中,化学键的强度最高,故离子晶体有较高的熔点和硬度,粒子只能在平衡点附近振动,因此不能导电,但是在熔融后可以存在自有离子,就可以有很好的导电性。原子晶体的典型代表是钻石(C)和水晶(SiO2),中性原子间以很强的共价键结合,因此硬度和熔点都很高,导电性即使在熔融时也很差。冰、固态的O2、CO2等都是分子晶体,它们通过较弱的氢键或分子力结合,因此熔点都比较低,硬度也较小,不易导电。在分子晶体中存在着一个个的小分子,分子内是化学键,分子间是分子力,可能还会有氢键。自然界中除离子键和共价键外,还存在第三种化学键:金属键。整块金属的晶格由带正电的离子组成,沉浸在自由电子的海洋里,自由电子属于整块晶体,它们不但抵消掉了正离子晶格间的库仑排斥,而且还有剩余。由于自由电子的存在,金属有很多非常独特的性质:良好的导电性、导热性、延展性等,由于自由电子和光子的相互作用,导致绝大部分金属表面都有一种特有的银白色光泽。又因为金属键属于化学键,其强度很高,因此金属硬度和熔点都很高。
我们知道,非晶体内部粒子的排列毫无规律,杂乱无章,因此它与晶体有很多重要区别,例如非晶体没有规则的外形,物理性质如导电、导热、光的传播等都是各向同性的,没有固定的熔点。但晶体和非晶体之间并没有明确的、不可逾越的界限。事实上,同一物质在不同条件下可以形成晶体,也可以形成非晶体。如SiO2(石英)可以形成非晶体石英玻璃、燧石等,也可以形成晶体水晶。即使是传统的非晶体如橡胶、玻璃等,在适当的条件下也可以晶体化。
晶体的热容问题是一个经典热力学无法解释的现象。应用经典理论可以得到晶体的比热为3R,符合在高温实验中总结出的杜隆-玻蒂定律,但是经典力学得到的热容是常数,与温度无关,而实验事实却是热容随温度降低而下降,当温度趋向绝对零度时,热容趋向零。爱因斯坦应用量子力学得到了一个与实验定性符合的公式,但由于引入的假设过于简单,理论与实验并不能严格的符合。德拜在此基础上将爱因斯坦假设的将晶体看作N个3维谐振子改为3N个1维谐振子,得到了固体热容的德拜理论,与实验符合的很好。
 楼主| 发表于 2006-12-26 22:03:14 | 显示全部楼层
价键理论
19世纪下半叶,热力学的理论已经基本确立起来了,科学界存在两种截然不同的观点,一派以马赫和奥斯特瓦尔德为代表,坚持实证论,只承认从宏观现象总结出的热力学四定律和它的推论,反对原子论,对任何从微观机制探讨宏观现象的企图都嗤之以鼻,提出了唯能论的观点,并认为分子和原子不能直接观测(实际上现在我们已经可以很轻易的用扫描隧道显微镜看到原子了),因此研究分子运动是不切实际的空想。另一派以玻尔兹曼为代表,致力于探讨热力学背后的微观机制,从而创立了统计力学这一物理分支,当时对统计力学做出突出贡献的还有麦克斯韦和吉布斯。两派陷入了长期的争论之中,结局令人惋惜,玻尔兹曼最终于1906年**。更令人惋惜的是,就在1905年,爱因斯坦已经发表了关于布朗运动的划时代论文,佩林后来依据这一理论利用实验第一次得到了阿伏伽德罗常数(佩林也因此获得了诺贝尔奖),原子不可观测的神话终于被打破了。原子论最坚决的反对者奥斯特瓦尔德也因此于1908年放弃了唯能论,并承认原子论。1913年,玻尔发表了他的氢原子三部曲,物理学从此开始了对原子结构的探索。经过科学家门的努力,化学的基础:元素周期表得到了合理的解释。那么下一个摆在科学家面前的问题就是:原子如何结合成分子。
