物理學對微觀世界的探索

牛頓建立的經典力學，在相當長的時間裡使人類對世界的認識都局限於經典物理。經典物理也可以理解為以牛頓建立的力學為基礎之一，衍生出來的理論。

牛頓力學對宏觀低速的解釋是相當完善的了，但是當牛頓力學進入微觀世界，就會顯得力不從心，這時我們就需要發展出新的理論，那麼，人類在探索微觀世界的過程中經歷了怎樣的忐忑呢？！！！

到了20初，人類對於微觀世界才有了像模像樣的認識，在此之前則是在一片迷霧中前行。

1897年前後，科學家才弄明白電子是每個原子必備的共同組成成分。

科學家知道電子帶負電，原子整體則是電中性，也就是不帶電，則推測，原子中勢必還有帶正電的物質，科學家再對這個帶正電的物質研究時出現了下面的理論。

湯姆孫葡萄乾麵包模型

湯姆孫認為原子內部的正電荷及其質量均勻的分別在原子內部，電子就像是西瓜里的瓜子鑲嵌其中。這個模型也就是「西瓜模型」或者叫「葡萄乾麵包模型」。

葡萄乾麵包模型

盧瑟福行星模型

α粒子（帶正電的高能粒子）散射實驗，簡單點說就是向原子內部發射α粒子，而其中少量的α粒子發生的偏轉角度比湯姆孫預言的大得多，有1/8000的α粒子發生了大於90°的偏折，有的甚至發生了150°偏折，稱為大角散射。這就意味著原子中這個帶正電荷的物質的體積很小（其中的1/8000可以說明該正電荷體積小）。而α粒子能發生那麼大的偏轉，就說明了原子中相當大的一部分質量分布在這個帶正電的物質中。

後來，盧瑟福提出了盧瑟福模型，這個模型就是 「行星運動模型」——原子核就像太陽，電子就像行星，圍繞在太陽周圍公轉。 由於這個理論與當時的實驗高度吻合，所以很快被物理學界接受。

盧瑟福模型

但是很快大家發現，核外電子繞核運動要有加速度，根據經典的電磁理論，核外電子就要釋放能量，原子的能量則會逐漸減少，發出的頻率逐漸改變，那麼發出了的光譜應該是連續的。再看看核外電子，由於電子不斷釋放能量，慢慢的電子會接近原子核，最後落到原子核上。

盧瑟福模型告訴我們什麼呢？一是原子發出的光譜是連續的，二是電子最後會落到原子核，原子則是一個不穩定的系統。但事實表明原子不僅是穩定的，發出的光譜也是不連續的。這是一部分物理學家做出了重要的抉擇，就拋棄掉在宏觀世界建立起的經典物理。

玻爾在「行星運動模型」的基礎上運用了普朗克的量子假說和愛因斯坦的光子假說，提出了電子在核外的量子化軌道，解決了原子結構的穩定性問題，建立了氫原子結構理論，但還是它還是存在理論缺陷的（只能處理氫原子的問題）。

不久，德布羅意博士提出了微觀物質具有波粒二象性來解釋原子結構（波粒二象性簡單地說就是任何物質不僅有波動的特徵，還有粒子的特徵）。

測不準原理

現在關於微觀世界的研究仍在繼續，這裡只能簡單大概的簡說一下學界目前公認的事實，微觀粒子具有波粒二象性，粒子的位置和動量不能同時有確定值（不能知道某個位置狀態下的粒子的動量，因為測量需要觀察，觀察要藉助光，當光子打到要測量的粒子上的一瞬間粒子動量就會發生不連續變化，即便知道這一瞬間位置，也無法得知其動量），測不準原理也關聯了量子的概率理論。

普朗克

現代電子云模型

電子在原子核外很小的空間內做高速運動，其運行沒有固定的規律，只能用概率統計出電子在某一點出現的頻率，不能確切地說電子在某一時刻究竟會出現在原子核外的哪個地方，只能知道它在某處出現的機會有多少。為此，就以單位體積內電子出現幾率，即幾率密度大小。用小紅點的疏密來表示，小紅點密處表示電子出現的幾率密度大，小紅點疏處幾率密度小，看上去好像一片帶負電的雲狀物籠罩在原子核周圍，因此叫電子云。

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電子云動態圖

量子理論的建立為微觀世界的研究送來了光明，可是上帝不喜歡擲骰子，而量子理論就建立在概率理論的基礎上。雖然不知道粒子在下一時刻會出現在哪，當時可以知道粒子在某一位置出現的概率，還是有規律可循的，所以不能說量子理論支持自由意志！

此內容由《科學認識論》投稿，物理小識編校

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