年诺贝尔物理学奖原子结构和原子光谱 3页

1922年诺贝尔物理学奖——原子结构和原子光谱1922年诺贝尔物理学奖授予丹麦哥本哈根大学的尼尔斯·玻尔（NielsBohr，1885—1962），以表彰他在研究原子结构，特别是研究从原子发出的辐射所作的贡献。20世纪初物理学革命的重大结果之一就是建立了量子论。1900年普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难，引入了能量子概念，为量子理论奠下了基石。随后，爱因斯坦针对光电效应实验与经典理论的矛盾，提出了光量子假说，并在固体比热问题上成功地运用了能量子概念，为量子理论的发展打开了局面。光谱学在19世纪末得到了长足的发展，继巴耳末发现氢光谱的巴耳末公式之后，里德伯和里兹先后提出了光谱系理论和合并原理，光谱的规律性明显地带来了发自原子内部的信息。1897年，J.J.汤姆孙根据阴极射线的实验发现了电子，1911年卢瑟福从α射线的大角度散射实验的反常结果发现原子核。量子论、光谱系和原子核的发现这三条线索汇集到了一起，这就为把量子论运用于研究原子结构提供了理论和实验的基础。1913年，尼尔斯·玻尔在卢瑟福有核模型的基础上运用量子化概念，提出定态跃迁原子模型理论，对氢光谱的巴耳末系作出了满意的解释，这是原子理论和量子理论发展史中的一个重要里程碑。尼尔斯·玻尔1885年10月7日出生于哥本哈根。父亲克利斯坦·玻尔（ChristianBohr）是哥本哈根大学生理学教授，母亲叫艾伦·亚德勒（EllenAdler）。尼尔斯·玻尔和他弟弟哈那德·玻尔（HaraldBohr，后来是数学教授）在有利于发展他们才华的环境中长大。父亲在尼尔斯·玻尔上中学时就尽力启发他对物理学的兴趣。尼尔斯·玻尔于1903年通过加麦尔霍姆中学考试后进入哥本哈根大学。在大学里他得到了一位极有独到见解、造诣很深的物理学家克里斯琴森（C.Christiansen）教授的指导。尼尔斯·玻尔在大学读书时就获得了哥本哈根科学院为奖励有一定科学成果的人而颁发的奖金。他用振动射流方法对表面张力进行了实验和理论上的研究。这项工作是在他父亲的实验室里完成的，并获得了金质奖章。研究成果发表在1908年的英国《皇家学会会刊》上。尼尔斯·玻尔于1909年获物理学硕士学位，1911年获博士学位。尼尔斯·玻尔是在作博士论文时接触到量子论的。他的博士论文是用电子论解释金属特性。在这项工作中，尼尔斯·玻尔第一次得到了普朗克关于辐射量子论的启发，使他认识到在处理原子规模的系统时，经典理论往往会得到与实际不符的结论，有必要引入一个异于经典电磁理论概念的量，这个量就是普朗克常数。1911年，尼尔斯· 玻尔到英国剑桥大学卡迪文什实验室在J.J.汤姆孙的指导下学习和工作，正好这时曼彻斯特大学的卢瑟福发现了原子核。卢瑟福原来也是卡文迪什实验室的研究生。有一天，卢瑟福回到卡文迪什实验室，向研究人员报告自己的新发现，当时卢瑟福还没有明确地提出原子中心有核，只是根据α粒子大角度散射的实验结果判定原子内部的正电荷必定集中在中心位置，否则就无法解释比电子重数千倍的带正电荷的α粒子为什么会以很大的概率被原子反弹，卢瑟福面临的最大的困难是如果正电荷集中在原子中心，带负电的电子为什么还能稳定地呆在原子的外层，为什么不会因为辐射能量而缩小轨道半径？所以从经典理论来看。卢瑟福的有核原子模型不符合经典理论的稳定性要求，或者说，这个模型在经典理论看来是站不住脚的。尼尔斯·玻尔很有兴趣地听了卢瑟福的报告，对卢瑟福根据实验结果大胆地作出原子有核的决断深表钦佩，也很了解卢瑟福困难的处境，于是向卢瑟福表示希望到卢瑟福所在的曼彻斯特大学当访问学者，卢瑟福欣然同意。几个月后，尼尔斯·玻尔到卢瑟福的实验室工作了四个月，其时正值卢瑟福组织大家对有核原子模型理论进行检验。尼尔斯·玻尔参加了α射线散射的实验工作，帮助他们整理数据和撰写论文。厄尔斯·玻尔就这样在关键的时刻参加到卢瑟福的工作之中，成为这个集体的理论核心人物。尼尔斯·玻尔坚信卢瑟福的有核原子模型是符合客观事实的，也很了解他的理论所面临的困难，认为要解决原子的稳定性问题，唯有靠量子假说，也就是说，要描述原子现象，就必须对经典概念进行一番彻底的改造。