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了不起的物理:拒绝乏味,和物理交个朋友-电子书下载

人文社科 2年前 (2022-06-30) 1715次浏览 已收录 0个评论 扫描二维码

简介

本书精选100个有趣的物理话题为你深入讲解。
有生活中的物理学和黑科技,如5G、裸眼3D、超级高铁;
有广阔如宇宙的物理学原理,如引力波、黑洞和宇宙大爆炸理论;
还有微小如量子的内涵哲理,如薛定谔的猫、量子纠缠和不确定性原理;
更有对重要物理学定律的总结,像能量守恒定律、爱因斯坦方程和熵增原理。
除了普及具体的物理学知识,这本书可以透过物理学中的逻辑,让你感受到其中思维的魅力和美感。只要你对这个世界还有一丝好奇,那这本书里一定有你想要的答案。

作者介绍

· 严伯钧
科普作家、艺术研究者,全国物理竞赛金牌获得者,曾于美国布朗大学攻读物理学博士。 抖音头部知识内容博主,抖音号“严伯钧”粉丝数超300W,科普视频全平台播放数迂10亿。2018年被《新周刊》评选为“十大网红网络导师”之一,与马东、薛兆丰等名宿并列。
已出版作品《六极物理》。

部分摘录:
为什么吸铁石只吸铁? 为什么磁铁只吸铁,而对金、银、铜、铝似乎都没有什么反应呢?
当然,严格来说,磁铁不光吸铁,还吸钴和镍。吸铁石之所以只吸引这几种金属,是因为只有这些金属原子内部的电子结构,可以让磁场对它们有肉眼可见的作用。
我们知道,原子的结构是带负电的电子围绕带正电的原子核运动,电子数等于原子核带正电的数量,所以原子整体是呈中性不带电的。但是那么多个电子围绕原子核是怎么运动的呢?量子力学告诉我们,电子在原子核外围的运动是分层的。每层当中可以安放的电子数量是不同的,譬如根据量子力学的计算,原子核外第一层,也是电子层的最内层,可以放两个电子,第二层可以放8个电子,第三层可以放18个电子,等等。
这里我们必须引用前面提到过的能量最低原理,一个原子的稳定态,一定对应它能量最低的状态,所有电子其实都倾向于待在内层,因为内层的能量低,所以更稳定。那为什么不是所有电子都在最内层,而是会出现最内层只能有两个电子,外层却拥有更多电子的情况呢?这里还要介绍另外一个物理学知识,叫泡利不相容原理。这个原理是奥地利物理学家泡利发现的,泡利也因为这个成果,在爱因斯坦的推荐下,获得了1945年的诺贝尔物理学奖。
泡利不相容原理说的是,在一个物理系统中,不能有两个费米子处在同一状态,至于什么是费米子,我们之后再讨论,这里你只需要知道电子是一种费米子。有了这个原理之后,我们就能解释为什么原子的内层只能放两个电子了。原子的内层只有一个电子轨道,电子只要在这个轨道里,它的能量和其他状态都被唯一确定了。那么根据泡利的不相容原理,这个轨道里只能存在一个电子,为什么还能放第二个电子进来呢?因为自旋,电子是有磁性的,你可以把它当成一个小磁针,磁针有南北极,一个电子轨道之所以可以放两个电子,就是因为一个电子进来以后,它可以是北极朝上或者南极朝上,第二个电子进来的话,只要磁极的指向跟第一个电子相反就可以了,只要这两个电子的磁极指向相反,它们的状态就不完全相同,就不违背泡利不相容原理。内层轨道可以放两个电子,但是第三个电子就放不进来了,因为第三个电子的磁极指向不是南极向上就是北极向上,另外两个电子中必然有一个与它相同,根据泡利不相容原理,第三个电子进不来。
第三个电子如果进不来的话怎么办?它能去哪里呢?它只能去能量更高的第二层。第二层有4个分轨道,每个轨道都可以放两个电子,这样第二层一共可以放8个电子。电子再多的话就只能去第三层了,第三层有9个分轨道,所以第三层最多可以放18个电子,以此类推。铁是第26号元素,铁原子里有26个电子。这样的话,第一层可以放2个,第二层可以放8个,第三层可以放16个,你发现16个电子没有办法把第三层填满。这样的话,其实对最外层电子来说,它们有好几个轨道可以选择。它们可以两两配对地去占据轨道,也可以选择一个电子占一个轨道,具体应该选择哪一种排布方式呢?答案依然是能量最低原理:怎么排布能量低就怎么来。结果是每个电子占据一个分轨道的排布方式能量更低,所以铁原子里的外层电子是倾向于每个电子分别占据一个轨道的。这里面的物理规律叫洪特规则,是一个叫洪特的德国物理学家发现的。
这就能解释为什么吸铁石只吸铁、钴、镍了。我们把电子当成小磁铁,如果是两个小磁铁以南北极相反的方式并在一起,它的南北极磁性其实抵消了,对外它们是中性的。但是如果一个电子占据一个轨道,就好比一个个分散的小磁铁,它们的磁场并没有两两抵消。所以你用吸铁石建立一个磁场,它们就能够与这个磁场有相互作用。铁、钴、镍的最外层电子就满足洪特规则说的这种排布方式,铁、钴、镍的最外层电子并没有选择两两一组抵消磁性的形态去排列,总体上它体现出能够被磁场吸引的特性。
为什么磁铁只吸铁、钴、镍?其实磁铁吸的其实永远是磁铁,只不过在这三种金属中,它们的电子排布方式让它们可以在磁场的作用下,成为小磁铁而已。

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