开户送38体验金不限id_注册即领取38元体验金[登录注册]

注册即领取38元体验金 蜗品开户送38体验金不限id、科力恩开户送38体验金不限id将给家庭保健与预防带来革命性影响!

注册即领取38元体验金 > 氢分子生物医学>>冯大诚说氢气:氢原子光谱与波函数

冯大诚说氢气:氢原子光谱与波函数

来源:冯大诚 编辑:James&Ani 时间:2018-12-28 10:37:42

导读:1、太阳中,从化学组成来看,氢元素的质量据说就占了75%;2、各元素有它自己的特征光谱线;3、28岁的天才物理学家波尔成功地解释了氢原子的光谱;4、薛定谔方程:氢原子的波函数。

冯大诚说氢气:氢原子光谱与波函数

原文标题:杂说这个小个子(2)由小个子引起的大革命,配图来源于网络。

■太阳中,从化学组成来看,氢元素的质量据说就占了75%

氢是我们身体最主要的组成部分之一,从原子个数来说,是我们人体中最多的原子。有人统计过,在小儿的身上,按原子个数来数,排在排在前六位的化学元素是氢、氧、碳、氮、钙和磷,它们之间的原子个数比例是375:132:85.7:6.4:1.5:1,剩下的硫、钠、钾、氯、镁、硅、铁等元素加起来不到0.8。也就是说,氢原子的数量占了人体原子总数的62%,是其他原子总和的1.6倍还多。

氢也是地壳中最主要的元素之一,从质量的比例来说,氢在所有的元素中排名第10。按地表1公里深浅的范围来说,氢原子的质量占总质量的1%,但是,按原子个数来说,却占全部总数的15.4%。“小个子”虽然不压秤,数量却多。

氢元素在已经知道的宇宙物质中,无论从质量还是原子数量上说,毫无疑问都是占绝对第一的。不过,我不大懂宇宙,据说还有这么多物质和能量(暗物质和暗能量)搞不清楚,所以先不去说它。只说在太阳中,从化学组成来看,氢元素的质量据说就占了75%,剩下的几乎都是氦,而氧、碳、氖、铁和其他的重元素质量加起来不到2%。

有人会问,人体的氢元素可以测量,地壳里的氢元素的含量,也可以抽样统计,太阳中的氢元素含量,是怎么知道的?我们从来没有也不可能到太阳上面去。

我们确实不可能去太阳,但是,却每时每刻收到从太阳发出的辐射,特别是太阳光,我们就是从这些光线中得知了太阳组成的信息。

■各元素有它自己的特征光谱线

大家都知道,阳光通过棱镜能够分解为从红色到紫色的各色彩带,换句话说,这是由不同频率的光组成的连续光谱。当然,不光是太阳光,其他物体在高温下也能够发光,而且,在通过棱镜后,也能够分解成各自的光谱。低压下稀薄的高温气体,在棱镜下会分解成一些分立的明亮条纹。同种化学元素产生的分立条纹总是相同的,而不同化学元素产生的分立明亮条纹的位置则是不同的。这些条纹称为该元素的发射光谱。而光线透过低温的气体,则会在连续光谱中产生一些分立的暗线,这些暗线的位置与上面所说低压下稀薄气体产生的明亮条纹位置相同,也是这种元素的光谱,不过称为吸收光谱。当然,真要很好地得到这些光谱的谱线,并不是用棱镜那么简单的事情,但是其原理是一样的。

由于各元素有它自己的特征光谱线,我们就可以用这些光谱线来识别这些化学元素。例如,在19世纪末到20世纪初,人们就陆续发现了氢原子光谱的六个谱系,也就是氢原子所发出光的若干特定频率。这是区别于其他的原子的光谱,据此,就可以判定发光物质中氢原子的存在。

