一、原子有核模型面临困难

卢瑟福原子有核模型很好地解释了α粒子的散射实验,但也存在着严重困难。

按照经典电磁理论:任何带电粒子在做加速运动的过程中要以发射电磁波的方式放出能量,这样,电子绕核运动的轨道半径会越来越小,最后很快地(时间约为10-9秒数量级)落在原子核上,原子就不可能稳定。 而事实上原子是稳定的。 另外,按照经典电磁理论:电子绕核运行时辐射电磁波的频率应该等于电子绕核运行的频率,随着运行轨道半径的不断变化,电子绕核运行的频率要不断变化,因此原子辐射电磁波的频率也要不断变化,这样,大量原子发光的光谱就应该是连续光谱。 然而,实际上原子光谱是由一些不连续的亮线组成的明线光谱。 为此,原子有核模型提出以后并没有引起学术界的重视。

二、二十世纪初物理界的几件大事对玻尔的影响

作为卢瑟福的学生,玻尔对卢瑟福的模型的正确性是坚信不疑的,为此要设法找到一个根本性的修正方法,既能说明原子的稳定性,又能解释原子的明线光谱。 在玻尔模型提出之前,在物理学界还有几件大事,对他很有启发: 一是1900年德国物理学家普朗克提出了能量量子化概念,即分子和原子的能量不是连续变化,而只能取一些分立值。 二是爱因斯坦为解释光电效应的实验规律,进一步提出光量子假定,即电磁波可看成是由能量为hυ、动量为h/λ的粒子(光子)组成,揭示了光的波粒二重性。(h是普朗克常量,υ是粒子振动的固有频率,λ是波长) .第三件大事是瑞士物理学家巴耳末、瑞典物理学家里德伯等用下面这个很简单的经验公式就能描述实验已观测到的所有氢原子光谱:

1/λ=RH(1/n2 - 1/m2)

其中: λ是光谱波长 RH 是里德伯常数= 4/B , B=364.56纳米 m.,n都是正整数。

当n=1,m=2,3,4,… 时可得一组谱线的波长,这个谱线称为赖曼系,

当n=2,m=3,4,5, … 时所得一组谱线的波长,这个谱线称为巴耳末系,

当n=3,m=4,5,6,… 时所得一组谱线的波长,这个谱线称为帕邢系,

类似可得布喇开系(n=4)和普丰特系(n=5)等。

上述经验公式是根据实验资料,凭经验凑出来的。但是,如此简单的公式,却能把大量的谱线,按规律分成许多谱系,而且计算所得的波长与实验值非常一致。这在当时确实是一个无人知晓的"谜",这个谜底将由玻尔来揭晓。

三、玻尔原子模型的内容(1913年)

经过两年坚持不懈的努力,玻尔终于在1913年,将量子概念用到了卢瑟福的原子模型中,并且将原子结构与光谱联系起来,提出了玻尔的氢原子模型。这个模型是以以下三个基本假设为基础的:

1.定态假设:原子系统只能具有一系列的不连续的能量状态,电子只能处于这一些分立的"允许轨道"上,在这些状态中,电子虽然绕核作加速运动但不辐射电磁能量,这些状态称为原子系统的稳定状态(简称定态),相应的能量分别为E1,E2,E3,…( E1〈E2〈 E3〈 … 〉,相应的"允许轨道"半径为 r1 ,r 2 ,r 3 …,它们之间的关系是:

En = - e2/2rn

En = -13.6/n2 电子伏

rn = 0.0529n2 纳米

n = 1,2,3, … (n为正整数,称为量子数。)

2.频率条件假设:当电子从一个具有较大定态能量En的"允许轨道"跃迁到另一个较低定态能量Em的"允许轨道"时,原子会以电磁波的形式放出能量,则放出光子的能量由下式决定:

hυ=(En - Em)/h 式中h为普朗克常量。

反之,当电子在较低能量Em的"允许轨道"时,如吸收频率恰好为υ的光子,就可以跃迁到较大能量En的"允许轨道"上

3.角动量量子化假设:在电子绕核作圆周运动中,不同的可能的稳定状态决定于下面这个条件,电子的角动量mvr等于h/2π的整数倍,即

mυn r = nh/(2π) , n = 1, 2, 3, …

根据这三个假设,玻尔导出了里德伯等人的氢原子光谱实验公式,并且还成功预言了当时尚未观察到的紫外区和远红外区的谱系。

玻尔理论推广到类氢原子(锂、钠、钾等)也获得很大成功。这样,终于揭开了三十多年的令人费解的氢光谱之迷,对量子论和原子物理的发展奠定了基础。1922年,玻尔为此荣获诺贝尔物理奖。

