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物理A+班-原子與量子

物理A+班-原子與量子

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9789862161258
葉偉文編者:奧特
天下文化
2008年5月09日
77.00  元
HK$ 61.6
省下 $15.4
 
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* 叢書系列:科學天地
* 規格:平裝 / 207頁 / 22.8*15.1 cm / 普級 / 單色印刷 / 初版
* 出版地:台灣


科學天地


自然科普 > 物理/化學 > 概論









《物理A+班》這套書的作者加莫夫,
是提出「大霹靂」學說的重量級物理學家,
也是很受歡迎、幽默感十足的科普作家。
在加莫夫筆下,不管是什麼物理主題,
都能轉化成我們熟悉的事物,而變得很容易懂。

在《物理A+班》下冊,
加莫夫要告訴你各種關於「原子與量子」的主題,包括:
如緞帶般的元素週期表,
像液滴一般的原子核,
像狗骨頭的介子,
約瑟夫?湯姆森的電子束會轉彎,
以及,波耳究竟掀起了什麼軒然大波?
愛因斯坦如何解開光電效應之謎……

想幫自己的物理加分,就來讀《物理A+班》!

作者簡介

加莫夫

  1904年出生於烏克蘭的奧德薩(Odessa),青少年時期歷經了革命與戰亂。1928年獲得博士學位之後。1933年,加莫夫利用出席布魯塞爾一場會議的機會,投奔到美國。1934年至1954年間,加莫夫任教於喬治華盛頓大學,1954年赴加州柏克萊大學,1956年起轉任科羅拉多大學。1968 年逝於科羅拉多州的波德(Boulder),享年64歲。為了紀念加莫夫,科羅拉多大學(波德分校)物理系把他們最高的研究大樓命名為「Gamow Tower」。

  加莫夫早年從事核物理方面的研究,利用穿隧效應解釋了α衰變現象;後來轉向天體物理學,研究恆星核合成、大霹靂核合成;晚年把興趣轉向生物化學,提出「遺傳密碼」的概念。

  加莫夫一生致力於推廣科學,寫過許多很受歡迎的科普著作,為此,聯合國教科文組織在1956年把卡林加獎(Kalinga Prize)頒給加莫夫。

編者簡介

奧特

  美國馬里蘭大學物理博士,現任教於喬治梅森大學物理系,研究領域為超重力(supergravity)。

譯者簡介

葉偉文

  1950年生於台北市。國立清華大學核子工程系畢業,原子科學研究所碩士(保健物理組)。曾任台灣電力公司核能發電處放射實驗室主任、國家標準起草委員(核子工程類)及中華民國實驗室認證體系的評鑑技術委員(游離輻射領域)。現任台灣電力公司緊急計畫執行委員會執行祕書。

  譯作有《愛麗絲漫遊量子奇境》、《矽晶之火》、《小氣財神的物理夢遊記》、《幹嘛學數學?》、《物理馬戲團I?III》、《數學小魔女》、《統計,改變了世界》、《數學是啥玩意?I?III》、《葛老爹的推理遊戲 1、2》、《典雅的幾何》、《太陽系的華爾滋》、《一生受用的公式》、《看漫畫,學物理》、《詭論、鋪瓷磚、波羅米歐環》、《迷宮、黃金比、索馬立方體》、《統計你贏的機率》、《蘇老師化學黑白講》、《搞定幾何!—問數學博士就對了》、《別讓統計圖表唬弄你》、《搞笑學物理》、《費曼手札》、《刻卜勒的猜想》、《神奇數學117》、《蘇老師化學五四三》、《牛頓物理駕訓班》、《蘇老師化學聊是非》、《薛丁格的兔子》、《觀念化學I》、《靈魂有多重?》、《蚊子幹嘛老叮我?》、《隱藏的邏輯》、《物理早自習》、《數學嗆聲班》、《相對世界的美麗》等三十多種書(皆為天下文化出版)。並曾翻譯大量專業作品,散見於《台電核能月刊》。



第7章 自然哲學及化學裡的原子
古希臘人的想法錯在哪裡?
原子量與原子價
如緞帶般的元素週期表

第8章 物質的電性
正、負離子超有用
法拉第定律
氣體怎麼通電?
約瑟夫.湯姆森的電子束會轉彎
密立根測出電子的電荷與質量
發現同位素
湯姆森的「西瓜式」原子模型
拉塞福的「行星式」原子模型
固體內的電流是怎麼流的?
導電性和導熱性是一掛的
半導體有兩種
晶體整流器
比真空管高明的電晶體
太陽電池愈來愈火紅

