结业论文
题目名称：20世纪物理学对化学史的影响 学院名称：制造科学与工程学院 班 级：机制 X班 学 号： 学生姓名：胡某某
2014年 5 月 8 日
20世纪物理学对化学史的影响
摘 要
20世纪是科技空前辉煌的世纪，人类创造了历史上最为巨大的科学成就和物质财富。这些成就深刻地改变了人类的生产、生活方式和质量，同时也深刻地改变着人类的思想观念和对世界的认识，改变并继续改变着世界的面貌，极大地推动了社会的发展。20 世纪的化学究其本质来说与 19 世纪有显著的不同。在 19 世纪，道尔顿的原子论、门捷列夫元素周期表都是工作在原子的层次上，其他化学大师 如贝采里乌斯、康尼查罗的工作莫不与原子量的测定有关。所以恩格斯说： “在 19 世纪，对于化学家是原子的世纪。”但是到 20 世纪情况变了，原子 的地盘已被物理学家夺走，化学家主要耕耘在分子的层次上。可是，若要使化学真正取得进步，还须借助物理上的新概念、新思想和 新成果。决定性的时期还是 19 世纪的最后几年到 20 世纪的最初 25 年。这个 时期物理上出现了三大成就。一是 1901 年普朗克的量子论和 1924 年到 1925 年的量子力学；二是 1905 年到 1915 年爱因斯坦的相对论；三是原子核物理， 知道原子里面有电子、原子核，原子核里面有中子、质子，原子核也能变化。
现代科学技术的发展经历了 5 次伟大的。1945—1955 年，第一个 10年，是以核能释放为标志，人类开始了利用核能的新时代。1955—1965 年， 是以人造地球卫星的发射成功为标志，人类开始了摆脱了地球引力，飞向外层空间的进军；1965—1975 年，第三个 10 年，是以 1973 年重组 DNA 实验的 成功为标志，人类进入了可以控制遗传和生命过程的新阶段；1975—1985 年，第四个 10 年，是以微处理机的大量生产和广泛应用为标志，揭开了扩大 人脑能力的新篇章；1985—1995 年，这是我们正在经历的第五个 10 年，是 以软件开发和大规模产业化为标志，人类进入了信息的新纪元。在这一 段时间内，化学经历了哪几次，目前还搞不清楚，但有一个事实可以说 明问题。那就是到目前为止，人类合成的分子数目已超过了 1000 万，实现了 有机合成化学开山大师贝特洛一个世纪前的伟大预言，在“老的自然界”旁 边，再放进一个“新的自然界”。将来的发展难以预计，但从已取得的成就 而论，这个“新的自然界”，从数量和类别上讲，将远远超过“老的自然界”。近十几年来，科学技术发展的一个鲜明特征，是日益求助于 多学科融合的战略来解决各种问题，这就导致了新的跨学科研究领域的出 现，最终结成了具有确定的特有概念和方的新学科和新领域，并开辟了一个全新的研究系列。
关键词： 20世纪; 物理学；化学史; 简介
• I •
20世纪物理学对化学史的影响
一、 早期量子论的诞生
整个发展过程来看，通常把普朗克在 1900 年提出的“量子论”做为20 世纪物理学的开端。但是正像科学史上许多带有划时代的重要事件一 样，在一开始的时候，它的提出者有可能认识不到它的份量和深远意义。这 就无怪乎普朗克在 30 多年以后还把他当年的贡献称为“孤注一掷的行动”。
“一言以蔽之，我所做的事情可以简单地叫做孤注一掷的行动。我生性 平和，不愿进行任何吉凶未卜的冒险。然而 一个理论上的解释 必 需 以任何代价非把它找出不可，不管代价多么高 我认为，那两条(热 力学)定律必须在任何情况下都保持成立。至于别的一些，我就准备牺牲我 以前对物理定律所抱的任何一个信念 ”以上是 1931 年 10 月 7 日普朗克 给罗伯特·威廉·伍德(Robert William Wood)的信。
