冯大诚的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/fdc1947 交流思想 交流文化

博文

轨道和原子轨道 精选

已有 5905 次阅读 2017-2-27 08:17 |个人分类:科教与社会|系统分类:科普集锦| 量子力学, 轨道, 交通, 原子轨道

轨道和原子轨道

对于现今中国的许多城市居民来说,轨道是一个几乎天天要遇到的东西,他们每天凭借轨道交通工具上下班。地铁、“轻轨”、有轨电车等等都是轨道交通工具,它们都在轨道上行进。

轮子的发明可能是人类历史上最重要的发明之一,有了轮,才有了车。有了轮子的转动,物体的平动就变得容易了许多。

轨就是车下左右两轮之间的空间,引申为两个轮子之间的距离。所谓车同轨,就是把马车的宽度加以规范化。由于车同轨,那么古代国家“公路”的宽度也才可以有了标准。在古代的道路上,车总是要压出车辙来的,后车顺着前面的车辙行进,也就可以行走得更好些,这样的车辙也被称为轨。《孟子》说:“城门之轨,两马之力与?”(城门下的车辙那么深,是一二匹马的力量所造成的吗)顺着前面的车辙走,那便是“轨道”。这里的轨字也可以作动词,所谓轨道就是依循道路。当然,轨也可以作名词,往往等同于车辙,也等同于车迹,于是就有了后世的“轨迹”。

轨道是依循道路的意思,而这里的“道”又可以向两个方面引申。

一个方面是礼仪和法度。如《汉书·礼乐志》中记载,贾谊说“汉兴至今二十余年,宜定制度,兴礼乐,然后诸侯轨道,百姓素朴,狱讼衰息。”这里的诸侯轨道就是说诸侯遵守法制,像后车依循前车之辙。在这个意义上再引申,我们现在有了“生产逐步走上了轨道”、“工作纳入了某某计划的轨道”之类的说法。

另一个方面就是向空间引申,指天体运行之道。像《史记·天官书》的“月、五星顺入,轨道”,就是指月和五星依循它们应当运行的“道路”。当然,轨、轨道也可作名词,循轨就是依循轨道。《淮南子·本经训》:“四时不失其叙,风雨不降其虐,日月淑清而扬光,五星循轨而不失其行。”《后汉书·郎顗传》:“天文昭烂,星辰显列,五纬循轨,四时和睦。”

中国古人以为太阳是乘车在天上运行的。中国神话传说中的太阳车由六条龙来拉的。《淮南子》的注说“日乘车,驾以六龙,羲和御之。”屈原《离骚》中著名的诗句“欲少留此灵琐兮,日忽忽其将暮。吾令羲和弭节兮,望崦嵫而勿迫。路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索”,其中的羲和就是这位驾御太阳车的人,屈原让他赶车慢点儿,因为自己前面要走的路还很远。李白在《蜀道难》中说蜀道“上有六龙回日之高标”。既然是用车拉,那么,太阳有“轨道”也就是很自然的事情了。——当然,这只是随便一说罢了,并不表示历史的上的人们真的就是因为太阳有车才称为太阳有它们的轨道。

很有意思的事情是,中国人和古希腊人都以为太阳是乘车在天上运行的。希腊神话中的太阳车是有四匹马拉的。有名的太阳神是阿波罗,他放纵他的儿子法厄同驾驶太阳车结果闯了大祸是西方著名的神话故事。中国神话传说中的太阳车则由六条龙来拉。不知道这是古代东西方交流的结果,还是各自独立想出来的神话。——这是闲话,与主题没有什么关系,只是随便扯一下。

古人不知道是地球绕太阳运行,只以为天是圆的,日月星辰都在天上运行,因而各有其轨道。这是轨道的引申义。

这样,到了近代,我们用“轨道”来翻译英语中天体运行的orbit,就是一件很自然的事情。例如地球绕太阳运行,是一个椭圆形轨道,称地球轨道(earths orbit),月亮绕地球运行,就有月球轨道(lunar orbit),如此等等。

Orb是球形体,orbit表示天体的轨道。这些词,人们已经用了很多年。

到了19世纪与20世纪之交,人们发现组成我们物质世界的原子,是由原子核和电子构成的,而著名的卢瑟福实验又证明,带正电荷的原子核只占原子体积的极小一部分,就像太阳只占整个太阳系空间的很小一部分一样。于是人们提出了与太阳系相类似的原子模型,原子核就如同太阳,核外的电子就好象围绕太阳运行的行星。

但是,根据经典电磁学,带负电荷的电子在带正电荷的原子核外高速运动,一定会辐射出电磁波,从而这样的原子不可能稳定存在。为了说明这个与经典电磁学相违背的事实,人们提出了新的理论,即电子只能在某些特定的轨道上运行,此时不辐射出电磁波,只有在具有不同能量的轨道之间“迁徙”时,才需要吸收或发射出特定能量的电磁波。这就开创了“量子力学”的先河。

人们把电子围绕原子核旋转的这些特定的“轨道”称为“原子轨道”。这个词容易发生误会,前面我们说了,地球绕太阳运行的轨道称地球轨道,那是地球的运行轨迹。同样,月球绕地球的运行轨迹称月球轨道。但是,原子轨道并不是原子的运行轨迹,而是原子中电子运行的轨迹。

这样的“类太阳系原子模型理论”成功地解释只有一个电子的氢原子的光谱,但是,却不能解释其他原子的光谱。又经过了十几年的努力,人们终于提出了微观世界物质运动应当服从的运动方程,建立了量子力学的理论。量子力学是解释微观世界物质运动的理论,是20世纪最重要科学理论之一。

根据量子力学,电子在原子核外运动,并不能确定某一时刻电子的确切位置。在这里,电子的位置不是一个用来描述电子状态的好的物理量,这是微观世界与宏观世界的根本差别之一。所以,所谓“原子轨道”并不是一条条可以画得出来的轨迹线,而只表示具有一定能量的电子所处的状态。为了让学生牢记这个道理,我常常套用《金刚经》里面的一个常用的句式:“所谓原子轨道,即非轨道,是名轨道”。(《金刚经》里常有如来说世界,即非世界,是名世界。”如来说庄严佛土者,即非庄严,是名庄严。”这样的句式。)我这样说,只是一个套用句式,并无《金刚经》中“空”这样的宗教、哲学含义,只是让大家认识到,所谓原子轨道,只是一个历史上遗留下来的名称,与列车轨道、地球轨道等都不是一回事,实际上是没有“轨道”,只表示原子所处的状态。

但是,历史的名称和图像是有巨大意义的。原子的类太阳系模型开了一个好头,它破掉了经典电磁学的束缚,开创了20世纪物理学的新局面。由于量子力学的诞生,产生了原子能利用、激光等新技术、引起了电子技术的革命性变革,它奠定了现代化学的理论基础,使生物学走向了研究微观机理的新天地。所以,这个不是轨道的轨道图像仍然一直被我们所应有,甚至常常成了现代科学技术的标志。



http://blog.sciencenet.cn/blog-612874-1036327.html

上一篇:抢时间、说事实、唤起羞恶之心和立规矩
下一篇:闲说吃青蛙的故事

18 武夷山 尤明庆 张江敏 韦玉程 黄永义 张云 郑永军 鲍海飞 徐令予 苏德辰 李学宽 董焱章 刘建彬 王安良 李伟钢 loujinshan aliala yangb919

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (37 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2021-4-14 13:53

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部