第9章 輻射能的量子化
給古典物理一記痛擊
蒲郎克拋出能量「量子」
愛因斯坦解光電效應之謎
適時出現了康普頓效應

第10章 原子模型
波耳掀起了軒然大波!
X射線的產生
加上橢圓形的量子軌道之後……
一個量子軌道容不下兩個電子
電子殼層與元素週期表
根據量子理論,來解釋化學價

第11章 粒子的波動特性
波「帶領著」電子在軌道上運動?
就是測不準!
藏在「狄拉克海洋」裡的反粒子
反質子與反中子通過了「迷宮」考驗

第12章 天然放射性
都是「來自波西米亞的瀝青鈾礦」惹的禍?
α射線、β射線、γ射線
放射性元素的家族
衰變能量
半衰期
可靠的鈾鉛定年法
測定古老木頭的碳定年法
葡萄酒與氚定年法

第13章 人工核遷變
如何讓穩定的原子核分裂?
拍攝出粒子的撞擊軌跡
氣泡室
第一具原子撞擊機
凡德格拉夫加速器
迴旋加速器

第14章 原子核的結構
組成原子核的粒子
像液滴一般的原子核
質量缺陷及核束縛能
質量缺陷與核反應
原子核也有殼層模型
要核融合?還是要核分裂?
原子核的勢壘擋不住?
因為有「穿隧效應」
為什麼會有半衰期?

第15章 大規模的核反應
原子核居然能分裂成兩半!
分裂中子引發連鎖反應
容易分裂的鈾235
費米堆,冒出鈽239
臨界尺寸
核反應器的構造
製造核分裂彈(核彈)
熱核反應──造氫彈易,要發電難

第16章 神祕的粒子
難以捉摸的微中子
像狗骨頭的介子
粒子愈變愈多
前面還有什麼?

附錄 粒子物理的進展 ◎羅伯?奧特



前言

紀念我的父親

最後一位「親力親為、冒險犯難」的偉大科學家


  我曾聽說,最後一位搭乘太空載具「獨自冒險犯難」的太空人是卡本特(Scott Carpenter)。而我相信,老爸就是最後一位「親力親為、冒險犯難」的偉大科學家。

  今天的科學計畫和規模都太龐大了,尤其是物理學。一大群團隊用著巨大而昂費的設備,再沒有哪個人真的親力親為、獨力做著什麼事了。

  不過最重要的是,我老爸還是很會說故事的人。超過一個世代的人,都曾分享他的科學故事,其中包括「大霹靂」的宇宙起源。但我在這裡還是忍不住要把他一說再說的,一些比較輕鬆的科學故事,和大家分享。

波士頓的禁書!

  曾經有很多人問我,為什麼這麼好辯?我的直覺反應是,應該是遺傳吧。
1958年,老爸出版了他第一本大學普通物理教科書《物質、地球與天空》。裡面有些東西,我們也選在現在這本書裡。在我的書架上還保留著那本書的第一版首印本——雖然曾經被我的德國牧羊犬金姆把它咬得爛爛的。那本書裡有一幅插圖是著名的畫作,後來並沒有出現在其他版本裡。

  《物質、地球與天空》這本書被波士頓的文化管理單位列為禁書。我父親對這件事似乎不以為意,反而有些沾沾自喜。

  問題是出在書上的第521頁。在這頁裡,談的是我們的銀河(Milky Way)。有些讀者對它的內容頗為反感。

  很多書本談到這個題材時,放上去的都是銀河的實際照片,就像我們在天空清朗的夜晚,仰觀星斗所看到的樣子。老爸不喜歡這種陳腔濫調,因此別出心裁,找了一張丁托列多(Tintoretto, 1518-1594)的畫作擺在這裡。畫的內容是嬰兒時期的希臘英雄海克力斯(Hercules)正在吸吮女神赫拉(Hera)的奶。由於這個小鬼吸得太急、太用力了,奶濺得到處都是,就形成了天空裡的銀河。圖片的說明是這樣的:「圖20-15,丁托列多的『銀河起源』,代表希臘宇宙論的神話。赫拉哺乳給嬰兒時期的海克力斯。即使在這麼小的時候,海克力斯的力氣還是非常大。因此,把乳汁噴了赫拉胸前一大片,就成了天空裡的銀河。畫中那隻老鷹和兩隻孔雀,代表的意義則不詳。」

  審查這本書的某位大學教授,並不欣賞這種幽默,他提出反對意見。因此,出版社沒有辦法出售這本書。後來,在印第二版的時候,出版社就把這幅圖畫抽掉,換上一張老老實實的「滿天星斗」的照片,就是大家眼中銀河的模樣。

