李建華++李萬(wàn)歆

摘 要：玻爾是丹麥著名的物理學(xué)家，他創(chuàng)造性地把普朗克的量子理論應(yīng)用到原子結(jié)構(gòu)，并提出氫原子理論，取得了原子結(jié)構(gòu)和原子光譜的成果，從而榮獲1922年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他一生曾在很多大學(xué)從事研究、教學(xué)和學(xué)術(shù)交流，為物理學(xué)的發(fā)展做出了杰出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：玻爾 原子模型 性格 活動(dòng)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-1578（2017）08-0035-02

在19世紀(jì)末與20世紀(jì)初，是物理學(xué)發(fā)展的重要時(shí)期，很多實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了X射線、放射線和電子，這些發(fā)現(xiàn)與經(jīng)典物理學(xué)的基本概念和基本規(guī)律發(fā)生了無(wú)法調(diào)和的矛盾，從而引起了現(xiàn)代物理學(xué)革命的序幕。丹麥著名的物理學(xué)家玻爾為了解釋新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，玻爾大膽提出氫原子模型理論，并取得了原子結(jié)構(gòu)和原子光譜的成果，從而榮獲1922年諾貝爾物理獎(jiǎng)。為了使同行對(duì)玻爾的思想、性格及活動(dòng)有一個(gè)較全面的了解，特撰文紀(jì)念他。

1 玻爾簡(jiǎn)介

1.1玻爾的身世及經(jīng)歷

玻爾于1885年10月7日誕生在丹麥哥本哈根中上層家庭，父親是杰出的生理學(xué)家，母親是猶太銀行家的女兒。他在父親的啟發(fā)下，對(duì)物理學(xué)產(chǎn)生興趣， 隨后他進(jìn)入哥本哈根大學(xué)就讀物理學(xué)專業(yè)，在克里斯琴森教授的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)。1911年以論文《關(guān)于各種金屬電子理論的研究》獲博士學(xué)位。同年11月就前往曼切斯特，進(jìn)修盧瑟福實(shí)驗(yàn)所開(kāi)設(shè)的熱門課題： α粒子穿透物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)，這成為他一生中重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

1.2 玻爾的主要成就及榮譽(yù)

1913年玻爾發(fā)表氫原子結(jié)構(gòu)的定態(tài)躍遷理論，解釋了氫原子光譜。1922年他用原子結(jié)構(gòu)理論對(duì)周期表中稀土元素的數(shù)目和位置作了解釋，榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1927年他作了《量子公設(shè)和原子理論的新近展》的演講，提出著名的互補(bǔ)原理，解釋了不確定原理和其他量子力學(xué)結(jié)論。1936年他提出原子核反應(yīng)的液滴核模型。1955年任丹麥原子能委員會(huì)主席，并榮獲第一份“原子用于和平”的獎(jiǎng)金。

1.3 玻爾的逝世及評(píng)價(jià)

1962年11月18日，這位富有傳奇色彩的物理學(xué)家在丹麥?zhǔn)攀溃K年78歲。德國(guó)物理學(xué)家弗郎克這樣評(píng)價(jià)他：“玻爾度過(guò)了十分豐富而幸福的一生，他的天才和他的能力使他揭示了科學(xué)中的新紀(jì)元……玻爾贏得了一切有幸熟悉他的人的熱愛(ài)和全世界的尊敬?！盵1]

2 玻爾原子模型

2.1基本假設(shè)

設(shè)電子沿橢圓定態(tài)軌道繞氫核旋轉(zhuǎn)時(shí)無(wú)能量輻射，旋轉(zhuǎn)頻率為ω，軌道主軸為2a。將電子移到無(wú)窮遠(yuǎn)，要給以能量W，則

ω=■， 2a=■ （1）

其中e與E分別為電子與氫核的電荷，從普朗克輻射理論得知，頻率為v的原子振子一次輻射的能量等于nhv，其中n為正整數(shù)。假設(shè)電子原來(lái)在距核極遠(yuǎn)處，相互作用后進(jìn)入定態(tài)軌道。假設(shè)因此發(fā)射出的輻射頻率v等于電子沿這一軌道的旋轉(zhuǎn)頻率ω的一半（原來(lái)旋轉(zhuǎn)的頻率為0）

即令W= ■ （2） 則由式（1）得

W=■ ω=■ 2a=■ （3）

其中n=1，2，3……一系列的W、ω和a值相應(yīng)于不同系統(tǒng)組態(tài)。他指出：“在上式中n=1，E=e，引進(jìn)實(shí)驗(yàn)值e= 4.7×10-10，

