微观世界的初探

（一）问题起因：

相信大家都看到过那五彩缤纷的烟火。人们叫它“瞬间的艺术”。不知是否有谁提出过这样问题“为什么烟火能够这样的五彩缤纷呢?又为什么会是瞬间的艺术呢?”其实这种现象在我们平时做实验时也能观察到。记得有一次做化学实验,我们同学做完后,心生好奇,把实验用的铜片放在酒精灯上加热。竟发现铜片加热后能发出绿光来。对于这个问题化学老师作了如下解释。铜片的核外电子在加热后,获得能量而被激发,进行了跃迁，到了更外一层。而外层不稳定，又退回至原来位置。所带的能量也以一定频率光的形式而散发。因此表现出绿光来。

对于这个解释，我们来想一下。若电子接受能量后，向更外一层跃迁，即原一层对所具有能量的电子，能量过低。而激发态的外层对于该电子的能量又过高，而不稳定。按照通常思维，中间应当存在一个位置是刚好适合于该电子,暂称为稳定层。当时我把这种想法告诉了化学老师,而化学老师却说,在原子核外的电子的排布中,能量并非呈线性递增,而是一份一份呈整数倍变化.就像楼梯以层阶式受化.只有第2格,第3格,而没有第2.5格。就是说原先假设中的电子的原来位置与激发态的位置相差最小单位1,中间根本不存在稳定态。

如上解释对于只有现在知识的我来说,还认为是不可思议的,感到就像哥伦布发现新大陆----完全是另一个世界。因此萌发了浓厚的兴趣。经过将近两个月的学习、查找及整理,对于上述问题,有了一个初步的认识。

（二）问题探究：

1.关于原子模型：

带着这个问题我想:既然要认识电子的变化首先得知道原子是怎样的。在查找了有关资料后,知道人们对原子的认识依次经历了这几步。

一、汤姆逊原子结构模型

原来的分子论与原子论及19世纪以来打破原子不可再分基础之上,汤姆逊在1897年发现了电子,后来,又提出了原子结构模型:原子是由带正电的连续体和在其内部运动的负电子构成。

二、行星式原子结构模型

1911年卢塞福提出,原子中带正电的连续体实际上是一个非常小的核,而负电子则受这个核的吸引而在这个核的外围空间绕核运动。

三、玻尔原子结构模型

在行星式原子结构模型的基础上玻尔开始引进了量子力学的思想来研究原子的结构。他在解释氢原子的光谱上获得了成功,但对多电子原子的光谱及电子的波粒二象性上却无能为力。

三、原子的矢量模型

原子的矢量模型是完全量子化的原子模型,它成功地解释了原子核外的电子排布及绝大多数的实验现象。

因此,要知道铜片产生的现象的原因必须去了解一下原子的矢量模型。同时要弄清楚为什么能量会是一块一块变化的。

2.铜发绿光的解释：

经过查找了一些化学和物理的书籍后知道,原子核外电子的排布遵守一个能量最低原则。就是能量低的物体要比能量高的物体稳定。因此电子在原子核外排布时要尽量抢占能量最低的位置。因此一个稳定的原子,它的电子能量是最低的。其实这也很好理解,假设把电子比作高山山坡上的球,根据通常的经验,若没有阻挡,它就会滚下来。因为山坡上的势能高,不稳定,它就要滚到山脚势能低的地方。若山坡是呈U形的,最低点的位置是有限的,第一个滚到的球抢占了最低点,第二个球只能抢占倒数第二的位置,依次类推。但它们这种排列是所有排列中能量最低的,原子的失量模型中电子就是这样排列的。

假设现在对原子加热,即给电子一定能量。就像给山脚的球一个推力。那只球就会向上运动离开原来位置,到了能量更高的另一位置。但是推力撤走后,即停止加热后,球失去了支持,同时它又位于能量较高的位置,照例是会滚下来的。根据学过的机械能的知识,它的重力势能就会以另一种形式的能释放出来。在原子中是以光的形式放出来的。事先声明,这里的球放出能量可以看成是线性的,但电子并不是这样,电子的能量是一份份的。这下面会介绍。

光有一定的频率,随着频率的变化,有可见光及红外线、紫外线等不可见光之分.若电子放出的光刚好达到某一频率，它就能表现出颜色。就像实验中的铜片，刚好是绿色的。若换了钠，就应该是红色的，这就是焰色反应，它跟原子本身的性质有关。铜原子中的电子得到能量，它所跃迁的范围是一定的，它必须受到选择定则的限制。即特定轨道的电子得到能量只能跃迁到特定的另一些轨道。两个轨道间的能量应该是一定的。

根据公式：ΔW=hυ（ΔW为电子从外轨道回到原来位置所放出的能量；h是普朗克常数;υ是光的频率）因为ΔW一定h为常数,那么υ也应该是一定的。即特定元素的光谱是确定的。而铜刚好达到某一频率，则显示出绿色了。不同的元素将表现出不同的颜色。这样就可以用来做夜空中五颜六色的烟火了。

3.能量为什么社不连续的？

现在对铜片发绿光有了一定的认识。那么为什么能量是一块一块地变化的呢？

我又必须去参考书籍了。经过了解才知道这得联系上高深的量子力学的内容了。它实在是太深奥了。有些参考书就跟看天书一样,到处是微积分公式,不过这也只能怪我学识浅薄了。这倒也激发了我浓厚的兴趣。

虽然它很深奥,读懂它很困难。但是，对于上述问题，我们却可以比较通俗地解释一下。

我们先简单地探讨一下。假设原子射出的光的光谱是连续的，则一个物体从1000℃开始加热到3000℃，由于温度的改变，物体将随温度的升高而放出连续光谱的电磁波。因为频率是连续的，可以分到无穷小，那么它失去的电磁波的数量将是无穷多，而一定频率一定数量的电磁波所对应一定的能量，因此这个物体所放出的能量为无穷大。这显然是不符合事实的。由此来看，原子所放出的光的光谱应当是不连续的。

以上有关内容已能解释铜片发绿光的实验现象了，但若要更深一步研究还需不懈努力，我在此点道为止，如有兴趣者可自行深入研究。

（三）遇到的困难及经验教训：

1.这次课题开拓了我的视野，接触到了一些全新的概念和领域如量子力学，同时也使我感到学识浅薄。对于一些书上的微积分公式，按我现在的能力还无法解释。因此只能通过语言来表达，全文数学性不够。所以我还必须不断提高才行。

2.这次课题巩固了课內知识，也学到了大量课外知识。

3.经过这次课题，使我的思维方式有所改变。能更从微观上、本质上考虑问题。

4.由于这次经验不够，无论是时间安排上还是论文书写上都存在很多问题。希望下次能改进。