  所以啦,我父親的物理學課本第一版,和《查泰萊夫人的情人》以及喬哀思的著作《尤里西斯》有同樣的命運,在波士頓地區給列為禁書。

加莫夫上了《花花公子》雜誌

  某天,一個物理課的學生告訴我老爸,說老師您上了《花花公子》雜誌。老爸聽了之後非常開心,立刻到街上的書報攤,買了25本該期的《花花公子》雜誌。

  《花花公子》有個專欄,是由年輕的讀者投稿的,稱為《花花公子導師》。主要是投稿人在某些問題上,得到某位前輩的指導。而這些所謂的問題,絕大部分是性的問題。

  在專欄裡,一個年輕人寫說,他和女朋友以及另一對年輕朋友到山上的小屋度假、滑雪。其中一對學生是學藝術的,另外一對是學物理的。當他們滑過一天的雪,拖著疲憊的身軀回到溫暖的小木屋,坐在壁爐前時,那位學藝術的學生對他女朋友說:「噢,好女孩,現在就親我一下吧,甜心。」(Oh be a fine girl kiss me right now sweetheart.)

  物理學生在一旁,聽了哈哈大笑。弄得那對學藝術的年輕人一頭霧水。他就問同伴:「你們在笑什麼?什麼事這麼好笑?」物理學生告訴他,如果你上過物理課,就知道我們在笑什麼了。

  因此,這位尷尬的藝術學生,就去請教「花花公子導師」,到底那對物理學生在笑什麼。這位導師告訴他,在早年望遠鏡還不是很靈光的時候,我們觀測到天上的恆星有些很明亮,有些則比較黯淡。因此,當時的天文學家就把恆星光度的等級,分為 a, b, c, d, e, f, … 等等,還認為那些最明亮的恆星距離我們最近,而那些最黯淡的恆星,可能離我們最遠。後來的研究指出,黯淡的恆星,本質上就是比較黯淡的,並不意味著它的距離一定比較遠。因此,恆星的亮度問題只好另起爐灶。

  此後,恆星的絕對亮度就稱為恆星的「光等」,一般就是所謂的幾等星之類的。而恆星的距離我們現在已經知道了。因此,原先的 a, b, c, d, e, f, …等等的光度表示,就改成:o, b, a, f, g, k, m, r, n, s 了。我老爸為了幫助學生記憶,就編了一句順口溜「Oh be a fine girl kiss me right now, sweetheart.」(噢,好女孩,現在就親我一下吧,甜心),在天文學的課堂上,教給學生。

  我不知道這句順口溜是不是老爸發明的。但是《花花公子》的導師告訴詢問的學生,說科羅拉多大學的加莫夫教授在上天文學的時候,就常提到這句話。所以老爸就去買了區區25本《花花公子》雜誌。

金皇冠落水試驗花絮

  1958年,我進入科羅拉多大學。當時父親幫非物理系的學生,開了一門物理通識課程,也叫「物質、地球與天空」,就用同樣名字的書當教材。我也選了這門課。這是我第一次以一個學生的身分,在教室裡看我父親。我記得選這門課的大約有百來人。我敢打賭,他們對這門課一定印象深刻。

  父親深信,一位好的理論物理學家,一定是個差勁的實驗物理學家。他常說一則德國某間大工廠離奇爆炸的故事。

  話說工廠無緣無故,突然爆炸起火,夷為平地。經過徹底調查,都找不出原因。最後有人注意到,工廠爆炸的時候,偉大的理論物理學家鮑立(Wolfgang Pauli)正好搭乘火車,經過工廠所在的城市。有人就開玩笑說,意外的發生可能是一種神祕的「鮑立效應」:偉大理論物理學家鮑立的出現,使時空和磁場發生了扭曲,引起工廠起火爆炸。

  在這門通識課程裡,父親決定首次嘗試,親自進行課程當中相關的實驗。他在列寧格勒大學念研究所的時候,實驗的成績只是馬馬虎虎而已。或許他想給自己一次機會,再試一下。他想表演的是阿基米德著名的實驗故事。據傳說,當時國王要阿基米德想個辦法,來檢驗自己所戴的皇冠是不是純金做的,但前題是不能把皇冠刮傷或破壞,因為它的樣子國王還滿喜歡的。阿基米德最後想出一個方法,就是把皇冠浸入水裡,藉由皇冠排出的水量來計算它的密度。最後的結果是,皇冠果然是純金的。

  科羅拉多大學當然不會做一項金皇冠來實驗。因此,機械工廠特別製作一頂青銅的代替品,給我老爸做實驗。在這麼一天,加莫夫教授帶了他的「皇冠」到教室裡去,想玩玩幾千年前老希臘人玩的把戲。他在桌上擺了一個玻璃燒杯,裡面裝滿了水。現在只要把皇冠放進燒杯裡就行了。一切似乎還算順利。