■=5.31×1017， h=6.5×10-27，得2a=1.1×10-8 cm，ω=6.2×1015 s-1， ■=1.4V。這些數(shù)值與原子的線度，光的頻率和游離電位具有相同的數(shù)量級(jí)?！盵2]

對(duì)于氫原子，形成某一定態(tài)所輻射的總能量為W=■

系統(tǒng)從n=n1態(tài)過(guò)渡到n=n2態(tài)，放射的能量為

Wn2-Wn1=■（■-■）=hv

由此得v=■（■-■） （4）

相符性不僅是定性的，而且是定量的。取e= 4.7×10-10，

■=5.3×1017， h=6.5×10-27，得■=3.1×1015，式（4）括號(hào)外因子的觀測(cè)值為3.290×1015。玻爾認(rèn)為理論值和觀測(cè)值之間的相符，是在這些常數(shù)所引入的誤差范圍內(nèi)。于是他提出了兩條基本假設(shè)，即：“（1）體系在定態(tài)中的動(dòng)力學(xué)平衡可以借普通力學(xué)進(jìn)行討論，而體系在不同的定態(tài)之間的過(guò)渡則不能在這個(gè)基礎(chǔ)上處理；（2）后一過(guò)程伴隨著有均勻輻射的發(fā)射，其頻率與能量之間的關(guān)系由普朗克理論給出”。[3]

2.2 對(duì)氫光譜的解釋

由（4）式可知，若取n2=2，令n1可變，得普通的巴耳末系；若取n2=3，則得帕邢在紅外區(qū)觀測(cè)到的，里茲早先預(yù)言過(guò)的譜系；若取 n2=1和n2=4，5……將分別得到遠(yuǎn)紫外區(qū)和遠(yuǎn)紅外區(qū)的譜系，這些譜系都尚未觀測(cè)到，但它們的存在卻是可以預(yù)期的。由此可見(jiàn)，玻爾的原子理論完滿地解釋了氫光譜的巴耳末公式；從他的理論推導(dǎo)，各基本常數(shù)e、m、h和R（里得伯常數(shù)）之間取得了定量的協(xié)調(diào)。他闡明了光譜的發(fā)射和吸收，并且成功地解釋了元素的周期表，使量子理論取得了重大進(jìn)展。

2.3 玻爾原子模型理論的的局限性

玻爾理論不夠完善，對(duì)以下問(wèn)題難以解決：（1）無(wú)法計(jì)算光譜的強(qiáng)度。（2）對(duì)其它元素的更為復(fù)雜的光譜包括氦原子光譜在內(nèi)，往往理論與實(shí)驗(yàn)分歧很大。（3）對(duì)光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)和塞曼效應(yīng)等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的解釋無(wú)能為力。

3 廣泛交流、開(kāi)拓創(chuàng)新及愛(ài)國(guó)敬業(yè)

3.1 廣泛的學(xué)術(shù)交流

玻爾每次聚會(huì)都要邀請(qǐng)三十多名物理學(xué)家，其中有一些知名人士，還有國(guó)外活躍的青年物理學(xué)家，讓他們前來(lái)哥本哈根進(jìn)行學(xué)術(shù)交流，同時(shí)增進(jìn)相互間的了解。玻爾于1913年7月發(fā)表在《哲學(xué)雜志》上的第一篇原子學(xué)說(shuō)的論文，深受廣大科學(xué)家關(guān)

注，并且在伯明翰召開(kāi)的科協(xié)會(huì)議開(kāi)展討論，瑞利說(shuō)：“我看了，看不出對(duì)我有什么用處；我并不是說(shuō)按照那種方法就沒(méi)有任何發(fā)現(xiàn)，還是很可能有發(fā)現(xiàn)的，只是它不中我的意?！彼固厮己婉T·勞厄當(dāng)時(shí)卻說(shuō)：“玻爾的學(xué)說(shuō)如果萬(wàn)一證明是對(duì)的，他們就不再干物理這一行了”。盧瑟福認(rèn)為玻爾的學(xué)說(shuō)有很多想法很“輕率”，并提出了批評(píng)意見(jiàn)，但他還是將論文推薦給《哲學(xué)雜志》。玻爾聲名遠(yuǎn)揚(yáng)，不久就接到世界各地紛紛邀請(qǐng)，要求他前往講學(xué)。