最初的工作虽然没有达到目的，但尼尔斯·玻尔在论证α射线散射时确定氢原子是最简单的原子，只有一个电子，是最佳的研究对象。这为以后的研究打开了通向成功的大门。1912年底，尼尔斯·玻尔已返回丹麦，他仍在研究有核原子模型的稳定性问题。正在他日夜苦思之际，他的一位朋友汉森（H.M.Hansen）向他提到氢光谱的巴耳末公式，劝他认真考虑这个事实。同时，斯塔克的著作中有关价电子跃迁产生辐射的思想也对他有启发。他把这些事情联系到了一起，突然头脑里出现了一个飞跃。后来，尼尔斯·玻尔回忆道：“当我一看到巴耳末公式，我对整个事情就豁然开朗了。”于是尼尔斯·玻尔很快就写出了题名“原子构造和分子构造”——Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的三篇论文，经卢瑟福推荐，发表在1913年《哲学杂志》上。这就是尼尔斯·玻尔著名的“三部曲”。尼尔斯·玻尔的原子理论取得了很大成功，完满地解释了氢光谱的频率规律，即所谓巴耳末公式。从他的理论推算，各基本常数如电子电荷，电子质量，普朗克常数和里德伯常数之间取得了定量的协调。他阐明了光谱的发射和吸收，并且成功地解释了元素的周期表，使量子理论取得了重大进展。尼尔斯·玻尔之所以成功，在于他全面地继承了前人的工作，正确地加以综合，在旧的经典理论和新的实验事实的矛盾面前勇敢地肯定实验事实，冲破旧的理论的束缚，从而建立了能基本适于原子现象的定态跃迁原子模型。尼尔斯· 玻尔的理论在解释氢原子光谱的频率规律时遇到了不小的困难，其中有所谓的皮克林谱系问题。由于他的周密研究和依靠严格的实验验证，很快就取得了圆满的结果，从而对皮克林谱系等某些线系的起源问题纠正了流行的错误说法。随后，他提出的定态概念得到了诸如弗兰克－赫兹等实验的验证，他的某些理论预见诸如电离能也得到了实验的证实，取得了初步成功。但是，他的理论并不能说明其它元素的光谱，也无法说明谱线强度和偏振现象。为了更深入地探索经典理论和量子理论之间的关系，尼尔斯·玻尔于1918年初次提出对应原理。他认为，按照经典理论来描述的周期性体系的运动和该体系的实际量子运动之间存在着一定的对应关系。这一原理成了从经典理论通向量子理论的桥梁，由此引出了海森伯的矩阵力学。1921年起尼尔斯·玻尔出任哥本哈根理论物理学研究所所长。在他领导这一研究所的40年中，培养了一大批物理学家，成为世界上活跃的学术中心之一。在尼尔斯·玻尔的倡导下，逐渐形成了以他的思想为核心的哥本哈根学派，这个学派在形成和发展量子力学理论体系方面发挥了巨大作用。在1924年—1926年间量子力学基本上确立以后，玻恩提出了波函数的统计解释，海森伯接着又提出不确定原理，泡利提出不相容原理。自1930年起，尼尔斯·玻尔在物理研究所的工作逐渐转移到原子核结构和原子核蜕变及衰变等方面。他在1936年指出，在核转变过程中，相互作用的强度和作用距离都很小，因此，与描述原子过程相比，核转变过程可以更多地采用经典方法描述。按照这个观点，原子核的图象有点象液滴，核子之间的作用力会在原子核中形成表面张力。当1939年哈恩（O.Hahn）和斯特拉斯曼（F.Strassman）发现铀分裂时，这个液滴模型理论正好对核裂变的机理作出了恰当的说明。液滴模型为这一领域的理论研究奠定了基础。第二次世界大战纳粹占领丹麦期间，尼尔斯·玻尔逃到了瑞典。大战的最后两年他在英国和美国渡过，在那里参与了制造原子弹的计划。后来他致力于原子物理的和平利用，参与了因原子武器的发展而出现的政治问题，他主张原子能的发展应在各国之间完全公开。1950年6月9日他在《致联合国的公开信》中提出了自己的主张。他大力推动核能的和平利用并极力推进国际间的科技合作，发起和领导了欧洲核子中心和北欧原子物理学研究所。1947年，丹麦国王决定授予尼尔斯·玻尔宫廷勋章，要求尼尔斯·玻尔亲自设计图徽，尼尔斯·玻尔设计的图徽采用了中国古代的“太极图”，形象地表示了他的互补思想。尼尔斯·玻尔于1962年11月18日在哥本哈根逝世。