什么事情使“生性平和”的普朗克，不惜付出“代价”和“牺牲”，甘 愿从事“孤注一掷”的冒险呢？这就是发生在 20 世纪初的“紫外灾难”。 （一）“紫外灾难”和量子论的提出
“紫外灾难”是从研究物体的热辐射而来的。完全辐射体即理想黑体可 以吸收投射在它上面的电磁波；同样，黑体辐射所发出的电磁波也是强度最 大和波长最完全的。对于这个现象的研究可以追溯到较早的时期，而且人们 在生活中对于这个现象并不是没有感受的。
（二）爱因斯坦对光电现象的解释
爱因斯坦在他的论文的开头部分指出：“用连续空间函数来运算的光的 波动理论，在描述纯粹的光学现象时，已被证明是十分卓越的 可是，不 应当忘记，光学观测都同时间平均值有关，而不是同瞬时值有关 当人们 把用连续空间函数进行运算的光的理论应用到光的产生和转化的现象上去 时，这个理论会导致和经验相矛盾。”这里“用连续空间函数来运算的光的 波动理论，”就是古典物理学中的光的电磁理论，所以，爱因斯坦接着提出 他的新看法：
“确实，现在在我看来，关于黑体辐射、发光致光、紫外光产生阴极射 线，以及其他一些有关光的产生和转化的现象的观察，如果用光的能量在空间中不是连续分布的这种假说来解释，似乎就更好理解。按照这里所设想的 假设，从点光源发射出来的光束的能量在传播中不是连续分布在越来越大的 空间之中，而是由个数有限的、局限在空间各点的能量子所组成，这些能量子能够运动，但不能再分割，而只能整个地被吸收或产生出来。”
二、原子结构模型的演进
19 世纪末的物理学三大发现彻底动摇了原子不可再分的传统观念。这时 候，原子和电子的新知识从各种不同的途径接踵而来：X 射线、放射性、光 电效应和电子从热金属中发射等等的发现以及放电管中离子和电子的测量。 原子可以分离成正离子和具有可测性质的普通电子。从 19 世纪末到 20 世纪 的前 25 年，人们设计和检验了几种原子内部结构的图象，并衍生出多种化学 键理论。
• II •
（一） 原子的结构
19 世纪末，人们发现并研究了阴极射线和阳极射线。在充以低压气体的 放电管中，强电场产生了两束粒子：
①阴极射线。这些射线像是在阴极附近发出，它们飞过管子，并能穿过 阳极上的小孔，好像是一束带电的粒子流。从电场和磁场导致的偏转表明，它们带负电，速度很快，不论用什么气体，它们的e m都相同。
②阳极射线。它们飞行的路线相反，并能穿过阴极上的小孔。电场和磁e场偏转表明，它们带正电，速度很高，并有不同的 值，它们和阴极射m线的 e m值相比，要小很多倍。为了保持系统的稳定性，设想 电子是被镶嵌在一个带正电物质的大球内，这球体把电子拘留在里面，就像 葡萄干嵌在布丁面里一样。这里 J·J·汤姆逊提出的模型，它在 20 世纪初 曾被广泛采用：一个直径为 10-10 米或更大的、很重的、带正电的布丁，中间 嵌有很微小的、轻的负电子，使它恰好呈现中性。这样一个模型解释了在放 电管中观察到的那些效应，并使人们容易理解为什么像β射线、α射线这样 的快速粒子能够笔直地穿过物质。它们将笔直地穿过布丁，因为在布丁的任 何地方，它们都不会遇到相距很近、而使它们发生很大偏转的带有大电荷的 大质量。与此同时 J·J·汤姆逊提出了化学键的电子理论，这个被称为正—负理论曾在 20 世纪初期风靡一时。
（二） α散射和卢瑟福原子模型
