物理 科学史人物志—牛顿
此帖先用于写科学史重启这个贴，以后将以模块的形式每周两篇发出来，目前进度：1.3物质结构·中子发现(查得维克 )，如果想看一些照片就请翻评论，如果只看内容可直接浏览正文
前几日收到了这个新平板上化学，惊喜发现论坛又下回来了，于是我觉得聊聊我现在比较感兴趣的、比我原来所说更贴近质心的主题—科学史，聊聊那些科学史名人。于是决定把这弥足珍贵的第一篇留给科学史当之无愧第一名—艾萨克·牛顿，内容主要融合百度及up主胡晓闲，当然，本片也是我本人打字所写(原来发历史题材的时候就有的防伪码@✟ζ红衣主教&Héber—15✟ )
艾萨克·牛顿（Isaac Newton，1643年1月4日－1727年3月31日）是英国物理学家、数学家、天文学家和自然哲学家，被广泛认为是有史以来最具影响力的科学家之一。他对科学革命和现代科学体系的建立作出了奠基性贡献。
壹‖主要科学贡献：
1. 经典力学与运动定律 先是提出牛顿三大运动定律，为经典力学奠定了基础(第一定律，即惯性定律，第二定律，即力的作用与加速度关系，第三定律即作用与反作用力。后又提出万有引力定律：通过数学公式描述物体间的引力作用，解释了行星运动规律和潮汐现象。传说中苹果落地的启发虽广为流传，但实际我不太相信😂。
2. 微积分学 与莱布尼茨独立发明了微积分（争议持续多年，牛顿1666年发明，但并未提出，之后1676年莱布尼茨发明并提出，牛顿却赖帐不认，实属不要脸），为现代数学和物理学提供了关键工具。
3. 光学研究 他发现白光由不同颜色的光组成（棱镜分光实验），提出光的粒子说。 - 发明反射式望远镜，改进天文观测技术。
4. 出版《自然哲学的数学原理》 1687年出版这部巨著，系统阐述了力学和万有引力理论，标志着经典物理学的诞生。
贰‖生平资历
早年出生于英格兰伍尔索普村，幼年家境普通，曾辍学务农，后考入剑桥大学三一学院。- 1665-1666年因鼠疫返乡期间，在数学、光学和引力领域取得突破性发现。奠定学术地位，曾任剑桥大学教授、英国皇家学会会长，1705年被封为爵士（首位获此荣誉的科学家）。晚年转向神学和炼金术研究，担任英国皇家铸币厂主管，推动货币改革。最出名的就是与莱布尼茨的微积分优先权之争、与胡克关于引力理论的争论广为人知。 其科学方法论（观察→数学建模→实验验证）深刻影响了启蒙运动和现代科学。
叁‖后人评价与名言
爱因斯坦评价：“牛顿是第一个为人类找到可理解自然规律框架的人。”
牛顿的名言： “如果我看得更远，那是因为站在巨人的肩膀上。”（尽管这句话可能暗含对同时代科学家的讽刺，但至今仍被用来强调知识的传承性。）
第二个模块是玻尔模型，玻尔模型是由丹麦物理学家尼尔斯玻尔于1913年提出的原子结构理论模型，它巧妙地融合了经典物理和初生的量子概念，成功解决了卢瑟福行星模型面临的致命问题，并首次在理论上解释了氢原子光谱。其提出过程可以概括为以下几个关键步骤和背景：
1. 卢瑟福模型的困境 ：书接上回，卢瑟福通过α粒子散射实验，推翻了“葡萄干布丁模型”，提出了原子的**核式结构模型**（行星模型）：原子中心有一个带正电的、质量集中的原子核，电子像行星围绕太阳一样在核外轨道上运动。
经典电磁理论的灾难：根据经典电磁理论，做加速运动的带电粒子（如绕核旋转的电子）会以电磁波的形式辐射能量。这意味着电子会迅速失去能量，螺旋式坠入原子核，原子会在极短时间内（约10^{-12}秒）坍缩！这与现实中稳定的原子相矛盾。
原子光谱的困惑：实验观测到的原子光谱（特别是氢原子光谱）是离散的线状谱（如巴尔末系），每条谱线有特定的波长。而经典理论预言加速运动的电子辐射的应该是连续谱（所有频率的光都有），这又与实验不符。
