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标题: 量子的诞生：玻尔的原子模子 [打印本页]

作者: 苏宁熙熙 时间: 2023-2-18 10:41
标题: 量子的诞生：玻尔的原子模子
量子的诞生：玻尔的原子模子
量子论有三位开山鼻祖，前两位便是台甫鼎鼎的普朗克和爱因斯坦，而第三位就是玻尔。
1905年，爱因斯坦发表了相对论，还发表了有关量子论的第二篇重要论文，也就是关于光子的论文。
爱因斯坦说，光是由光子构成的，普朗克的光量子其实就是光子。这么简朴的一句话，却是爱因斯坦得到诺贝尔物理学奖的重要原因。为什么？由于爱因斯坦走得比普朗克远，他发现了光的“原子”。

今天，我们偏重谈谈玻尔的原子，即构成物质的根本身分。那么，玻尔到底做了什么呢？
玻尔发现了原子的“太阳系”结构，也就是说，处于原子中心的是原子核，类似太阳；一些电子绕着原子核转，类似行星。不外，这些电子行星和太阳系中的行星不一样，它们的轨道必须满足所谓的“量子化”。
玻尔提出的原子的“太阳系”结构

那么，什么是“量子化”呢？
也可以用简朴的一句话来表述：原子里的电子轨道不是任意的，要满足一定的条件。下面，我来具体表明一下玻尔是如何发现这个条件的。
玻尔在研究原子的时候，受到光谱学的开导。光谱学，是19世纪下半叶的一个非常重要的物理学分支。
煤炭燃烧的时候，我们可以测量这块煤炭发出的光的频率以及光的颜色。一块铁被熔化的时候，铁的温度会变得非常高，同时也会发出光。如今我们还有激光器这样的科学仪器，可以测量物体发出的光。这些物体能发光都是由于物体里的原子在起作用。也就是说，当我们把一个原子加热到一定温度时，它就会发出光来。这是什么原理呢？

我们以氢原子为例举行表明。氢原子是一个什么样的结构？它的中心有个原子核，原子核外面有个电子在绕着它转。如果我们把每一时刻电子地点的位置都描画出来的话，电子就有了一个确定性的轨道。玻尔也是这么想的。他认为，电子在原子内里有确定的轨道。但是这些轨道不是任意的，不像我们通常想的那样。如同地球围绕太阳运转，只管地球间隔太阳有1.5亿千米，但是它仍然有一个轨道。即使有一种神奇的力量把地球向太阳拉近一点点，这个轨道也仍然存在。玻尔提出的原子轨道
那么在原子内里，我们是不是可以把电子向原子核挪近一点点，又大概把电子和原子核之间的间隔拉开一点点呢？玻尔说不可以。他认为，电子只能在一些具有确定性的轨道上运转，而这些轨道是可以盘算出来的。当然，这些轨道有很多，大概说有无穷个。这无穷个轨道都不是任意的，而是可以用自然数来标记的，比如第一个轨道、第二个轨道、第三个轨道和第四个轨道等。那么，玻尔又是如何发现这些轨道可以用整数标记的呢？

19世纪下半叶，一些实行物理学家发现，氢原子发出的光的频率也可以用整数举行标记。光谱并非如同我们想象的那样，是连续性的一个长条，而是一条一条分开的。这就阐明，电子在原子内里的轨道必须是能够通过整数标记的，是一条一条分开的，而不是连续变化的。
玻尔的这个发现，对量子论来说非常重要。由于它阐明电子的轨道是一条一条变化的。其中有一个常数也被引入了，这个常数就是普朗克常数。量子论从此进入了量子力学的阶段，只管其时的物理学家还没有用到量子力学这个概念。