化学家将分子中原子间的强烈的吸引作用称作化学键,然而要认真的回答化学键的本质是什么,还真不是那么容易。最早的化学键学说是静电学说,即原子依爱科技爱生活电荷的库仑引力而结合成物质。这一理论可以解释像食盐那样的离子型化合物的结构,因此这类化学键叫做离子键。然而像氢气、氧气、氯化氢这样的简单分子,静电理论却无法解释,也就是说,静电学说无法解释共价键。路易斯依据旧量子理论提出了“电子对”理论,他认为共价键是依爱科技爱生活共用电子对来实现的。实际上,“共用电子对”这一概念也仅仅是一个形象的,用来帮助理解的概念。要理解共价键最简单的方法是从能的角度而不是从力的角度来考虑。分子服从一个基本原理,即能量最小原理,也就是说,能量越低,分子越稳定,自然也越容易生成。30年代,鲍林提出了共振论,解释了大量有机、无机分子的结构及稳定性等问题,对共价键本质的研究也做出了重要贡献,因此获得了诺贝尔化学奖(他还是和平奖得主)。
我们来看一看氢原子究竟如何结合成氢分子:两个原子彼此爱科技爱生活近时,他们各自的波函数在空间中会有重叠的区域,由于波函数的模方是电子出现的概率密度,也可以理解为两个原子的电子云有重叠的区域。由全同公设可知,处在重叠区域的电子无法区分它属于哪个原子。量子力学的计算表明,重叠区域存在一种特殊的能量,名为交换能。若两个电子自旋方向相同,则交换能为正;自旋相反,则交换能为负。可以通俗的理解为,若电子是同自旋的,两原子间会出现一种等效的排斥作用;若电子反自旋,则会出现等效的吸引作用。而这种作用完全来自全同粒子的不可区分性,是一种纯量子效应,没有经典对应。反自旋电子的等效吸引作用的结果就是导致两个原子结合成一个氢分子。共价键的本质就是全同电子在电子云的重叠区域的交换效应,与自旋紧密相关。由以上分析可知,自然界氢分子中的两个电子一定是反自旋的,因为如果同自旋,它们之间就不是吸引作用,而是排斥作用了。由物质的磁性分析可以证明,氢分子中的电子的确是反自旋的。
为什么我们要用能,而不是用力去分析共价键呢?原来在分子的各原子间存在着各种类型的相互作用,有静电力、交换力、电子转移等,而且力是矢量,分析起来是极为复杂的,远不如用能量分析来的简单,但是用力去分析共价键也并不是不可能的事情。
30年代中期,费曼和海尔曼同时独立的建立了多原子体系中作用于核上的力的一般规则,就是后来的费曼-海尔曼定理。在此基础上,可以用力的观点来讨论双原子分子中化学键的形成条件,给出化学键更直观的物理模型。后来推广应用于多原子分子中键力的分析,并对分子间作用力和化学反应等问题做出了统一的处理。
价键理论在解释分子结构中获得了巨大的成功,然而如同许多现象用经典理论无法解释一样,价键理论也有无法解释的现象,这并不是它的基础:量子力学错了,而是为了避免天文数字的计算量,而引入了一些假设或近似,从而使理论与实验有一些偏离。比如氧气分子,按价键理论它应该是抗磁性的,但实验表明,氧气是一种典型的顺磁气体。还有,两个质子和一个电子能否组成稳定离子这个问题,由于系统只有一个电子,价键理论根本无从分析,然而实验表明这种离子的确是稳定存在的。
1932年,莫里根和洪特提出了分子轨道理论,将分子看作一个整体,电子并不是属于某个原子,而是所有电子属于整个分子,电子按照能级大小和泡利原理重新排布。这一理论解释了价键理论无法解释的许多现象,因此是一个更成功的理论。但价键理论以其简单的结构和直观的物理图像还大受欢迎,因此价键理论还是有很重要的价值的。
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