2. 玻尔的灵感和出发点：玻尔（当时在卢瑟福的实验室工作）深刻认识到卢瑟福模型的成功（解释了散射实验）和面临的巨大危机（稳定性与光谱问题）。他受到当时新兴的量子概念的启发(也就大概是普朗克的量子化，即普朗克为解释黑体辐射，提出能量只能以离散的“量子”形式发射或吸收，能量子 E = hν (h是普朗克常数，ν是频率)。和爱因斯坦的光量子即爱因斯坦提出光本身也具有粒子性（光子），其能量也是 E = hν。
3. 然后玻尔模型就拟定了的三大核心假设 ，如下：
定态假设：电子只能在某些特定的、不辐射能量的圆形轨道上运动。这些轨道称为定态。电子在定态中运动时，虽然在做加速运动，但不发射电磁辐射（这直接违反了经典电磁理论）。
量子化条件 (角动量量子化)：电子轨道的角动量 L 只能取普朗克常数 h 除以 2π 的整数倍：
`L = mvr = nħ` (其中 n = 1, 2, 3, ... 称为“主量子数”, ħ = h/2π)
这个公式强制规定了哪些轨道是允许的。轨道半径 r 和电子速度 v 因此被量子化，只能取某些分立的值。
频率条件 (跃迁假设)：当电子从一个能量为 E_i 的定态轨道跃迁到另一个能量为 E_f 的定态轨道时，会吸收或发射一个光子。光子的频率 ν 由两个定态的能量差决定：
`|E_i - E_f| = hν`
如果 E_i > E_f，发射光子；如果 E_i < E_f，吸收光子。
4. 推导：
利用牛顿力学（电子绕核的向心力由库仑引力提供）和他的角动量量子化条件 (`mvr = nħ`)，玻尔推导出了氢原子中电子允许的轨道半径：
`r_n = (4πϵ₀ħ²n²) / (m_e e²) = a₀ n²`(打这种公式好费力
)
其中 `a₀` 是玻尔半径 (n=1时的轨道半径，约 0.529 Å)，是原子尺度的基本单位。
* 结合轨道半径，他进一步推导出了电子在定态轨道上的总能量（动能+势能）：
`E_n = - [m_e e⁴] / [8ϵ₀²h²] * (1/n²) = - (13.6 eV) / n²`
能量 E_n 也是量子化的，且是负值（表示电子被束缚在原子核周围），n=1 时能量最低（基态），n越大能量越高（激发态）。
解释氢光谱：这是玻尔模型最辉煌的成就。当电子从高能级 n_i 跃迁到低能级 n_f 时，发射光子的波数为：
`ṽ = 1/λ = R_H (1/n_f² - 1/n_i²)`
其中 `R_H` 是里德伯常数。玻尔从基本物理常数（m_e, e, h, c）出发，理论推导出了里德伯常数的表达式：
`R_H = (m_e e⁴) / (8ϵ₀²h³c)`
其理论计算值与当时最精确的实验测量值惊人地吻合！这完美解释了氢原子光谱（如巴尔末系对应 n_f=2, n_i>2 的跃迁）的离散性、特定谱线位置以及里德伯公式的来源。
5.意义： 首次用量子化概念成功解释了原子的稳定性和氢原子光谱，解决了卢瑟福模型的致命缺陷。引入了“定态”、“量子跃迁”、“能级”等革命性概念，这些成为后续量子力学的基础。理论推导出里德伯常数，是理论物理的巨大成功。
总结：玻尔在卢瑟福核式模型面临经典理论崩溃（稳定性与连续谱问题）和原子光谱离散性实验事实的背景下，受到普朗克和爱因斯坦量子思想的启发，大胆地提出了三个核心假设（定态、角动量量子化、跃迁频率条件）。他利用经典力学结合量子化条件，推导出了氢原子电子的量子化轨道半径和能级公式，并成功地理论推导出与实验精确吻合的里德伯常数，完美解释了氢原子光谱的规律。这一模型是量子理论发展史上的里程碑，但其局限性也促使了更完备的量子力学（波动力学)
第三个内容是中子的发现，在20世纪初，科学家们已经知道原子由带正电的原子核和带负电的电子组成。卢瑟福的α粒子散射实验确立了原子的核式结构模型。随后，人们认识到原子核本身是由带正电的质子（氢原子核）和另一种粒子组成的，并发现了一些端倪，详细如下
镇贴图，门佬
搞错了
防伪结尾：Vamous
- 1