同时,人们发现,发光物质中某种原子的浓度与它们的谱线的强度相关。也就是说,发光物质中某一种元素越多,它的特征谱线就越强。这样,我们就可以估计出在发光物质中各种化学元素量的相对比例。就是用这种光谱分析的方法,人们得到了在太阳中各种物质的相对比例。

顺便还可以说一下,在分析太阳光的光谱时,人们发现了有些谱线是当时人们所知道的元素所未知的。人们推测,这可能是一种还没有发现的元素,后来,人们在地球上也找到了这种元素,那就是第二号元素氦,这是一个惰性气体。氦在西方语言中,例如英语的helium,名称来自希腊语,是太阳的意思。

冯大诚说氢气:氢原子光谱与波函数

■28岁的天才物理学家波尔成功地解释了氢原子的光谱

人们还要问,为什么原子会发出这些特定频率的光线呢?特别地说,为什么氢原子会发出这六个谱系中这些频率的光呢?这在20世纪初确实是一个大问题。当时人们发现了元素周期表,那是按照量子量的相对大小来排列的,但是,为什么能够按照原子量大小排列的元素能够显示出元素性质的周期性,人们也不清楚。因为当时人们还不清楚原子到底是什么,不知道它们的组成,更不知道它们的结构。人们只知道氢原子是最轻的从而可能也应当是最简单原子,这样,解开原子结构的秘密当然也要从氢原子开始。

备注:氢原子是最轻的,个子也是最小的,所以开户送38体验金不限id制氢后的氢水浓度虽然小,但是却有数量很巨大的氢分子存在,而且氢分子的渗透力很强大,这也是氢气能够对人体起作用的物理特性。

1897年,英国物理学家汤姆生发现了电子。人们发现所有原子中都有这种带负电荷的成分。既然原子中有带负电荷的电子,那也一定有带有正电荷的物质,这样原子才可能呈电中性。1911年卢瑟福发现,带有正电荷的物质比原子小得多,但是质量却大得多。他提出来类似太阳系那样的原子模型,即,带正电荷的原子核处在原子的中心,带负电荷的电子像地球绕太阳旋转那样围绕原子核运动。但是,人们知道,这样的模型显然是不符合当时的物理学理论的。如果氢原子有一个电子绕着到正电荷的原子核运动,它必定会发出电磁波,这种能量的损耗将使电子很快离原子核越来越近,迅速撞到原子核上,因而这样的原子不可能稳定存在。

1913年,28岁的天才物理学家玻尔把普朗克和爱因斯坦关于量子的新假设用到卢瑟福的类太阳系原子模型上,成功地解释了氢原子的光谱。他提出,氢原子核外的电子只能在某些特定的轨道上运动,这时电子既不发射也不吸收能量。当电子恰好吸收一定频率的电磁波时(光波就是一种电磁波,而且根据在那不久前爱因斯坦的理论,一定频率的波就具有一定的能量),能够从靠近原子核的轨道“跃迁”到较远的轨道上去。当电子从离原子核较远的轨道“跃迁”到较近的轨道时,就会发射出一定的频率的电磁波。这样的假设当然是革命性的,它不符合传统的力学和电磁学。

由于波尔提出的这些电子运动的轨道之间的能量差是不连续的,也就是所谓量子化的(这里量子化的意思是一份一份的,像数学上从0一下子跳到1,或者一下子从0跳到2,而不是从0慢慢地多一点多一点变到1,又多一点多一点变成2),这样的结果就与光谱上分立而不连续的谱线对上了。

但是,波尔的量子化的原子模型在解释氦原子光谱的时候就失败了。因为他假设的原子轨道还是在宏观中常见的用确定位置和动量来说明的。而实际上,在原子这种微观体系中,电子的位置已经不是用来描述体系状态的合适的物理量,这是微观体系与宏观体系的最大差别之一。而我们人类生活在宏观世界中,到20世纪初为止,我们的一切经验都来自于宏观世界。这样,我们在面临微观世界的时候,就需要寻找适合于微观世界的规律。到1925~1927年期间,人们终于找到了微观粒子所服从的运动规律,这就是量子力学。就像宏观世界的物体运动要符合牛顿定律所确定的运动方程一样,微观粒子也服从它所适合的方程,这就是薛定谔方程。