3.2 大膽的預(yù)言

1921年，玻爾發(fā)表了各種元素的原子結(jié)構(gòu)及其物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的長(zhǎng)篇演說(shuō)，闡述了光譜和原子結(jié)構(gòu)理論新發(fā)現(xiàn)，詮解了元素周期表的形成，對(duì)周期表中從氫開(kāi)始的各種元素的結(jié)構(gòu)作了說(shuō)明，同時(shí)對(duì)周期表上的第72號(hào)元素的性質(zhì)作了預(yù)言。1922年考斯特和海維西意外地在鋯礦砂中找到第72號(hào)元素，并證明它具有鋯同系物，而不是某一種稀土元素。這樣他的預(yù)言的正確性得到戲劇性的證明。正如他在諾貝爾獲獎(jiǎng)演講中說(shuō)：“稀土元素的存在雖然沒(méi)有能夠依靠直接的實(shí)驗(yàn)方法來(lái)加以確定，可是具有這種性質(zhì)的一族元素，他的位置應(yīng)在元素自然體系的第六周期之中，則可從理論方面加以預(yù)言。我這樣說(shuō)，總不算是夸大之辭。”[4]

3.3 患難見(jiàn)真情

1940年納粹鐵蹄踏上丹麥國(guó)土，丹麥人民深受蹂躪，面對(duì)納粹勢(shì)力的猖狂，玻爾盡力維護(hù)其研究的和本國(guó)文化的完整性，由于他的猶太血統(tǒng)和從不隱蔽反納粹觀點(diǎn)，他受到納粹分子的嚴(yán)密監(jiān)視。一天，他接受了一位神秘客人的來(lái)訪，客人交給他一把鑰匙，他回到屋里，謹(jǐn)慎地從鑰匙洞眼里取出一微型巻。原來(lái)是英國(guó)科學(xué)界的一位老朋友寫來(lái)的密信，邀請(qǐng)他去英國(guó)工作。信中說(shuō)：如果您愿意的話，將有人為您妥善擬定行動(dòng)方案。但是在祖國(guó)正處于危難時(shí)刻，他用同樣方法謝絕了朋友的好意。

4 結(jié)語(yǔ)

玻爾一生治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)、博學(xué)多才、大膽猜想及愛(ài)國(guó)敬業(yè)，他站在巨人的肩上，縝密地概括和總結(jié)各種實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而提出氫原子模型理論。他交際廣泛，平易近人，他所領(lǐng)導(dǎo)的研究中心，聚集著很多有為的青年理論物理學(xué)家。他與同行互相磋商，自由討論，開(kāi)拓創(chuàng)新形成了舉世聞名的“哥本哈根學(xué)派”。愛(ài)因斯坦高度評(píng)價(jià)他：“作為一位科學(xué)思想家，玻爾所以有這么驚人的吸引力，出于他有大膽和嚴(yán)謹(jǐn)這兩種品質(zhì)的難得融合；很少有誰(shuí)對(duì)隱秘的事物具有這一種直覺(jué)的理解力，同時(shí)又兼有這樣強(qiáng)有力的批判能力，他不但具有關(guān)于細(xì)節(jié)的全部知識(shí)，而且還始終堅(jiān)定地注視基本思想。他無(wú)疑是我們時(shí)代科學(xué)領(lǐng)域中最偉大的發(fā)現(xiàn)者之一”。[5]

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙嚴(yán)峰，岳歸生，王超杰.玻爾原子結(jié)構(gòu)理論的歷史地位[J].天中學(xué)刊，2001（10）：76-77.

[2] （英）玻爾.原子結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)——[J].哲學(xué)雜志，1913（7）：167.

[3] 郭奕玲，沈慧君.物理學(xué)史[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005： 234.

[4] （意）艾米里奧·塞格萊著，劉祖慰譯.物理名人和物理發(fā)現(xiàn)[M].上海：知識(shí)出版社出版，1986：159.

[5] 於利民.近代物理學(xué)兩位杰出大師——愛(ài)因斯坦與玻爾[J]. 物理教師，2012 （4）：55.

作者簡(jiǎn)介：李建華（1959-），男，副教授，主要從事大學(xué)物理及物理學(xué)史教學(xué)與研究，撰寫多篇教育教學(xué)論文公開(kāi)發(fā)表，并榮獲國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)，多次評(píng)為優(yōu)秀教師、優(yōu)秀班主任及優(yōu)秀教育工作者。