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《质子自传》
激发
芫荽    来源社团:南方科技大学科幻协会...
得票 10 阅读 347 评论 1

电子话音未落,只见一大束不同颜色的光子飞速而来①。奇怪的是,有些光子撞在电子身上什么事情也没有发生,而其中某个光子刚刚挨着电子便与电子融为一体②。当这些不速之客走远之后,我们想看看吸收了一个光子的电子有什么变化,却发现之前寻了好久规律的电子出现概率已经不适用了,电子依旧在我们周围运动着,只是有时候觉得离我们更远了一些③。我和中子花了一些时间才终于又找到他在每个位置出现的大致概率,和他舒服地对话。

我忍不住问道:“你刚刚……是吃了一个光子?”

电子却很无辜地回答:“我又不是故意的,是他自己撞上来的。”

“我不是这个意思,我是想问光子竟然真的能回到你身体里?”

“你不是都看到了吗?”电子有些不太耐烦。

“你为什么只挑这一个光子下手呢?之前应该有很多光子撞在你身上的。”

“我也想将他们全部抓住补回我之前的能量,可是不知道为什么,在他们之中我只能吸收这一个光子。”

正说着,一个光子从电子身上窜了出来,迅速逃离消失在了远方。电子的运动又变为一种前所未见的行迹,我们还没来得及找出他的分布规律,便见到又一个光子飞出不见。而此时电子恢复了最初的绕行方式,我暗自庆幸不用再进行枯燥的找电子出现概率的过程了④。

“好不容易觉得离你们远一些有离开的希望了。吝啬的光子,不过吸收了一个而已,我放他出来便罢了,他还要再拉出一个同伴。”

“可是你的能量和吸收光子前并没有什么区别啊,你还是和最初一样绕着我们转。”中子这话不知道是安慰他还是在挖苦他。

之后,每当有光照射过来,尽管知道毫无意义,尽管只能吸收一些特定的光子,电子仍坚持不懈地吸收所有他所能吸收的撞到他身上的光子。电子变成另外一种绕行方式不久就陆续释放出一个甚至好几个光子,然后又跌回最开始的运动。如果幸运的话,他也是有可能捉住光子在更高的轨道上待很长时间的,但这也是暂时的,一旦有和被他捉住的光子频率一样的光子扎堆过来,团结的光子群们就会带走被电子捉住的光子⑤。而我和中子在接下来的时间里都要忍受掉回原来绕行轨道上的电子的牢骚。如果不是知道他想离开,我们还会误以为他在乐此不疲地玩着抓光子的游戏呢。

一个平平无奇的日子,和往常一样,又有一大群光子飞来,这次很巧第一个撞上的光子就被电子吸收,我们原以为这次也会电子也会和以前一样徒劳无功,然而出乎我们的预料,电子越飞越远了。我们静静地等着他扔出几个光子再回来,却再也没有等到⑥。

“他终于得偿所愿了。”中子似乎为他感到高兴。

“原来他那么想离开我们。”我有些失落。

“他那时可能自己也不知道发生了什么吧,毕竟失败了那么多次,谁知道这次竟然能远走高飞了呢?”

“或许吧。少了一个电子,感觉周围清净了不少。”我知道过不了多久我就会改口的,“少了一个电子,感觉周围凄凉了不少。”

“偌大的空间,又只剩我们两个了呢。”

注释(本章节虽然因为剧情需要只写了氢原子的激发,但其他原子的电子的跃迁也与之类似):

1. 光的颜色:光是电磁波,可见光的颜色其实对应的的是光的频率(或者说波长,因为频率*波长=光速,光速一定时,频率和波长是一一对应的),而一个光子所携带的能量等于普朗克常量和光子频率的乘积。人眼能感知到的光的波长范围大概为400-760nm,具体因人而异。这些不同波长的光进入人眼后经过处理就表现为了不同的颜色,如果觉得难以理解的话,可以类比声波,我们在初中的时候就学过人耳能听到的声音的频率范围约为20-20000Hz,不同频率的声音进入人耳后经过加工,人们就能感受到音调的高低。所以和不同的动物能听到的声音频率范围不同一样,不同的动物能感知的光的频率范围也不一样,那么问题来了,什么动物看到的光的频率范围最大呢?答案就是曾称霸表情包界的皮皮虾(好像……有点扯远了)。

2. 根据玻尔原子模型,当电子吸收一个光子时会从低轨道跃迁(如果觉得“跃迁”这个物理学语言不太理解,就把它当成跳跃吧)到更高的轨道,但只有当这个光子的能量正好等于这两个轨道的能量差时光子才会被电子吸收。当然,使电子跃迁到高能级的方法不只有让他吸收光子,还可以加热、通电,或者撞击以给他提供足够的能量。