  他把皇冠用一根細線綁住,吊在一個由螺絲控制的環上。皇冠下方是一個裝滿水的 5,000 cc玻璃燒杯。他的想法很簡單:只要轉動螺絲,讓皇冠慢慢浸入燒杯裡,水就會溢流出來。之後再吊出皇冠,就知道它取代掉多少水了。他對學生解釋了所有的原理之後,開始用一根螺絲起子轉動螺絲,把皇冠降下去。但不知怎麼回事,皇冠並不是慢慢降低高度,而是突然掉下去。當然,玻璃燒杯給打碎了,裡面的水濺得到處都是。

  父親很尷尬的站在講台上,前胸以下的衣服全濕了。坐在最前排的學生也難以倖免。他們當然都開心得大笑。父親自我解嘲說:「看起來,這是個動力學的實驗,而不是密度實驗。」不過他一向很堅持,於是拚命努力,想看看有沒有什麼辦法可以挽救自己的實驗。當然,燒杯破了,所有的水都流光了。但是他發現在講桌旁邊有個水槽。於是他開心的對大家宣布:「今天的實驗還有救。我們可以放水到這個水槽裡,再用皇冠來做實驗。」

  他彎下腰,打開一個水龍頭。可惜噴出來的並不是水,而是水蒸汽。大量的蒸汽馬上湧出來,把他的眼鏡都弄花了。他看不到東西,雙手亂抓,希望能碰到原來的把手,把蒸汽關上。忙了好一陣子,都沒有成功,最後好不容易才搞定。

  大家笑得更厲害了。一位坐在前排的女生,笑得幾乎喘不過氣來。我就坐在她旁邊,窘得恨不得面前有個地洞,可以讓我鑽進去躲起來。大家都興奮極了,惹起很大的騷動。老爸終於從水蒸汽中冒出頭來,說:「我好像開錯水龍頭了。」之後,他再彎下腰看了一下,然後說:「啊!原來水在這裡。」他打開水龍頭。但這個水龍頭接著一根橡皮管。由於水量太大了,這根橡皮管忽然騰出水槽,到處亂噴。父親手忙腳亂,想要去抓住橡皮管。學生們七嘴八舌大叫:「先關水龍頭!先關水龍頭!」這時候,物理系辦公室的祕書和職員,都趕緊跑進教室來。父親的助教也上前幫忙,他捉住父親的手肘,先把他拉開;然後拿拖把和掃帚進來,清理地面上的水漬與碎玻璃,還掃掉一堆濕的筆記本,並大聲宣布實驗課下課。
  在整個學期裡,父親還是堅持自己做實驗。當然,偶爾還是有些實驗相當順利啦。

西部牛仔拔槍實驗

  父親的小名叫喬(Joe)。當他和波耳(Niels Bohr)一起待在哥本哈根那段時期,兩人都很喜歡看美國的西部片。在賈利?古柏主演的這些牛仔電影裡,大部分的牛仔都叫喬。這就是我老爸小名的由來。他非常嚮往西部片裡的英雄。

  波耳是個大科學家,看待任何事都很嚴謹,正經八百的。他對牛仔電影很難理解。在看了很多部西部片之後,他對電影中必然出現的決鬥場面頗有意見。電影中,好人通常穿白衣戴白帽,壞人總是黑衣黑帽。有一次,他忍不住問我爸:「為什麼那穿黑衣的人先伸手拔槍,但穿白衣的人總是後發先至,先開槍把黑衣客打死,或把他手中的槍打掉?」

  對所有人來說,這真是個蠢問題。答案很簡單:這是演電影嘛,當然是邪不勝正囉。但是波耳卻有不同的看法,他說:「我猜想,當你看到別人動手去拔槍,而不得不產生拔槍動作的反射式反應,應該會比主動去拔槍的思考型反應要快。」也就是說,後拔槍的人由於進行的是被動的反射式動作,應該反而快一些。

  波耳非常認真,想追根究柢。於是他買了幾把玩具手槍和兩頂牛仔帽,和我父親一起做實驗,看看到底誰的槍快?是先去拔槍的人呢;還是等別人拔槍,然後不得不反應的人?在做完實驗之後,老爸說,戴白帽子的波耳「把我們都累死了。」
波耳的假設是對的,後拔槍的人往往比較快。

  聽了這個故事之後許多年,我教了一門「行為的分子基礎」課程。裡面有些教材談到一些人類行為在神經學上的基礎。有某一本課本裡提到的東西,非常類似波耳的實驗。它倒不是用槍來決鬥,而是空手道選手的對打。他們發現:先出拳的人其實是比較不利的一方,因為動作反而比較慢。讓別人以拳頭相向的人,其實進行的是一種反射動作,它比有意識的行為迅速得多。

  我能說什麼呢?波耳和我老爸的西部牛仔實驗,領先了他們的時代。也許這就是做科學的態度吧。




其 他 著 作
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