玻尔和他的原子理论

 

陕西省扶风高中  吕亚娟

 

一、“伟大的三部曲”

尼耳斯·玻尔于1885年10月7日生于丹麦的哥本哈根。父亲是哥本哈根大学的生理学教授。父亲为了自小培养孩子们的动手能力，在家中搭了个工作台。置办了工具和一台车床。心灵手巧的玻尔熟练地掌握了金工技术。家里的钟表、自行车坏了，玻尔就动手学着修理。

在中学里，玻尔各科的成绩都很好。1903年，进入哥本哈根大学攻读物理。

1905年，丹麦科学文学院悬赏征求有关液体表面张力的论文。玻尔参加了竞赛，他设计实验，写了论文。经过评比，玻尔获得了一枚金质奖章。

1910年，25岁的玻尔完成了《金属电子理论的研究》的博士论文，次年通过答辩，取得了哲学博士学位。

起初他在英国剑桥大学汤姆生领导下的卡文迪许实验室工作，以后又在曼彻斯特大学的卢瑟福实验室工作，玻尔一直把卢瑟福当作自己的老师，非常赞赏他的学问和为人。这期间，玻尔的主要兴趣集中在原子结构的研究。

1911年，卢瑟福根据α粒子散射实验，提出了原子的核式结构模型。玻尔在此基础上，发展了对氢原子结构的新观点。他应用量子论，借助于光谱学的实验结果，写成了题为《论原子和分子结构》的长篇论文，于1913年分三次在《哲学杂志》上发表，此论文被他的学生誉为“伟大的三部曲”。

二、玻尔的假设

卢瑟福的核式模型跟经典的电磁理论发生了矛盾，按照经典电磁理论，做加速运动电荷应该辐射出电磁波，因此它的能量要逐渐减少，电子绕核运行的轨道半径也要减小，于是电子将沿着螺旋线的轨道落入原子核，这样看来，原子应当是不稳定，然而实际上并不是这样。

玻尔认为：要解决原子的稳定性问题，“只有量子假说是摆脱困验的唯一出路。”玻尔首先将原子现象和原子核现象区分开来，在听了别人的建议之后，玻尔仔细地研究和分析了当时已知的大量光谱数据和经验公式，特别是巴尔末公式，受到了很大的启示，光谱学和原子结构，这原先互不相干的两门学科，玻尔看到了它们的内在联系，光谱学中大量的实验数据和经验公式，为原子结构提供了十分有用的信息。玻尔据此写出了“伟大的三部曲”。玻尔的论文把卢瑟福、普朗克、爱因斯坦的思想结构起来，创造性地将光的量子理论引入到原子结构理论中来，克服了经典理论解释原子稳定性的因难。这是原子物理学的划时代的文献。

玻尔在大学里接受的是早期存在主义的哲学教学，因此写文章一般总是夹叙夹议，非到不得已时不肯列出任何条文。他的各种概念也往往很不固定，时常处于变动之中。喜欢这种风格的人，就会说他思想灵活，绝不僵化，甚至说他懂得辩证法。不喜欢这种风格的人就说他不合逻辑，不可理解等。

了解了这种情况后，各种书籍上说玻尔提出的假设条数，有两条的、有三条的、有五条的，这种说法不一的情况就能解释了。

高中《物理》第三册，介绍玻尔理论的主要内容时，分成了三个“假设”。为了便于叙述和记忆，不妨简称之为（1）定态假设；（2）频率假设；（3）轨道量子化假设。在《教学参考书》中，则把这三条叫作（1）能级假设；（2）跃迁假设；（3）轨道假设。

1922年，玻尔在接受诺贝尔奖时所作的演讲中，则只提到了两个“假设”——定态假设和频率假设，他说：

“1913年我用两个假定的形式提出了这样一种表述，下面我来讲一下：

（1）在原子系统的设想的可能运动状态中存在着所谓的“稳定态”。在这些状态中，粒子的运动中虽然在很大程度上遵守经典力学规律，但这些状态的独特的稳定性不能用力学来解释，原子系统的每个变化只能从一个稳定态完全跃迁到另一种稳定态；