接下来接着介绍一下莱布尼茨，戈特弗里德·威廉·莱布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz，1646－1716）他是德国哲学家、数学家、科学家、外交家，17世纪百科全书式天才，与牛顿并称微积分创始人，对现代逻辑学、计算机科学等有深远影响。
主要贡献:1. 微积分学 ，正如前文与牛顿各自独立发明微积分，创立积分符号“∫”和微分符号“d”（沿用至今的莱布尼茨记号系统更便于推广）当然主要是与牛顿长期争论微积分的发明权，但现代公认两人独立完成，莱布尼茨的符号体系更具实用性。2. 哲学与逻辑学：提出单子论（Monadology），认为宇宙由不可分的精神实体“单子”构成。 发展形式逻辑，设想“普遍符号语言”进行逻辑演算，被视为计算机理论的先驱思想。3. 科学与技术 ：改进帕斯卡计算器，设计可做四则运算的机械计算。 研究二进制系统，受《易经》启发，奠定现代计算机二进制理论基础。4. 法学：参与编纂法典，提出国际法和平原则5.外交：致力于欧洲学术交流，推动成立柏林科学院。
第一个模块我定为了物质结构，核心问题是分子的结构组成，当然主要围绕的是发现过程
第一个是原子核模型，他发现者是欧内斯特·卢瑟福，以下是其介绍
全名：欧内斯特·卢瑟福
生卒年：1871年8月30日（据说是新西兰） - 1937年10月19日（英国）
国籍:新西兰裔英国物理学家（出生于新西兰，主要学术生涯在英国）
主要领域：物理学（尤其是原子物理学、放射性研究）、化学
卢瑟福是科学史上最伟大的实验物理学家之一，他的工作彻底改变了人类对原子和物质结构的认识
下面说说发现过程；(文笔不好，只能像人机一样)
最初情况
在卢瑟福之前，最被广泛接受的是他的老师J.J.汤姆逊提出的“葡萄干布丁模型”。该模型认为原子是一个带正电的、均匀分布的“布丁”（球体），而带负电的电子则像“葡萄干”一样镶嵌在其中。原子整体呈电中性。然而卢瑟福是研究放射性的大师，他发现了α粒子（氦原子核，带+2个电荷，质量相对较大）和β粒子（高速电子）于是卢瑟福和(应该是他的学生)汉斯·盖革最初只是想用α粒子作为“探针”来探测原子内部的结构，验证汤姆逊模型。他们预期α粒子穿过原子时，会受到原子内正电荷的轻微排斥而发生很小的偏转（散射）。
实验验证
实验装置：
放射源：一个放置在铅室中的放射性物质（如镭）作为α粒子源
准直狭缝：铅块上的狭缝，将α粒子约束成一束细射线。
靶材料：一片极其薄的金箔（厚度仅约0.00004厘米，相当于几百个原子层）。选择金是因为它具有良好的延展性，可以做得非常薄，并且是单质（原子种类单一）。
探测器：一个涂有硫化锌的荧光屏（当α粒子撞击时会产生微弱的闪光）。这个屏幕可以围绕金箔旋转，以便在不同角度观察散射情况。
显微镜：实验者在暗室中通过显微镜观察荧光屏上的闪光，并计数不同散射角度上的α粒子数量。
真空环境：整个装置通常置于真空室内，避免空气分子干扰α粒子束。
因我的阐述能力是坨大的，所以具体实验步骤还是问化学老师吧
最后给一张原理图
第二个模块是玻尔模型，玻尔模型是由丹麦物理学家尼尔斯·玻尔于1913年提出的原子结构理论模型，它巧妙地融合了经典物理和初生的量子概念，成功解决了卢瑟福行星模型面临的致命问题，并首次在理论上解释了氢原子光谱。其提出过程可以概括为以下几个关键步骤和背景：
1. 卢瑟福模型的困境 ：书接上回，卢瑟福通过α粒子散射实验，推翻了“葡萄干布丁模型”，提出了原子的**核式结构模型**（行星模型）：原子中心有一个带正电的、质量集中的原子核，电子像行星围绕太阳一样在核外轨道上运动。
经典电磁理论的灾难：根据经典电磁理论，做加速运动的带电粒子（如绕核旋转的电子）会以电磁波的形式辐射能量。这意味着电子会迅速失去能量，螺旋式坠入原子核，原子会在极短时间内（约10^{-12}秒）坍缩！这与现实中稳定的原子相矛盾。
