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出版者:

作者:Sinha, Alok

出品人:

页数:488

译者:

出版时间:2007-2

价格:$ 131.02

装帧:

isbn号码:9780849392177

丛书系列:

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《微观世界探秘：原子结构与量子现象》 内容提要： 本书深入探讨了物质最基本的组成——原子的结构、性质及其奇妙的量子行为。从卢瑟福的原子模型到玻尔的能级理论，再到更为精确的量子力学模型，我们追溯了科学家们理解微观世界的历程。全书涵盖了原子核的构成、核反应的原理，以及电子在原子轨道中的排布规律。重点解析了光与物质的相互作用，如光谱、光电效应和原子能级的跃迁，揭示了量子世界所特有的概率性、不确定性和波粒二象性。此外，本书还探讨了现代物理学如何利用这些基础知识，构建了激光技术、半导体器件以及核能等尖端科技的理论基石，为读者理解现代物理学的核心概念提供了全面而深刻的视角。 第一章：物质的基石——早期原子理论的演进 本章追溯了人类对“不可分割的微粒”——原子的认识历程。从古希腊哲学家德谟克利特的原子论思想萌芽，到道尔顿基于化学实验提出的原子论，我们首先建立了宏观世界对物质组成的初步认识。随后，重点介绍了发现电子这一关键突破。J.J. 汤姆逊的阴极射线实验，揭示了原子内部存在比原子本身更小的带负电粒子，这直接推翻了“原子不可再分”的传统观点。 紧接着，我们将详细阐述卢瑟福的α粒子散射实验及其划时代的意义。通过分析α粒子穿过金箔的偏转情况，卢瑟福成功构建了行星模型的原子结构——原子核，一个占据极小体积却集中了几乎所有质量的带正电核心。然而，经典的电磁理论无法解释围绕原子核运动的电子为何不辐射能量并最终坠入原子核的问题，这为更深层次的量子革命埋下了伏笔。 第二章：量子化的黎明——玻尔模型与能级概念 面对经典物理学的困境，尼尔斯·玻尔提出了革命性的量子化假设。本章详述了玻尔模型的两个基本 postulat（公设）：电子只能在分立的、特定的轨道上运动，且只有在轨道间跃迁时才吸收或放出特定频率的光子。 通过对氢原子光谱线的成功解释，玻尔模型首次将普朗克的量子概念引入原子结构内部。我们详细分析了玻尔的能级公式，展示了电子能量如何被“量子化”。这一章不仅是原子物理学的里程碑，也为理解原子发射和吸收光谱的离散性奠定了坚实的基础。尽管玻尔模型存在局限性（例如，它无法解释更复杂的原子结构和光谱的精细结构），但它作为过渡理论，成功地将宏观世界的物理定律与微观世界的离散性联系起来。 第三章：电子的本质——波粒二象性与量子力学基础 进入二十世纪二十年代，德布罗意提出了物质波的概念，宣告了对电子本质认识的重大转变：电子不仅具有粒子性，也具有波动性。本章将深入探讨波粒二象性，并通过戴维孙-革末实验等关键实验，证实了电子的衍射现象。 在此基础上，我们引入了海森堡的不确定性原理。该原理指出，我们无法同时精确地测量一个粒子的位置和动量，这种内在的模糊性是微观世界的基本特征，而非测量技术的缺陷。随后，薛定谔方程——量子力学的核心——被引入。我们解析了波函数的物理意义，理解了$Psi^2$代表找到粒子的概率密度，从而将原子内部的确定性运动转变为概率性的描述。电子不再绕着确定的轨道运行，而是存在于概率云——原子轨道中。 第四章：多电子原子与元素周期律的量子解释 将量子力学应用于包含多个电子的原子时，需要引入新的量子数来描述电子的状态。本章详细介绍了主量子数($n$)、角量子数($l$)、磁量子数($m_l$)和自旋量子数($m_s$)。这四个量子数共同定义了电子的完整量子态。 核心内容聚焦于泡利不相容原理（Pauli Exclusion Principle）。该原理严格规定了在任何一个原子中，不可能存在两个具有完全相同四个量子数的电子。正是这一原理，决定了电子如何分层、分区域地占据原子轨道（s, p, d, f轨道），从而直接解释了元素化学性质的周期性，以及元素周期表的结构与规律。读者将清晰地看到，我们今天所理解的元素化学性质，其根源在于量子力学对电子排布的约束。 第五章：原子核的结构与核能 本章将视角从电子云转移到原子中心——原子核。我们探讨了原子核的组成，质子和中子的发现及其特性。通过分析核子的强相互作用力，解释了原子核的结合能以及核子的质量亏损现象。 关键部分在于核反应的原理。我们详细区分了放射性衰变（α衰变、β衰变和γ衰变）的机制及其规律，并引入了半衰期的概念。随后，本章深入探讨了人类获取巨大能量的两种主要方式：核裂变（如原子弹和核反应堆的工作原理）和核聚变（如太阳的能量来源及未来能源的探索）。爱因斯坦的质能方程 $E=mc^2$ 在核反应中的应用，是理解核能释放的理论基础。 第六章：光与物质的量子相互作用——光谱与激光 本章回归到光与原子的相互作用，这些现象是量子理论最直接的实验证据。我们系统梳理了原子光谱的产生机制，包括线光谱、带光谱和连续光谱的特征与来源。 重点解析了原子受光激发后，电子在能级间跃迁的具体过程，包括吸收、自发辐射和受激辐射。受激辐射的概念是现代信息技术的核心。最后，我们将这些原理汇集成对激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）的全面介绍。从能级反转的条件到共振腔的建立，本书解释了激光具有的单色性、方向性和相干性等优异特性，及其在医学、通讯和工业制造中的广泛应用。 结语：展望与现代物理学的连接 本书的结论部分总结了原子物理学对整个现代科学的奠基作用。原子结构和量子力学的理解，不仅解释了化学反应、物质的导电性，也直接催生了半导体物理、固体物理乃至量子信息科学等前沿领域。我们简要回顾了原子理论如何不断完善，并预示着未来在更深层次的粒子物理学和宇宙学中的探索方向。本书旨在为读者构建一个完整、严谨且充满魅力的微观世界认知框架。

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