3. 2中为了解释的方便依然采用了原子轨道模型。能量更高时电子在原子核外的分布概率会与能量较低时不太一样(“电子云”的形状会发生变化),并且有机会去离原子核更远的地方。

Image title当电子吸收了一个光子之后,一般情况下会马上以光子的形式释放出能量并回到能量更低的轨道。只是有可能在两个轨道间还有一个或几个轨道,这时候电子就可能先释放出一个光子到中间的轨道歇歇脚,再释放出一个光子回到最稳定能量最低的基态(见右边用画图画的图,请无视比例的不协调和与事实不太相符的颜色)。值得一提的是,无论是释放一个光子直接回基态还是释放几个光子在中间休息下,这些光子的总能量都会等于最初的轨道和最后的轨道的能量之差。光子的能量与频率成正比,可见光的频率又与颜色相对应。对于不同的原子,其原子核外部的电子的轨道是不相同的,相应的能极差也不一样,所以不同的原子中的电子从高能级跃迁回低能级时放出来的光子的能量(即频率,也就是颜色)是各不相同的。看到这里,不知道你们有没有想到 - -焰色反应。想当初在复习人教版物理选修3-5(让我坚定地跳入物理坑的“始作俑者”)和化学时,突然发现了电子跃迁和焰色反应之间的联系,现在想来也是有点小激动呢!当然,这么重要的原理不能只被浪费在制造烟花上,所以便有了光谱分析,通过分析原子的吸收或发射光的频率(这里不说颜色是因为有些光人眼不可见),就能判断出这是什么原子。

4. 上一条注释讲了一般情况,这里该讲特殊情况了,当电子收到激发比如说吸收了一个光子或者从外界吸收了很多热量跃迁到高轨道之后,有可能死皮赖脸地赖在那里不下来了(“我受刺激了,要光子亲亲抱抱才下去”),这时候如果有符合条件的光子,即能量正好等于高轨道和基态的最低轨道的能量之差的光子来刺激电子,他就会跳回基态并释放出一个光子。这便叫做“受激辐射”,也是激光的基本原理,当然人类世界的激光是不会由激发氢原子产生的。

当光子的能量比电子的最低轨道与最高轨道的能极差还大时,就有可能把电子从原子中剥离出来使电子变成自由电子,并且光子的剩余的能量转化为电子的动能。考虑光子打到连接到电路中的金属板时(如右图所示,紫光打在金属板上),会激发出表面的电子,拥有初动能的电子会继续向前运动,运动的电荷就形成了电流,如果有足够多的电子打到对面的金属板上,那么电路就会由原来的断路变成通路,电流表就有了示数,这就是光电效应。爱因斯坦只做了一点微小的工作(与其他工作相比)引入了光子的概念解释了这一过程中一些无法用经典物理解释的诡异现象,于是获得了1921年的诺贝尔物理学奖。Image title



-完-
我要评论
芫荽 2018-01-10 14:01
核反应的公式格式有点错乱,原子前面的数字本来是放在左上角代表核子数的,不是化学反应式中代表原子的个数的。另外10^15飞米=1米,注释中也被吞了。
科普作品
质子自传
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评委点评 评语汇总

读完给人眼前一亮,感觉自己都已经进入质子的角色,去看世界了。整个作品不仅科学表述准确,文风也很让人容易接受,是一篇难得的佳作。不过文中括号部分的旁白注释过多,可以适当减少,或者换个方式表述。

2018-01-09 17:42 匿名 ——

科学性与与科普性非常强的一篇文章,但它又不像教科书那样枯燥乏味,就连文中的注解也散发出可爱的气息来 。和第一轮相比,第二轮不仅仅内容更加充实,故事线更长,作者还采纳了建议在文中专门备注了科学知识点,这点非常难能可贵。

2018-01-12 17:04 匿名 ——

作者下了很大的功夫查阅了国内外不少文献,力求把最新的知识和成果呈现出来,这种精神很值得提倡。作者同时具有较深厚的文学修养和文字功底,能把学术概念、词汇转化成通俗易懂的语言表达出来,还设计了故事情节,吸引读者阅读下去,这些都是可圈可点之处。建议注释精简、精炼,以免喧宾夺主。

2018-01-13 20:09 匿名 ——

一个相对冷的选题能写成这样让人欲罢不能,很棒!期待看到粒子(元素)全传。

2018-01-23 16:12 匿名 ——

质子、中子、电子,这些微观世界的物质,是科普的难点,本文的重要特色在于拟人化,展现了这些微观粒子的主要特征。对话和故事性都很有特色。

2018-02-08 23:58 匿名 ——

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