四、玻尔的成功原因

玻尔取得如此巨大的科学成就,固然有种种客观原因,但就主观素质而言,他不受经典著作的约束,思想解放,大胆创新,第一个将普朗克和爱因斯坦的量子化概念用到了卢瑟福的原子有核模型中,成功的给出了氢原子结构的描述。

玻尔成功后,当时世界上许多科学发达国家的著名大学和研究所都对他发出邀请,并提出高薪报酬,包括他的导师卢瑟幅的邀请,但他一一婉言谢绝了,他一心致力于自己诞生的国土(丹麦)上建立一个物理研究所,1921年3月在哥本哈根大学由他倡建成立了理论物理研究所(1965年改名为尼尔斯.玻尔研究所)。

在玻尔的不懈努力下,玻尔研究所生气勃勃地发展起来了,使这个人口不到500万的国家,建成了一个当时与英国剑桥、德国哥廷根齐名的国际物理学研究中心,哥本哈根被许多著名物理学家誉为"物理学界的朝拜圣地"。

玻尔在科学探索的道路上敢于改革,富有革命性。因此,他成了原子论的奠基者和一大批量子理论家的旗手和领袖。

Aiyinsitan爱因斯坦,A.Albert Einstein (1879~1955)

A.爱因斯坦是20世纪最伟大的自然科学家,物理学 革命的旗手。1879年 3月14日生于德国乌耳姆一个经营电器作坊的小业主家庭。一年后,随全家迁居慕尼黑。父亲和叔父在那里合办一个为电站和照明系统生产电机、 弧光灯和电工仪表的电器工厂。在任工程师的叔父等人 的影响下,爱因斯坦较早地受到科学和哲学的启蒙。1894 年,他的家迁到意大利米兰,继续在慕尼黑上中学的爱因斯坦因厌恶德国学校窒息自由思想的军国主义教育,自 动放弃学籍和德国国籍,只身去米兰。1895年他转学到 瑞士阿劳市的州立中学;1896年进苏黎世联邦工业大学 师范系学习物理学,1900年毕业。由于他的落拓不羁的性格和独立思考的习惯,为教授们所不满,大学一毕业 就失业,两年后才找到固定职业。1901年取得瑞士国籍。 1902年被伯尔尼瑞士专利局录用为技术员,从事发明专 利申请的技术鉴定工作。他利用业余时间开展科学研究, 于1905年在物理学三个不同领域中取得了历史性成就, 特别是狭义相对论的建立和光量子论的提出,推动了物 理学理论的革命。同年,以论文《分子大小的新测定法》 取得苏黎世大学的博士学位。1908年兼任伯尔尼大学编外讲师,从此他才有缘进入学术机构工作。1909年离开 专利局任苏黎世大学理论物理学副教授。1911年任布拉 格德语大学理论物理学教授,1912年任母校苏黎世联邦 工业大学教授。1914年,应M.普朗克和W.能斯脱的邀请,回德国任威廉皇帝物理研究所所长兼柏林大学教授,直到1933年。1920年应H.A.洛伦兹和P.埃伦菲斯特(即P. 厄任费斯脱)的邀请,兼任荷兰莱顿大学特邀教授。回 德国不到四个月,第一次世界大战爆发,他投入公开的和地下的反战活动。他经过8年艰苦的探索,于1915年最 后建成了广义相对论。他所作的光线经过太阳引力场要 弯曲的预言,于1919年由英国天文学家A.S.爱丁顿等人 的日全食观测结果所证实,全世界为之轰动,爱因斯坦 和相对论在西方成了家喻户晓的名词,同时也招来了德 国和其它国家的沙文主义者、军国主义者和排犹主义者的恶毒攻击。1933年1月纳粹攫取德国政权后,爱因斯坦 是科学界首要的迫害对象,幸而当时他在美国讲学,未 遭毒手。3月他回欧洲后避居比利时,9月9日发现有准备 行刺他的盖世太保跟踪,星夜渡海到英国,10月转到美 国普林斯顿,任新建的高级研究院教授,直至1945年退 休。1940年他取得美国国籍。1939年他获悉铀核裂变及 其链式反应的发现,在匈牙利物理学家L.西拉德推动下,上书罗斯福总统,建议研制原子弹,以防德国占先。第 二次世界大战结束前夕,美国在日本两个城市上空投掷 原子弹,爱因斯坦对此强烈不满。战后,为开展反对核 战争的和平运动和反对美国国内法西斯危险,进行了不懈的斗争。1955年 4月18日因主动脉瘤破裂逝世于普林斯顿。遵照他的遗嘱,不举行任何丧礼,不筑坟墓,不立纪念碑,骨灰撒在永远对人保密的地方,为的是不使任何地方成为圣地。