一束α粒子流能直接穿过诸如金箔这样的原子薄层。但有些α粒子偏离 原来路线构成一个小角度，设为 5°，10°；而少数α粒子则偏离 60°或 80°的大角度，极少数α粒子偏离很大的角度，譬如说 150°。在研究了散射的实验数据之后，卢瑟福看出，汤姆逊原子模型无法解释这种罕见的大偏转。 发生反弹回去这种情况，需要某种很重的物体(质量要比已知的α粒子为大) 发生碰撞，并需要强大的作用力。卢瑟福猜想这力可能来源于α粒子的电荷 和金原子带正电部分的电荷之间的斥力，这是服从平方反比定律的。如果是 这样，则α粒子因经受斥力的作用而减速，并非常非常地靠近那个正电荷， 小于 1 或 2A(“一个原子的大小”)时，反弹回来。此外，该力必须是未被 负电子屏蔽的金原子的正电荷的斥力。因此卢瑟福提出一个新的原子模型： 一个很小的带正电的核，几乎集中了原子的全部质量；远离核的外围，有一 组电子绕核在轨道上运动，就像行星绕太阳运动一样。
（三） 波尔原子模型
N·玻尔(Niels Bohr，1885—1962)的原子模型的提出，是量子论的又 一伟大胜利。 1911 年，卢瑟福确定原子有核，并提出他的行星式模型，是年 10 月， 卢瑟福在卡文迪什实验室举行的年会上报告了他的原子模型。已经得到了博 士学位的年仅 26 岁的 N·玻尔聆听了他的报告，并于 11 月到曼彻斯特和卢 瑟福会晤，这不仅是 20 世纪科学界两位科学伟人建交之始，而且也促使 N·玻 尔下决心于翌年 3 月到曼彻斯特跟随卢瑟福研究原子模型。在这次会晤中卢 瑟福向 N·玻尔谈到刚刚在布鲁塞尔开过的以“辐射理论和量子”为议题的 第一届索尔未会议，给后者以深刻印象。这或许是促使 N·玻尔把量子论引 入他的原子模型的契机。另一促使 N·玻尔开启心智的是巴尔末公式，许多 年之后，N·玻尔这样说过：“一当我看到巴尔末公式，一切都豁然开朗了。”
• III •
三、波粒二象性
把电子当作光波处理”，这是德布罗意的建议。“虽然他们是子弹， 但是它们也是波动。”这意味着可以把电子像光一样来处理。
（一）波粒二象性的提出
1923 年，年仅 31 岁的德布罗意先后发表的《波和粒子》等三篇论文， 和 1924 年 11 月他的博士论文《量子论研究》都是关于波粒二象性的。如果 不是第一次世界大战使他的研究中断，他可能在几年前通过博士论文的答 辩，但其内容就可是别的了。正如德布罗意所说的：
“在 1923 年期间，经过一段长时间的独自沉思以后，我突然有了这样一 个思想，爱因斯坦在 1905 年所作的发现应该可以推广到所有的物质粒子，明 显地可以推广到电子。” 在《量子论研究》的提要中，他首先说明了他所追求的目标。他说：“光 学理论的历史表明科学思想有很长一段徘徊于光的动力说和波动学解说之 间，这两种解说毫无疑问并不像人们曾认为的那样是彼此对立的，量子理论的发展似乎证实了这一结论。”
（二）波动和波尔原子
德布罗意对玻尔关于允许轨道的不可思议的规则 mv·2πr＝nh 提出了令 人振奋的解释：在这种轨道上运动的电子具有波长λ=h/mv，因此mv = h / λ。于是，玻尔规则变成( h ) ·2 πr = nh或2 πr = nλ。
按照这种观点，稳定的唯一允许的轨道是这样的一些轨道，在这些轨道上运动的电子，它的波长的 n 倍恰好等于圆周长：2πr1＝λ1，2πr22，2πr3＝3λ3 等等。电子必须以其波动方式围绕轨道迂回曲折前进，从而形成其周长等于其波长整倍数的驻波。我们不再看到具有向心加速度。v2/r 的实 物粒子会产生辐射，而只看到在轨道上的振动图样。对许多物理学家来说， 玻尔这个人为的规则现在终于有了令人宽慰的解释：“允许的轨道”就是那些可能的驻波。
