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the
在刚才的例子中
物质的变化都会引起质量的微小改变
并伴随着显著的能量释放
温暖我们的火
美味的热馅饼
变冷了就难以下咽
煤燃烧过程中释放出储存的化学能
火柴点燃煤
引起连锁化学反应
煤分子随即重排列
煤炭变成灰烬
当分子键断裂和重组时
当原子和原子结合成分子时
若有能量放出
质量便减少
化学能的起源和原子的结构有关
单个氢原子是最简单的例子
它是由一个质子和一个围绕质子运动的电子构成的
采用量子力学
物理学家可以简单计算出原子的质量如何随着电子的运动而发生改变
其实
氢原子的质量有个最小值
这个质量最小值比相距足够远的一个电子和一个质子的总质量小零点零零零零零零零零零零零零零零零零零零零零零零零零零零零零零零零零零零二千克
然而
这么小的质量差值
转化的能量却不可小觑
你要不信
可以向化学家求证
或是坐在炉火边亲身体验下它的威力
和常人一样
物理学家也怕麻烦
他们不喜欢用非常小的数字
那要写很多个零
所以他们通常放弃千克来表示质量
而采用一个叫电子伏特的单位
电子伏特实际上是一个能量单位
它表示电子在一伏特的电压下加速时所获得的能量
读起来真拗口
好像又要吃粉笔绘了
还是用日常语言来说吧
拿一个九伏的电池
用它做一个小的粒子加速器
给一个电子九电子伏的能量
然后质量由电子伏特除以c平方得到用这套便利的方法
氢原子的质量将比质子九亿三千八百二十七万两千零一十三EV除以c平方五十一万零九百九十八EV除以c平方的总质量一EV是一电子氟能量的缩写
小十三点六EV除以c平方
值得注意的是
质量单位中保留了一个c平方因子
质量乘以c平方
c平方因子就相互抵消
这样就很容易计算出静止的质子储存的能量
能量值为九亿三千八百二十七万两千零一十三亿v
另外值得注意的是
氢原子的质量小于其组成部分的总和
而不是大于
这似乎意味着有负能量储存在氢原子中
这并不稀奇
储存负能只是说明需要力才能分解原子
这种赋能被称为结合能
氢原子第二小质量比电子和质子之和小十点二e微除以c平方
这里质量是以离散的量子化值出现的
这是量子理论名字的由来
它很神秘
常常被误解
例如
不存在质量比最小质量大二EV除以c平方的氢原子
这就是量子这个词所蕴含的全部内容
对于氢原子来说
原子核是一个质子
电子在原子核周围的分离轨道上运动
对应分离的原子质量
所以在描绘电子轨道时
请务必小心
因为这个轨道不是行星围绕太阳运动的轨道
两者完全不同
粗略的说
质量最小的原子相比质量次之的原子
其电子的轨道更靠近质子
以此类推
便可以描绘所有电子轨道
当电子最接近质子时
氢原子处于基态
此时氢原子最轻
只要加上适量的能量
电子就会跳到下一个轨道
原子就会因增加的能量变得更重一些
这样看来
给原子添加能量
就像拉伸弹簧把老鼠夹支起来一样
问题来了
我们是怎么得出氢原子如此精细的细节的
这些微小的质量差异肯定不是用秤测量出来的
我们可以用薛定鄂波动方程预测氢原子的质量应该是多少
薛定鄂波动方程是量子理论的核心
相传
在一九二五至一九二六年的圣诞节和新年期间
薛定谔与情人在冬季的阿尔卑斯山度假时
发现了这个现代物理学中最重要的方程
物理课本上没有提起他是如何向情人解释这个方程的
希望薛定谔的情人也能像一代代的物理系学生一样享受他的成果
对大多数物理系学生来说
这个以他名字命名的方程已熟记于心
用薛定谔方程计算氢原子并不困难
他是本科生试卷上的常客
但是
这些数学的论证需要实验的确凿证据
否则将毫无意义
幸运的是
原子结构的量子化特性很容易被观察到
事实上
它们就在眼前
量子理论有一个普遍的规则
大致可以这样表述
在没有外界影响下
一个重的物体一有机会就会变轻
这个概念不难理解
如果一个物体被单独放置
它就不可能变成一个更重的物体
因为没有能量被添加
但是
它总是有机会释放一些能量
变得更轻
显然
还有第三种可能
什么也没发生
物体保持不变
有时确实是这样
拿氢原子来说
这意味着较重的氢原子最终会减少一部分质量
变得轻一些
这个过程是通过发射单个光粒子来实现的
这个粒子就是我们之前遇到的光子
例如第二氢的氢原子在某一时刻自发的转变为最氢的氢原子
电子的轨道随之改变
多余的能量被光子带走
同样
相反的过程也会发生
如一个刚好在原子周围的光子在某一时刻被原子吸收
然后原子就会因吸收的能量跃迁到更高的质量状态
也许加热物体试使能量进入原子的最平常的方法
加热物体是电子跃迁到更高的轨道
然后再跃迁下来
同时发射出光子
这是那蒸汽路灯背后的物理机制
这些光子携带的能量恰好等于轨道间的能量差
因此可以通过探测它们来直接观察物质的结构
事实上
我们一直在检测着这些光子
我们的眼睛就是光子探测器
我们把光子的能量记录为颜色
围绕岛屿的热带海洋蓝色此起彼伏
梵高画下的星辰是锯齿状的钻石黄
以及血液中的铁红色
这些颜色都是眼睛看到的物体的量子化结构
十九世纪末
二十世纪初
探索高温物体发光颜色的起因是推动量子理论被发现的一股力量
那时
一大批勤奋的科学家对物体发出的光进行了仔细观察
长期以来
他们探索了各种物质
可以说是所有物质
最后终于取得成功
他们为填充派对气球的气体氦气欢呼庆祝
氦源于希腊语单词黑利亚斯
意思是太阳
之所以用希腊太阳神的名字命名该元素
是因为这个原子的指纹特征是在日食的光线里首次发现的
该发现是由法国天文学家皮埃尔
扬森在一八六八年做出的
这样看来
氦元素首次在恒星上被发现
而不是地球上
今天
科学家在星光中识别氧气的特征指纹
来寻找地外生命的迹象
这些星光由恒星发出
掠过行星的地表
大气层
这些都是光谱学研究的内容
光谱学作为科学的一个分支
是探索宇宙内外的有力工具
自然界中的元素在能量台阶
质量台阶上都有一个位置
位置的高低取决于电子的能级
除氢元素外
其他元素都有不止一个电子
因此
它们发出的光跨越了彩虹和其他颜色
世界如此多彩
最终原因就在这里
简单来讲
化学作为一门科学
主要关注的是当原子靠得很近
但不能太近时会发生什么
当两个氢原子彼此靠近时
质子相互排斥
因为它们都携带正电荷
但由于一个原子中的电子吸引另一个原子中的质子
于是这种排斥被克服了
结果是两个原子结合在一起
形成一个氢原子
组成最佳配置
原子被束缚的原理与电子被束缚在单个氢原子核的轨道上的原理相同
被束缚意味着需要一些力量才能把它们分开
需要一些力量
是我们需要提供一些能量的一种粗糙的说法
如果我们需要提供能量来将分子分开
由此可见
那么分子的质量就比原来两个氢原子的质量之和要小
就像氢原子的质量小于其组成部分的质量之和一样
在这两种情况下
结合能的产生都是由本书开始时遇到的电磁力引起的