（2与经典电磁理论相反，稳定原子不发生辐射，只有在两个定态之间间跃迁才产生电磁辐射。辐射的特性相当于以恒定频率作谐振动的带电粒子按经典规律产生的辐射，但频率v与原子的运动不是单一关系，而是由下面的关系来决定：hv=E´-E〃。”

以上的说法，可加深我们对高中教材中有关内容的理解。

三、对玻尔理论的评价

玻尔的理论发表后，由于观点特别新颖，以致当时不少物理学家难以接受。例如，瑞利曾认为这篇文章“对我没有用”；斯特恩（1888-1969年，1943年诺贝尔物理学奖获得者）尽管后来对玻尔思想的发展作出了很多贡献，也曾说过：“假如玻尔的理论碰巧是对的话，我们将退出物理学界”。

玻尔用他的原子模型十分成功地用一个公式解释了氢原子的光谱线，不仅与已发现的巴尔末系、帕邢系符合得很好，还预言了一些氢的谱线，后来果然被赖曼发现了。

此外，美国天文物理学家匹克林（1846-1919年）曾于1897年在研究星体光谱和日冕光谱时发现了一些谱线。1912年，英国曼彻斯特大学的福勒（1868-1940年）在充有氢氦混合物的放电管里也得到一些谱线，他俩都把这些谱线说成是氢谱线。但玻尔根据自己的理论，认为应属于氦离子的，这在当时是一种出人意料之外的新观点。

1913年9月，经福勒的助手伊万斯所做的实验证实，玻尔的说法是正确的。这使玻尔的理论经受了一次考验，并在整个物理界取得了“轰动性的效果”。按照希维思的记述，当爱因斯坦听到这个消息时，“他的大眼晴显得越发大了……他告诉我，‘那么，这是最伟大的发现之一’。”

1914年，玻尔的定态能级理论就为德国物理学家弗兰克（1882-1964年）和赫兹（1887-1975年，发现电磁波的赫兹是他的叔父）用实验证实，为此，他们两人获得了1925年度诺贝尔物理学奖。

玻尔理论在解释氢原子光谱上虽然很成功，但用来解释比较复杂的原子，例如氦原子光谱时却碰到很大的困难，理论推导出来的结构跟实验事实出入很大。这是因为限于历史条件，玻尔理论没有从根本上脱离经典物理学的理论框架，对量子化条件的引进也没有从理论上给以适当的解释。大约在玻尔理论建立十年之后，建立了量子力学，这是一种彻底的量子理论。我们在前面提到的玻尔理论的基本假设，在量子力学里也变成了从理论上推导出来的必然结果，而不在是人为的假设了。

四、反法西斯的战士

1916年，玻尔在哥本哈根大学担任理论物理学教授的职务。1921年1月18日，由玻尔建议和筹建的“理论物理研究所”竣工落成，玻尔担任所长。在他的周围聚集着许多有为的年青物理学家，如海森堡、泡利、狄拉克、朗道等，他们来自不同的国家，相互磋商，自由讨论，不断创新，发展成了有名的“哥本哈根学派”。

当有人问起玻尔：“您有什么秘诀能使这么多青年理论家如此热衷地聚集在您哪里？”玻尔答道：“没有任何秘诀。只有一点清楚的，我不怕在年青人面前显露自己的愚蠢。

1940年春天，德寇入侵丹麦，玻尔坚决不与占领军合作，却同丹麦反法西斯的抵抗运动保持着密切的联系。

当年的9月28日，情况恶化，玻尔经瑞典逃到英国。

1944年初，玻尔化名“贝克”，前往美国的洛斯阿拉莫斯，参加研制原子弹的“曼哈顿计划”。

战后，玻尔又回到了丹麦，仍继续他的原子物理的研究工作。他将弗兰克、劳厄存放在他那儿的两枚诺贝尔金质奖章进行了重铸，因为他在离开丹麦时，把这两枚奖章溶化在一瓶“王水”里了。至于玻尔自己的那枚奖章，则早已捐献给芬兰战争了。后来，人们又为玻尔募集黄金，重铸了一枚，送回丹麦，永远陈列在丹麦博物馆里。