现在我们把这些德布罗意波看作一种图象，它告诉我们电子可能所处的 位置：当我们寻找电子时，哪个区域有较强(强度用波的振幅的平方来衡量) 的波动，我们就有较大的可能在那里找到电子。这些波动——对于在空间自 由运动的电子来说是一个行波，而对束缚在原子中的电子来说是一个驻波——不是运动实物的波动，而是“几率”波。最先用来表示玻尔轨道的环行波 可以将电子的可能位置安排在围绕着环的区域，或者它们可以等效于围绕沿 相反方向传播的行波。这样，我们问电子到底位于环的那一点，就不再具有 意义。但是我们现在用其他的波动图象来确定各种状态下的位置几率：径向 驻波和圆周驻波。对于氢原子，玻尔最内层的环变成直接通过核的径线。但 是，在大部分时间内，电子呆在该线之外的符合玻尔早先预言的某一平均距 离处。因此，当该线沿各方向摆动时，由于对称关系，它的电子描绘为包围 核的模糊的几率球。对于较复杂的原子和激发态的某些波动图象给出一种更 为复杂的模糊的几率形状。每个图象仅仅表示电子位置的一种几率分布；但 是在图象中，波动的频率是充分确定的，因而可以预言电子的一个确定的能级。
• IV •
四、原子结构的量子力学描述
1913 年，N·玻尔发表了题为《论原子构造和分子构造》(On the Constitution of atoms and molecules)的长篇论文，从原子稳定性和光谱 学公式这两个经验事实出发，冲破了经典电动力学的界限，把普朗克量子概 念推广应用于卢瑟福原子模型，成功地提出了原子结构的玻尔理论。玻尔理 论在原子结构理论发展过程中大大前进了一步。但是它也遇到了理论结构上 的巨大困难。经过十几年的发展，人们越来越清楚地认识到，它只是一个半 经典半量子化的过渡性理论。
奥地利物理学家薛丁谔(Schr\"odinger，Erwin，1887—1961)创立了一 种极有成效的处理方法。他以德布罗意的量子波长规则为出发点，建立了电 子的一般波动方程。然后他寻求满足原子内部反平方库仑力场的条件的驻波 解。在薛丁谔波动方程中，频率通过量子规则给出能量。这种处理的结果极 为，远远超过了 N·玻尔预言的成就。
薛丁谔首先试图建立氢原子的相对论性波动方程。在 1925 年 12 月 27 日给 W·维恩(Wien)的信中提到：“现在我正致力于一种新的原子理论。 我对这个理论非常乐观，并且 它将非常美妙。我认为我能详细说明一种 具有像氢的频率项那样的本征值的振动系统——并且以一种比较自然的方 式，而不是通过特设性假说， 目前我必须学一点数学以便完全解决振动 问题——一个类似于贝塞尔方程但不那么著名的线性微分方程。”接着，从 已有的相对论性方程推出非相对论性近似，并求解它。
这样，在不到半年的时间内，薛丁谔接连发表了六篇关于量子理论的论 文，其内容涉及量子理论、原子模型、光谱学、物理光学和微扰理论等众多 物理学领域，熔玻尔理论、德布罗意相波理论的成果于一炉，建立起成为量 子力学基础并具有经典美感的薛丁谔方程。并对氢原子能级、一维线性谐振 子、定轴和自由转动、双原子分子、斯塔克效应等例解出了与实验相符的本 征值。矩阵力学被证明与波动力学等价，使波动力学成为集前人成果之大成， 在理论上比较严谨自洽、实际运用更为广泛有效的完整体系。正如科学史家 M·雅默(Jam-mer)所说：“薛丁谔的光辉论文无疑是科学史上最有影响的 贡献之一。它深化了我们对原子物理现象的理解，成为用数学求解原子物理、 固体物理及某种程度上求解核物理的便利基础。最终打开了新思路。”事实
