[物理史] 波耳(Niels Bohr)向拉塞福说明他的原子



(译自APS News,2012年3月)

[物理史] 波耳(Niels Bohr)向拉塞福说明他的原子

波耳和爱因斯坦摄于 1925 年

在古典原子的图解中,一个电子依循固定的轨道,绕着一个小原子核旋转,这已成了大家心目中有力的图腾;例如,它被美国原子能委员会用来做为标誌,也被热门的电视连续喜剧《大爆炸说》(The Big Bang Theory,又译《宅男行不行》、《生活大爆炸》)做为更换场景时使用。但发展出此图型的波耳(Niels Bohr)在大家眼中则没那幺有名。

1885 年,波耳出生在哥本哈根,父亲克里斯蒂安.波耳(Christian Bohr)是哥本哈根大学的生理学教授,母亲艾伦(Ellen Adler Bohr)则来自丹麦知名的金融政治世家。年轻的波耳自幼即被鼓励追求他对科学的兴趣,还和弟弟哈那德(Harald)同享足球的乐趣。(哈那德是 1908 年丹麦奥林匹克足球队的一员,那年赢得银牌,之后成了知名的数学家。) 

波耳起先在哥本哈根大学选修哲学和数学,但在 1905 年时,他得知丹麦皇家科学院在举办物理竞赛,于是加入挑战。波耳使用父亲的实验室,做了表面张力性质的实验,结果该论文得到了首奖。受到此早期成功的激励,他将重心转至物理,于 1911 年获得了博士学位,论文是有关金属性质的理论说明。

当波耳在剑桥大学做博士后研究时,他追随着名的汤木生(J. J. Thomson)做研究,汤木生几年前发现了电子,还提出「葡萄乾布丁」的原子模型;在模型中,原子由电子(汤木生称之为「corpuscles,微粒」)所组成,浸在正电荷「汤」中,以中和电子的负电荷,正如带负电的「葡萄乾」被带正电的「布丁」围绕着。

拉塞福于 1911 年发现原子核的存在,实质地否定并取代了汤木生的模型。拉塞福提出,原子有一个小小密布着正电的核,核的四週是带负电的电子云,绕着核运转,就像星球绕着太阳一样。

隔年,在和拉塞福见面后,波耳加入曼彻斯特大学拉塞福实验室,前后工作了 4 年,研究原子结构的新模型。拉塞福的模型一开始很扎实,但理论物理学家指出,假若它正确的话,电子应该会向内螺旋而在核内撞毁,造成所有的原子基本上的不稳定。

因此,波耳修正它的概念,让它和 19-20 世纪交替时,源自普朗克(Max Planck)革命性研究产生萌芽的量子论更一致,特别是能量只能以离散单位,即量子,增加的概念。1913 年 3 月 6 日,波耳寄送一份论文给他的导师拉塞福,说明他的原子结构新模型如何来解释氢的光谱。

在波耳的模型中,电子绕着原子核的圆形轨道运行,但那些轨道的能量呈离散分布,电子只可以从一个轨道运行至另一个轨道来增加或丧失能量,视需要吸收或释放辐射。虽然物理导论课程仍教着波耳模型,但它并不完全正确。最明显的是,它违反了海森堡提出的测不準原理,因为它的电子具有已知的轨道和确切的半径,而这两个特性并无法同时直接测定。此外,它对较大原子的光谱预测很差。波耳的原子理论现在被视为是,继波耳提出之后 10 多年才发展出来的量子力学描述原子的先驱。

不过,此开创性的研究仍让波耳获得了 1922 年的诺贝尔物理奖,「因为他研究原子结构,以及其释出的辐射所做的努力。」他当时 37 岁,对物理已有许多显着的贡献,例如,他提出了原子核的液滴模式,还确认了慢中子分裂所需的铀同位素。

波耳的名字还和量子力学的哥本哈根诠释紧密结合在一起,为此他和爱因斯坦心平气和地对于量子力学有过好几次的辩论。波耳还发展出互补原理,来解释两个似乎不相容的特质如何在理论上使之相互一致,例如光的行为像粒子和波,端视使用的观测方法而定。

他曾评论说:「正确陈述的反面即是错误陈述,但深奥真理的相反也可能是另一个深奥的真理。」当波耳获得丹麦政府所颁发的最高荣誉大象勋章时,他设计了他自己的臂徽,包括阴/阳符号和格言「Opposites are complementary,(相反即是互补)」。

波耳之后获得了许多个人与专业上的荣誉,不过偶而也有不幸的事件。在他年轻杰出的德国门生海森堡(Werner Heisenberg)爆料说,纳粹德国正在发展原子弹后,他和海森堡之间有了知名的争吵,这一幕会面在弗莱恩(Michael Frayn)所写的得奖戏剧《哥本哈根》(Copenhagen)的小说形式中永垂于世。当希特勒的军队入侵丹麦时,波耳和家人搭渔船逃至瑞典,他和儿子奥格(Aage Bohr,1975 年获得诺贝尔物理奖)避难美国,加入曼哈顿计画的研究工作,虽然他一生都担心核子武器。第二次世界大战后,波耳返回哥本哈根大学,渡过他的余生。


原文刊载于物理双月刊2014年4月号36卷第2期,感谢杨信男教授同意授权刊载。

系列文章100篇已集结成册,由五南出版,书名为《物理奇才奇事》。

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