为什么说玻尔对量子力学做出了重要贡献呢？就是由于他标定的轨道内里有普朗克常数，而这个常数是量子力学内里的一个非常重要的常数。这就有点像普朗克发现光的能量子也就是量子一样。我们把所有可以通过这样分开的整数来量度的东西统称为量子。以是，从某种意义上来说，玻尔发现了原子内里的量子，也就是原子的能级。能级是一条一条分开的，当电子从一个轨道上跳到另一个轨道上，也就是从一个能级跳到另一个能级上时，它发出来的光是一条一条分开的。而在氢原子内里有一个著名的光谱，叫巴耳末谱线。玻尔用自己的理论，精确地重新盘算出巴耳末谱线，这是玻尔了不得的成绩。当然，玻尔能把氢原子的一个简朴模子推广到所有的原子上，也是他了不得的地方。
用玻尔的简朴氢原子模子来看，当电子从一个能量的状态跳到另一个能量的状态，要辐射一定能量的光，而这个光的光谱是可以被测量的。通过爱因斯坦的理论可知，光辐射出来的光子的能量和它的频率有关。以是，当测量出这个光子的频率的时候，我们就确定了这个光子从氢原子里跑出来时它的能量是多少。当我们测量了光子的能量，也就确定了这个电子是从哪个轨道上跑到另一条轨道上的。
当然，玻尔的轨道概念只是暂时性的。在这之后，又过了12年，海森堡用量子态取代了轨道。在海森堡那边，是不被答应谈论轨道的，由于电子不存在轨道，只能说从一个能量的状态跳到另一个能量的状态。海森堡到底发现了什么？我们再过三堂课来谈。
关于玻尔的故事，比普朗克的要多，由于玻尔这个人带的门生太多了，就像苏格拉底的那些门生一样，普朗克的门生也会讲关于他的故事。
一提起科学家，很多人脑海中立刻浮现出一副身单力薄、病歪歪的形象。但究竟上，科学家中也有不少“肌肉男”，其中最典范的就是玻尔。玻尔年轻时是一个非常有名的足球活动员。他还有一个后来做了数学家的弟弟，比他更锋利的是，他的弟弟曾经作为丹麦国家足球队队员参加过奥运会，并且得到了奥运会的银牌。兄弟俩都曾效力于哥本哈根大学足球队，这是一支很强的球队，多次得到丹麦全国比赛的冠军。玻尔是这支球队的替补守门员。为什么是替补呢？由于玻尔地点的球队很强，一般都是他们去围攻对手的大门，很少会被别的球队威胁自己的球门。作为这支强队的守门员，玻尔绝大多数时间都是很闲的。为了打发时间，他养成了一个“坏”风俗，就是在空闲的时候找几道物理题算算。有一次，他们的球队和一支德国球队比赛，玻尔又风俗性地开始盘算物理题了。结果德国球员发动反击的时候，看到对方守门员在发呆，就选择直接远射吊门。而此时的玻尔还陶醉在物理的天下里，根本没注意到发生了什么，就这样被德国人攻破了球门。玻尔地点球队的锻练勃然大怒，从此以后，玻尔就被贬为替补守门员了。

玻尔

玻尔是一位伟大的科学家，同时也是一个非常有品德魅力的向导者。他在他的母校哥本哈根大学创建了著名的玻尔研究所。曾经有32位诺贝尔奖得到者在这里工作、学习和交换过，这让玻尔研究地点20世纪二三十年代成为国际物理学研究的圣地。
有一次，玻尔去苏联科学院访问。有人问他：“请问您用了什么办法把那么多有才华的青年人都连合在自己的附近？”玻尔笑着回复：“由于我不怕告诉年轻人我是傻瓜。”结果翻译一告急，把这句话翻成“由于我不怕告诉年轻人他们是傻瓜”，顿时引得哄堂大笑，由于苏联人所熟知的苏联物理学泰斗朗道就喜欢这么对待门生。
我个人经常用玻尔来激励自己，并不是由于他发现了原子结构，而是他50岁之后不干物理了。他清晰自己老了之后的长项：第一，做点构造工作；第二，研究一下量子力学对其他学科的作用；第三，创建一些研究所。
在玻尔的文会合，除了论文，还有很多他的演讲稿，这些演讲稿也成了经典，内里有不少关于量子论的哲学观点。当然，他的哲学不总是对的。比如，人们经常提到的互补原理，其实不如海森堡发现的原理。不外，这是别的一个话题了。

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