上，非相对论量子力学以后的发展，很大程度上仅是薛丁谔工作的加工和利 用。 爱因斯坦在给薛丁谔的信中评论说：“你的文章的思想表现出真正的独 创性。”普朗克指出薛丁谔方程“奠定了近代量子力学的基础，就像牛顿、 拉格朗日和哈密顿创立的方程式在经典力学中所起的作用一样”。
五、化学键的电子理论
903 年 J·J·汤姆逊(Thomson)提出化学键的电子理论。他认为两原 子之间的吸引是由于其中一个原子将其所带的一个电子给予了另一个原子， 于是给出电子的原子带正电荷，接受电子的原子带负电，带相反电荷的两个 原子由于静电引力而结合，从而形成化学键，这被称为正—负理论。美国的 许多化学家接受了汤姆逊的这一观点，1909—1917 年间，他们发表了许多论 文，对正—负理论作了系统的应用。如氯化钠中的钠原子给氯原子一个电子， 从而使带正电荷的 Na+与带负电荷的 Cl-相互吸引而结合成 NaCl。又因 NaCl 在水溶液中能电离出 Na+和 Cl-的事实，使许多化学家认为汤姆逊的理论对所 有化合物的化学键都适用。但是，当人们试图用正—负理论去解释非极性化 合物(主要是有机物)
• V •
的时候，却遇到了困难，因为想确定非极性化合物中 也存在带正电荷和带负电荷的离子的任何努力都失败了。这促使包括路易斯 在内的化学家们，必须正视正—负理论不能解释非极性化合物的证据，并认 真分析这两种化合物在物理性质和化学性质上的明显区别，从而去推断极性 化合物和非极性化合物在结构上的不同。也就是说，去推断非极性化合物不 具有与极性化合物相似的化学键。然而，只有路易斯提出的共享电子对理论， 才对这个问题做出了进一步的明确回答。路易斯的共用电子对理论中的一个重要组成部分，是他的“立方原子。
六、结 论
化学，在 19 世纪大发展的基础上，在 20 世纪继续有所前进，有所扩展。 然而，20 世纪的化学发展，绝不只是对 19 世纪的化学成就做出一些增补或 是填充部分空白，而是发生了一系列性的变化。这首先是由世纪之交物 理学三大发现开始的，X 射线、放射性和电子的发现，揭开了一个客观存在 的、但我们一直没有觉察到的崭新世界——“微观世界”。这个崭新世界的 揭露是非常可喜的现象，因为人类认识自然的本领有了新的跃进，从“宏观 世界”进入到“微观世界”。但是微观世界的自然规律有别于宏观世界，牛 顿力学的体系显然不能适用了，这就要求人们在观念上作出革新。这就是通 常所说的发生在 20 世纪之初的物理学。 1900 年由普朗克(Max Karl Ernst Ludwig，1858—1947)提出的量子论，1905 年由爱因斯坦(Albert Ein-stein，1879—1955)提出的狭义相对论，吹响了 20 世纪物理学进 军的号角。从此，不仅在物理学中引起一系列的变革，并且还带动了其他学 科，特别是化学的发展。物理学的一系列成果，如量子论、相对论、 光电效应、波粒二象性、量子力学、测不准原理等构成的新物理学，促使化 学面貌一新，登上了一个崭新的台阶。化学研究的对象，也发生了天翻地覆的化。
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参考文献
[1] 郭保章. 20世纪化学史［J］. 化学，1998,7(1): 9787539229294 [2] 百度百科
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