精细结构常数测量依然扑朔迷离.docx
《精细结构常数测量依然扑朔迷离.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《精细结构常数测量依然扑朔迷离.docx(21页珍藏版)》请在启牛文库网上搜索。
1、第五十一章:精细结构常数测量,依然扑朔迷离!如果你对这个世界充满爱,那么这个星球的阳光的就一定比另一个星球暖和。如果你对这个世界充满好奇,那么这么世界将无奇不有。我今天要给你介绍的精细结构常数,就是非常值得你好奇的一个东西。你可能第一次听到这个词,但起码你现在听到了这个词,值得开心。那么什么是精细结构常数呢?为什么要测量精细结构常数呢?有什么意义? 一起来看看吧。精细结构常数是物理学中一个重要的无量纲量,常用希腊字母表示,精细结构指的是原子物理学中原子谱线分裂的样式。各位,先别急着往下看了,注意一个词“无量纲量”。这个信息相当重要。我曾经在变化分析过无量纲量。这个概念是什么意思呢?就是在量纲分
2、析中,无量纲量,或称无因次量、无维量,指的是没有量纲的量。它是个单纯的数字,量纲为1。无量纲量在数学、物理学、工程学、经济学以及日常生活中(如数数)被广泛使用。一些广为人知的无量纲量包括圆周率()、欧拉常数(e)和黄金分割率()等。与之相对的是有量纲量,拥有诸如长度、面积、时间,速度等单位。无量纲量常写作两个有量纲量之积或比,但其最终的纲量互相消除后会得出无量纲量。比如,应变是量度形变的量,定义为长度差与原先长度之比。但由于两者的量纲均为L(长度),因此相除后得出的量是没有量纲的。举一个例子:圆周率是个无量纲量,定义为圆周长与直径之比。该数值无论在用什么单位量度这些长度时(厘米、英里、光年等等
3、)都会是相同的,只要周长和直径以同样的单位量度。强调这个是要告诉大家什么呢? 无量纲量常数出现的时候,一定要有“广域”思维,也就是这个东西不受“纲量”限制,那么它作用和代入范围就有无限可能。而我们现在要介绍的这个精细结构常数,就是这样的一个常数,它在宇宙中是普遍常用的。所以说它是宇宙中的大谜题。那么还有哪些常量,一起来看看吧。如果图片看不清,可以看看下图中不带公式的表格。为什么给大家把这个表找出来,贴在这里。因为每一个常数都是先辈们对这个世界的探索。而且每一个常数之间不会是孤立的。有待于我们去探索和研究。对于专业学院的,肯定会用到。接着我们的标题精细结构常数来讲。精细结构常数的定义是这样的:精
4、细结构常数,是物理学中一个重要的无量纲数,常用希腊字母表示。精细结构常数表示电子在第一玻尔轨道上的运动速度和真空中光速的比值,计算公式为 =e2/(40c)(其中e是电子的电荷,0 是真空介电常数, 是约化普朗克常数,c 是真空中的光速)。先来了解一下精细结构常数的历史吧,大多数普通的我们知道的少。早在1664年,牛顿就发现一束细小的太阳光在通过三棱镜后会分解成像彩虹般的连续光带。牛顿把这种彩色的光带叫做光谱。到19世纪初,英国物理学家威廉渥拉斯顿(William Wollaston)发现,太阳光的连续光谱带其实并不是真正连续的,而是带有许许许多多的暗线条。以后德国物理学家约瑟夫冯福隆霍弗(J
5、osheph von Fraunhoffer)进一步精确记录了数百条这种暗线的位置。1859年德国物理学家古斯塔夫罗伯特克基霍夫(Gustav R. Kirchhoff)又发现,把某些物质放在火焰中灼烧时,火焰会呈现特定的颜色。如果把这种色光也用三棱镜进行分解,就会发现它的光谱仅由几条特定的亮线条组成,而这些亮线条的位置与太阳光谱中暗线条的位置完全重合。克基霍夫据此断定,这些光谱线的位置是组成物质的原子的基本性质。基于这一原理,他在1861与德国化学家罗伯特本生(Robert Bunsen)合作,第一次对太阳大气的化学组成进行了系统化的研究。这些光谱中暗线和亮线,现在被称为原子吸收光谱和发射光
6、谱。利用光谱知识来确定物质的化学组成的方法,也发展成了一门重要的学科光谱分析学。第一个对氢原子光谱作出成功解释的,是尼尔斯玻尔于1913年发表的氢原子模型。在这个模型中,玻尔大胆地假设,电子只在一些具有特定能量的轨道上绕核作圆周运动,这些特定的能量称为电子的能级。当电子从一个能级跳到另一个能级时,会吸收或发射与能级差相对应的光量子。玻尔从这两个假设出发,成功地解释了氢原子光谱线的分布规律。在玻尔之后,阿诺德索末斐对他的氢原子模型作了几方面的改进。首先,索末斐认为原子核的质量并非无穷大,所以电子并不是绕固定不动的原子核转动,而应该是原子核和电子绕着他们的共同质心转动。其次,电子绕核运行的轨道与行
7、星绕日运行的轨道相似,不必是一个正圆,也可以是椭圆。最后,因为核外电子的运动速度很快,有必要计及质量随速度变化的相对论效应。在经过这样改进之后,索末斐发现电子的轨道能级除了跟原来玻尔模型中的轨道主量子数n有关外,还跟另一个角量子数k有关。对于某个主量子数n,可以取n个不同的角量子数。这些具有相同主量子数但不同角量子数的轨道之间的能级有一个微小的差别。索末斐认为,正是这个微小的差别造成了原子光谱的精细结构。这一点,被随后对氦离子光谱的精确测定所证实。另外,考虑了电子与原子核的相对运动之后,轨道能级的数值也变成了与原子核的质量有关,这也解释了氢原子光谱与氘原子光谱之间的细微差别。在索末斐模型中,不
8、同角量子数的轨道之间的能级差正比于某个无量纲常数的平方。这个常数来源于电子的质量随速度变化的相对论效应。事实上,它就是基态轨道上电子的线速度与光速之比。根据玻尔模型,很容易推算出基态轨道上电子的速度为 v=e2/ (20h).它与光速之比,正是我们前面看到的精细结构常数的公式。因为它首先由索末斐在解释原子光谱的精细结构时出现,所以这个常数被称为(索末斐)精细结构常数。到19世纪下半叶,物理学家们精确地研究了各种元素的光谱,并积累了大量的光谱数据。1891年,麦克尔逊通过更精确的实验发现,原子光谱的每一条谱线,实际上是由两条或多条靠得很近的谱线组成的。这种细微的结构称为光谱线的精细结构。然而,当
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 精细结构 常数 测量 依然 扑朔迷离