玻爾(尼爾斯·亨里克·達維德·波耳 丹麥語:Niels Henrik David Bohr,1885年10月7日-1962年11月18日)出生在丹麥首都哥本哈根一個知識分子家庭。父親克里斯丁·玻爾既是哥本哈根大學的生理學教授,也是丹麥足球的引進者之一。在小玻爾出生的年代,現代足球對於丹麥來說還是個新鮮事物,而克里斯丁不僅將其引入哥本哈根,還在塔根斯維修了一塊球場,經常帶著小玻爾去玩。
經過童年的積累,玻爾 (Bohr)的足球天賦在學生時代就被挖掘了出來,並被招入當時丹麥的豪門球隊「阿卡德米斯克足球俱樂部」當守門員,並多次隨隊出戰。在足球尚未形成世界潮流的時期,這支俱樂部幾乎橫掃丹麥,曾分別在1913年、1919年和1921年奪得丹麥冠軍,直到1967年他們共有9次奪冠。作為早期主力門將的玻爾(Bohr),可見實力很6。
球技這麼牛的運動員,學習成績應該很一般吧?事實恰好相反,玻爾(Bohr)在體育上衝勁十足,也同樣有著近乎死心眼的較真。
小時候的他就極其追求完美,堅定地將「大膽而嚴謹」(愛因斯坦原話)進行到底。在一堂圖畫課上,老師要求大家畫出自己家的房子。玻爾(Bohr)畫著、畫著便向老師打報告說要回家,原因竟是「我實在記不清家裡圍牆有多少根柱子了。」
不僅如此,才剛上小學不久,他就敢公開向老師指出教材中的錯誤,經常弄得場面十分尷尬。老師表示:「這孩子教不得,教不得……」
秉承著這種一根筋的精神,玻爾(Bohr)在物理領域簡直如魚得水。
1903年18歲的玻爾(Bohr)進入哥本哈根大學數學和自然科學系,主修物理學。1907年玻爾 (Bohr)以有關水的表面張力的論文獲得丹麥皇家科學文學院的金質獎章,並先後於1909年和1911年分別以關於金屬電子論的論文獲得哥本哈根大學的科學碩士和哲學博士學位。想研究電子要找誰,當然是找「電子之父」—約瑟夫•湯姆森(JJ Thomson),然而他經過研究發現,約瑟夫•湯姆森(JJ Thomson)提出的「梅子布丁」原子模型有很多不合理的地方,於是第一次見面他就拿出偶像的論文,用生澀的英文指出了裡面的幾處錯誤。
約瑟夫•湯姆森(JJ Thomson)四年前才剛獲得諾獎,德高望重,完全看不懂玻爾 (Bohr)這是什麼操作,場面幾度陷入尷尬。天真的玻爾(Bohr)卻完全沒有察覺,臨走時還不忘請約瑟夫•湯姆森(JJ Thomson)看下自己的論文,希望能幫助發表在英國皇家學會的刊物上。
玻爾 (Bohr)讓約瑟夫•湯姆森(JJ Thomson)尷尬所以約瑟夫•湯姆森(JJ Thomson)沒有鳥他,他幾個月後轉赴曼徹斯特,參加了曼徹斯特大學以E.盧瑟福(Rutherford)為首的科學集體,從此和盧瑟福(Rutherford)建立了長期的密切關係。
玻爾 (Bohr)立刻被盧瑟福(Rutherford)的原子模型吸引。但是按經典理論,就是經典物理學界當時的第4個未解之謎,原子的穩定性問題。當電子在繞核運動的途中會釋放能量,軌道也會逐漸變小,最後掉到原子核裡。但實際上這些情況都沒有發生。
由於自己在博士期間研究過電子,玻爾 (Bohr)馬上開始思索該如何嵌入電子得到一個穩定的原子模型。1912年,玻爾考察了金屬中的電子運動,並明確意識到經典理論在闡明微觀現象方面的嚴重缺陷,讚賞普朗克和愛因斯坦在電磁理論方面引入的量子學說。創造性地把普朗克的量子說和盧瑟福(Rutherford)的原子核概念結合了起來。在1912年夏天,玻爾 (Bohr)的理論已經基本成形,他在一份文件裡向盧瑟福(Rutherford)描述了自己的想法。玻爾(Bohr)認為為了讓原子穩定,必須引入量子的概念。1913年玻爾(Bohr)連續發表了三篇論文,向世界宣布了自己的原子理論。
1913年初玻爾 (Bohr)任曼徹斯特大學物理學教時,在朋友的建議下,開始研究原子結構,通過對光譜學資料的考察,寫出了《論原子構造和分子構造》的長篇論著,提出了量子不連續性,成功地解釋了氫原子和類氫原子的結構和性質。提出了原子結構的玻爾(Bohr)模型。
(1)定態假設:原子系統只能處在一系列不連續的能量狀態,在這些狀態中,雖然電子繞核運轉,但並不輻射電磁波,這些狀態稱為原子的定態。定態所對應的能量稱為能級。
(2)能級躍遷假設:當原子從一個定態躍遷到另一個定態時,原子才發射或吸收特定頻率的光子。
比如說能級從1到2,你必須吸收足夠的能量才能從1跳到2,反之如果你釋放能量就會從2跳到1 ,然後n越大也就是越往外面能量越高。
玻爾 (Bohr)模型成功地解釋了氫原子光譜,計算值和實驗值相吻合。但是如果把玻爾 (Bohr)模型推廣到多電子原子時,即使是只有兩個電子的氦原子,計算結果也與光譜實驗相差甚遠,而且他也只能解釋氫原子和類氫原子,說明這個模型還很不完備。
雖然玻爾 (Bohr)的模型適用於氫原子,也就是只有一個電子的原子,為了解決這個問題,索末菲(阿諾·索末菲(德語:Arnold Sommerfeld,全名Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld,1868年12月5日-1951年4月26日)推出了橢圓軌道
後人稱為玻爾-索末菲原子模型
將電子圓軌道修正為橢圓軌道(可以將圓看成橢圓的一種)
索末菲(Sommerfeld)認為對於電子第n軌道而言,還有軌道n-1亞層,這些亞層是橢圓軌道。這些橢圓軌道也是量子化的,為此索末菲(Sommerfeld)引入了角量子(角動量量子化),但是電子有可能順時針轉,也有可能是逆時針轉動,產生的磁場方向也相反,故而又得出磁量子(磁距量子化)。自此有了3個量子化概念:主量子n、角量子l、磁量子m。
有點我們必須堅持,那就是開頭說的一句話:原子是穩定的。所以每個層級、每個亞層上,磁量子都是守恆的(相加等於0)。
這個模型稱為玻爾-末菲模型很成功,因為解釋很多玻爾模型不能解釋的現象顯得輕鬆了許多。
下集要講以為是驗證了玻爾-索末菲模型,但其實發現了自旋。
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