冯大诚说氢气:氢原子光谱与波函数

■薛定谔方程:氢原子的波函数

氢原子体系的薛定谔方程能够严格的解出,得到描述氢原子运动的状态,也就是氢原子的波函数。对于多电子原子,如果忽略电子与电子之间的相互作用,那么就粗略地认为这些电子处于类似于氢原子那样的原子轨道中。这样,人们就能够用各种近似计算方法,得到这些原子的足够精确的波函数,从而解释清楚它们的原子光谱以及其他种种的物理及化学性质。人们也知道了,化学元素的各种性质,正是各原子中电子所处的状态所确定的。这样,人们就能够更加深刻地理解元素周期表以及由此表达的化学元素性质的周期性规律。

这样,波尔的原子模型,只经过了短短的十多年光景,就被更符合实际情况的量子力学模型所取代。人们把玻尔的原子模型称为“旧量子论模型”。旧量子论很快被量子力学所取代,这反映了现代科学发展的迅速程度。虽然旧量子论很快地过时了,但是,由于它是在宏观的经典力学基础上加以改进而提出来的,它的直观且适合人们习惯思维的概念,给人们留下了极深刻的影响。

例如,当人们理解电子围绕原子核运动的时候,总是会想起来地球围绕太阳旋转,某月某日,地球到达春分点,某月某日,到达夏至点,如此等等,地球的行进轨迹形成一条“轨道”。

01.jpg

因此,人们想象中的原子模型往往是这样的:

02.jpg

这正是玻尔的旧量子论原子模型,几十年来,人们总是把它作为原子时代甚至是现代科学的标志。然而,实际上电子绕原子核运动却没有这样的轨道,因为,根据量子力学,人们不可能知道在某一时刻电子在什么确切位置。人们根据波函数只能知道在该时刻电子出现在某处的概率。因此,用量子力学方法所确定的所谓原子轨道只仅仅是沿用了旧量子论中的术语罢了。

现在我们知道了,量子力学是人类在20世纪所取得的最伟大的科学进展,量子力学的概念以及由此为理论基础发展出来的技术革新使得20世纪所取得科技成就超过了有史以来人类科技成就的总和。而这场伟大的革命的起始之一,就是研究和解释氢原子这个“小个子”的性质。

 转载本文请联系原作者获取授权,同时请注明本文来自冯大诚科学网博客。

链接地址:http://blog.sciencenet.cn/blog-612874-1153925.html 

标签:氢燃料电池   原理  专家学者

注册即领取38元体验金品牌推荐(自己家人朋友都再用的,经过检验的)

蜗品开户送38体验金不限id怎么样,她的极致端庄与典雅令人窒息

水轻轻水素水杯好吗:女生们的那些烦恼

科力恩氢气呼吸机原理、参数、使用方法

★开户送38体验金不限id相关书籍

巴特曼博士:水是最好的药

水是最好的药Ⅲ

开户送38体验金不限id:世上最伟大的健康发现《水这样喝可以治病》

水与健康

★开户送38体验金不限id治疗癌症相关书籍

氢气控癌:理论和实践

徐克成:与癌共存

徐克成:践行中国式控癌

癌症新知:科学终结恐慌

★开户送38体验金不限id开户送38体验金不限id图片欣赏

蜗品氢popo商务E款

蜗品氢popo商务E款开户送38体验金不限id

 

蜗品氢POPO开户送38体验金不限id

蜗品氢POPO开户送38体验金不限id经典款

 

科力恩纯氢开户送38体验金不限id

科力恩纯氢开户送38体验金不限id

Baidu
sogou