3.2氢原子上

在这里可以看到一个非常美丽的池塘,池塘上有一片很漂亮的叶子,它滴下来一滴水

我们来看一下水的结构

我国古人曾说:一尺之锤,日取其半,万世不竭

我国古人的观点,认为这个世界是无限可分的,但现今物理学的观点是怎样的呢?

比方说拿这一滴水来看,它是H2O

如果盯着其中的氧来看,它会包含原子核外的电子和原子核所构成。

其中带正电的原子核,由质子和中子所构成

并且我们清楚,质子和中子它并非是基本粒子,它是由夸克构成。

所以按照现今这样一个,粒子物理学的观点,已经有了三代的学说认为我们物质世界是由夸克、中微子、电子和介子所构成。

它们都是费米子

除了组成物质世界的粒子之外,还会存在有一些传播相互作用的一些粒子。

这些粒子的自旋都为整数,为玻色子。

有跟电磁相互作用所对应的光子

有跟强相互作用相对应的胶子

有跟弱相互作用的W、Z玻色子

以传播引力相互作用的引力子

我们现在比较公认的观点认为,电子和夸克是基本粒子

通过碰撞实验,人们认为电子,夸克的大小到10的负18次方米的时候,仍然是可以把它作为粒子来看。

所以说它是最小的实体粒子,在这里以电子作为例子来看。

在这幅表当中给出电子质量,9.1乘10的负28次方克,也就约等于10的负27次方克,对应的静止质能是0.511兆电子伏特。

电子伏特是一个能量的单位,电子它是带电荷的,这个电荷也是一个最小的电荷的基本单位,可以用库仑单位制来表征。

还可以用另外一种叫电子静电单位来表征

如果我们认为两个电荷它所带的电量都为一个静电单位,当这两个电荷,相距为1厘米的时候,它所受到的力就是1达因的大小。

这是在cgs下引用的这样一种单位

所以库仑的表达就可以写成这样一个,带电荷的乘积除以距离的平方。

有了电子的质量和电荷之后,我们可以来定义两个长度,其中一个长度叫电子的经典半径,它表征当电子的静止的质能和电子的库仑能相当的时候的半径。

这个半径差不多是10的负13次方厘米

那么这个半径在我们研究核物理的时候,研究一些散射截面的时候,一个典型的半径,当然我们还可以给出电子的康普顿波长。

在这基本粒子再往上走,我们就到了核子的尺度。

在这里是以质子作为例子,差不多10的负15次方米的大小,这个大小叫做一个费米,也叫做千万亿分之一米,是1.67乘10的负24次方,对应的静止的质能差不多一个GeV左右,是电子的2000倍 它带正电。

由质子的质量还可以,给出质子康普顿波长的大小,这个大小等于10的负13次方厘米,也就是我们刚刚所对应的一个费米的大小。

这个大小通常会用来表达强相互作用力程它的作用的范围,比方说我们通常认为核子有多大呢?

可能就是一个费米的大小

对于某些原子核它所带的质子和中子的数量会比较多,再乘以它的核子数(的1/3次方)就可以得到跟它内部存在有一种平衡。

需要用到量子色动力学的知识,需要用到核力模型来求解,在这里不涉及。

往更大的尺度来走,就进入到原子的尺度。

对于原子的尺度,我们会以氢原子作为例子来看。

氢原子大小有多大呢?

10的负10次方米,也是通常所讲1埃大小和它的一个基本的能量。

我们会用Bohr轨道半径和Rydberg能量来表征Bohr轨道半径

Rydberg能量对应的就是13.6电子伏特的能量这样一个半径的大小,以及所有原子尺度的大小

当然在这里我们也可以很自然来看看这个尺度,我们通常氢原子的大小就是,用它的这样一个Boh轨道半径来表征,10的负10次方米。

那么对于我们刚刚所讲的这样一个氢原子的尺度和能量的表达式

这种形式在这里可以问大家,它是基于何种单位制所给出的呢?

如果把它恢复到国际单位制,它的形式上又该如何来改写呢?

如果有些同学将来学原子物理或者会学量子力学,我们通常会引入一个常数,由电子所带的电荷planck常数和光速所构成。

这实际上是精细结构常数,引入这样一个精细结构常数之后,Bohr的轨道半径,还有Rydberg能量

的形式又可以如何来进行改写呢?

这是留给大家思考的问题

当然,为了研究的方便,人们还人为引入了一个,叫做引力精细结构常数的量。

它是用万有引力常数乘以质子的质量的平方,再除以约化的planck常数,乘以光速。

这个量非常的小,只有10的负39次方,我们有了这样一个氢原子的,尺度的大小。

我们接下来可以做一件事情,可以来简单地估算氢原子它的平均质量密度的大小。

我们可以来估算,原子核平均密度的大小,通过简单的计算就可以给出,氢原子的平均密度是1.4克每立方厘米。

这个密度非常的特殊,跟太阳的密度正好相当。

我们自然界当中,所熟悉的这样一些宏观的物体以及到陨石,到行星,非常的接近我们生活在一个由原子所构成的物质世界里面。

另外一个密度是原子核的平均质量密度,它的质量密度可以达到10的14次方克每立方厘米,密度非常的高。

所以我们可以把这样一个平均密度的线,画到双对数的图中。

就是图当中,红线代表的就是原子核的质量密度线。

蓝线所对应的就是这样一个氢原子的,质量密度的线

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