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一代天骄波尔兹曼(Boltzmann)与统计物理(13)

已有 4493 次阅读 2014-2-26 20:16 |系统分类:科普集锦

话说当年波尔兹曼见了原子论这宝贝,大喜忘形,信手拈来,把这金箍棒日夜玩耍,恨不得睡觉都抱着。把新娘子也冷落了许多。少不得回头又指天画地对娇妻发誓。这誓言的真假,看那生出的小猴子的数量就知道了。

猴王另一个真正的誓言是统一力学与热力学两个王国。不过匆忙之中,这猴头并没察觉到那金箍棒子还很粗糙。比在古希腊先哲德谟克利特(Democritus)老夫子手里时漂亮不了多少。大体不过是说世间物质由原子构成。但说不清楚原子是什么样子,有多少种,有多大,怎么能粘到一起,如何构成不同的物质,又怎么分开,怎么运动等等。

猴王不管这些,拿起来顺手抡起来生风就行。管它是什么粒子,长什么模样,反正我知道它们很小。很小,就是质点,遵守牛顿力学。很小,就说明它们在宏观物体里数量极大。这数量一大,肯定乱套。这一乱,必有空子可钻。这空子之一就是几率的概念。确确实实,粒子太多,不能给它们一个个登记注册,一个个解牛顿方程,就是说没法知道每个粒子的运动轨迹,不能精确地说出某个粒子在某个时刻是什么状态(位置和速度)。那好,大丈夫能屈能伸,退一步讲,我不搞力学了。我不想知道某个粒子在某个时刻是处在什么状态。反正给定一个物理体系就有那么多状态,我只想知道某个时刻某个状态上有可能有多少粒子,由此可以算出很多粒子的整体行为特性。我这叫做统计力学。一提统计二字,就用到几率了。波猴王就这样把几率引入到力学里来,在混沌中钻来钻去。那边天兵天将打开天罗地网,堵来堵去,不亦乐乎,暂且不提。

现在回头再讲讲原子的故事吧。且说波猴头粗心,忙乱之中,不曾留意那棒子的习习光芒,直射牛斗,惊醒了一批天神。于是在统计力学的铁马冰河之外,又引出一串惊天动地的故事来。惊得普天之下,人们至今还在发懵!

汤姆逊(Joseph Thomson)

这众神都不是等闲之辈。各自潜下心来,对着那光芒,翻来覆去地琢磨。一会加个磁场试试,一会加个电场,一会放在真空里看看,一会放在气体里瞧瞧。原来那光芒叫阴极辐射。就是玻璃管里装上有一定距离的阴阳两个电极。加上电压,阴极会放出一种物质,常常显示为一种光亮,往阳极跑,在磁场里还能拐弯。说明这物质带负电。到了1897年,众神中一个叫汤姆逊的(Joseph Thomson),在英国剑桥大学修道,发现阴极辐射由一种极小的粒子构成。无论用什么金属做阴极,这粒子都一样。说明不同物质里都有这个小宝贝。这宝贝比氢原子还小一千多倍,带负电,后来叫电子,或负电子。众神见此仙丹,大喜过望,又一顿忙活,终于明白这小东西原来是从原子里跑出来的,是原子的组成部分。哈哈,原来原子是由更小的电子构成的吗?这还了得!反了先哲德谟克利特(Democritus)的古训,德老夫子命名的原子这个词(atomos)是不可切割的意思。这下可捅了天大的娄子。如何是好。众神不傻,都知道如果一块物质是中性不带电的,那么它的单元也应该是中性的。而溜溜达达跑出单元的这个小仙丹带负电,就是说原子里还有其他东西带正电。是什么鬼东西?是另一种带正电的小仙丹吗?和电子差不多一样大吗?不可能。就拿氢原子为例,正电部分比电子重一千多倍。如果是个小仙丹,和电子纠缠在一起,两个仙丹之间的距离可能很小,使得静电引力过大,粘在一起分不开。如此一来,氢原子就会比估计的尺寸小得太多。也无法解释为什么在阴阳电极上加一点电压给一点正能量就有一群群小仙丹逃离巨大的引力滚落出来。那好,假设带正电的部分是个大球吧,和原子体积一样大,表面光滑可爱,电子们都像小虱子趴在上面,总可以吧。如果那个大球是导体,正电荷就会分布在表面上。如果不是导体,可以想象正电荷均匀分布在球体里面。众神听了将信将疑,怎么这物理学搞到这份上就像汤太太Rose做布丁面包似的?把电子当葡萄干。少了多加些,多了挤出来几个,太甜了加点苹果醋,太酸了加点糖。。。大家哂笑不已,一哄而散不提。这众神中有一位新西兰出道的小仙,就喜欢吃布丁,人称卢瑟福(Ernest Rutherford)

葡萄干布丁面包(Thomson’s Pudding model

 




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