原子光谱的困惑：实验观测到的原子光谱（特别是氢原子光谱）是离散的线状谱（如巴尔末系），每条谱线有特定的波长。而经典理论预言加速运动的电子辐射的应该是连续谱（所有频率的光都有），这又与实验不符。
2. 玻尔的灵感和出发点：玻尔（当时在卢瑟福的实验室工作）深刻认识到卢瑟福模型的成功（解释了散射实验）和面临的巨大危机（稳定性与光谱问题）。他受到当时新兴的量子概念的启发(也就大概是普朗克的量子化，即普朗克为解释黑体辐射，提出能量只能以离散的“量子”形式发射或吸收，能量子 E = hν (h是普朗克常数，ν是频率)。和爱因斯坦的光量子即爱因斯坦提出光本身也具有粒子性（光子），其能量也是 E = hν。
3. 然后玻尔模型就拟定了的三大核心假设 ，如下：
定态假设：电子只能在某些特定的、不辐射能量的圆形轨道上运动。这些轨道称为定态。电子在定态中运动时，虽然在做加速运动，但不发射电磁辐射（这直接违反了经典电磁理论）。
量子化条件 (角动量量子化)：电子轨道的角动量 L 只能取普朗克常数 h 除以 2π 的整数倍：
`L = mvr = nħ` (其中 n = 1, 2, 3, ... 称为“主量子数”, ħ = h/2π)
这个公式强制规定了哪些轨道是允许的。轨道半径 r 和电子速度 v 因此被量子化，只能取某些分立的值。
频率条件 (跃迁假设)：当电子从一个能量为 E_i 的定态轨道跃迁到另一个能量为 E_f 的定态轨道时，会吸收或发射一个光子。光子的频率 ν 由两个定态的能量差决定：
`|E_i - E_f| = hν`
如果 E_i > E_f，发射光子；如果 E_i < E_f，吸收光子。
4. 推导：利用牛顿力学（电子绕核的向心力由库仑引力提供）和他的角动量量子化条件 (`mvr = nħ`)，玻尔推导出了氢原子中电子允许的轨道半径：
`r_n = (4πϵ₀ħ²n²) / (m_e e²) = a₀ n²`(打这种公式好费力)
其中 `a₀` 是玻尔半径 (n=1时的轨道半径，约 0.529 Å)，是原子尺度的基本单位。
结合轨道半径，他进一步推导出了电子在定态轨道上的总能量（动能+势能）：
`E_n = - [m_e e⁴] / [8ϵ₀²h²] * (1/n²) = - (13.6 eV) / n²`
能量 E_n 也是量子化的，且是负值（表示电子被束缚在原子核周围），n=1 时能量最低（基态），n越大能量越高（激发态）。
解释氢光谱：这是玻尔模型最辉煌的成就。当电子从高能级 n_i 跃迁到低能级 n_f 时，发射光子的波数为：
`ṽ = 1/λ = R_H (1/n_f² - 1/n_i²)`
其中 `R_H` 是里德伯常数。玻尔从基本物理常数（m_e, e, h, c）出发，理论推导出了里德伯常数的表达式：
`R_H = (m_e e⁴) / (8ϵ₀²h³c)`
其理论计算值与当时最精确的实验测量值惊人地吻合！这完美解释了氢原子光谱（如巴尔末系对应 n_f=2, n_i>2 的跃迁）的离散性、特定谱线位置以及里德伯公式的来源。
5.意义： 首次用量子化概念成功解释了原子的稳定性和氢原子光谱，解决了卢瑟福模型的致命缺陷。引入了“定态”、“量子跃迁”、“能级”等革命性概念，这些成为后续量子力学的基础。理论推导出里德伯常数，是理论物理的巨大成功。
总结：玻尔在卢瑟福核式模型面临经典理论崩溃（稳定性与连续谱问题）和原子光谱离散性实验事实的背景下，受到普朗克和爱因斯坦量子思想的启发，大胆地提出了三个核心假设（定态、角动量量子化、跃迁频率条件）。他利用经典力学结合量子化条件，推导出了氢原子电子的量子化轨道半径和能级公式，并成功地理论推导出与实验精确吻合的里德伯常数，完美解释了氢原子光谱的规律。这一模型是量子理论发展史上的里程碑，但其局限性也促使了更完备的量子力学（eg.波动力学)
图片:
原子基础结构
氧原子的原子结构图
