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玻尔
世界物理学家 加入时间：2010/11/21 17:29:20 点击：2087
原子结构学说之父尼尔斯·亨利·戴维·玻尔于1885年出生在丹麦的首都哥本哈根。1911年他在哥本哈根大学获得博士学位。不久他前往英国剑桥，在以发现电子而闻名的科学家J·J·汤普森的指导下从事研究。几个月后玻尔来到曼彻斯特与在几年前发现电子核的欧内斯特·卢瑟福共同从事研究。是卢瑟福提出了原子中心有一个重核，周围有电子，而大部分是空间。这与从前的学说相反。玻尔很快就发展了自己崭新的原子结构学说，他那篇具有划时代意义的论文《论原子和分子结构》于1913年发表在《哲学杂志》上。
1885年10月7日，尼-玻尔出生于丹麦哥本哈根。1911年，玻尔获得哥本哈根大学的博士学位。第二年3 月，他到英国曼彻斯特大学工作。那里的实验室领导人卢瑟福刚完成了一个开创原子时代的工作：证明原子的绝大部分质量集中在原子核中，它的尺度只有原子的万分之一。卢瑟福的发现使玻尔认识到，原子世界的奥秘和量子有密切关系，经典的牛顿力学和电动力学，不适用于原子现象。
为了证实这种想法，玻尔不分昼夜地工作。他提出，元素的化学性质和物理性质由原子核外的电子决定，而放射性元素放出的a粒子及电子，来自原子核；在决定原子的化学性质上，原子序数比原子量更根本。
1912年7月，玻尔回到丹麦。通过曼彻斯特的研究，使他从经典电动力学不适用于原子领域这个观念向前跨了关键的一步，形成了把普朗克和爱因斯坦的量子理论用于决定原子状态的想法。
1913年初，玻尔提出了他著名的原子理论。这个理论的基本假设有两个：1．原子系统只能处在一系列不同能量的稳态上；2．原子系统可以从一个稳态跃迁到另外一个稳态，这时伴随着光量子的发射或吸收。原子系统有一个能量最低的稳态。
玻尔的理论随即在卢瑟福的实验室里接受了氦原子光谱实验的考验。当时新发现了一系列谱线，发现者认为它们是氢原子发出的，但是和玻尔的理论不合。玻尔指出这是氦发出的，而不是氢原子发出的。实验证明正是如此。这个理论随即被用于分析各种谱线，获得了巨大的成功。他对原子结构模型的研究成果，使他获得了1922年的诺贝尔物理奖。
玻尔接着提出了著名的“对应原理”。按照这个原理，经典的辐射理论不但在具有很大量子数的稳态之间的量子跃迁这个极限情况下成立，而且在量子数不大的稳态之间的跃迁也应有所反映。但是如果同时接受原子模型和经典电动力学，必然导致能量—动量不守恒的结论。不过实验证明这个结论是不成立的。1925年7月玻尔预言：“经典电动力学所需的推广，要求人们探索到的对自然的描述来一次深刻的革命，对此必须有所准备。”
这次革命在几个月之内就发生了。这是由年轻的海森堡在玻尔的“对应原理”引导下掀起的，其后经过玻恩、约当、狄拉克、薛定谔等许多物理学家的努力，一门描述原子现象的新的力学——量子力学建立起来了。这是以玻尔为领袖的科学家集体作出的划时代的贡献。三十年代是物理学变化急遽、新发现层出不穷的年代。1936年费米在罗马做的慢中子对原子核的反应实验，使玻尔发展了“复合原子核”的理论。玻尔指出，原子核可以设想为一只浅碗，碗里装有许多小球，它们是质子和中子。中子和原子核的反应，相当于用一个小球来撞这碗里的小球，使得碗里的小球都动起来。如果撞入的小球速度很低，碗里的小球的速度都不够大，不能逸出碗外，这时，碗里的小球就多了一个。这就是复合原子核的概念，不过这个复合原子核是处在很高的激发态上的，而原子核是不能长时间处在激发态上的，这些小球彼此撞来撞去，经过足够长的时间，便会有一个或几个小球集中了足够的能量，获得足够大的速度，离开浅碗。这图像与液体分子从液滴蒸发出相仿。玻尔的研究取得了很大的成功。
1938年秋法国的约里奥—居里夫人和南斯拉夫的萨维奇证明铀和钍被中子轰击后产生放射性镧的同位素。德国的哈恩和斯特拉特曼用很精确的化学方法于1938年底证明铀受慢中子轰击后产生放射性钡的同位素，镧和钡都是元素周期表中靠中间的元素。这个新发现震动了科学界。在瑞典的梅特纳和弗里许经过详尽的分析后意识到，这很可能是铀原子核的裂变，就是铀在慢中子的轰击下裂成两片质量与电荷大致相等的碎片，而且在裂变过程中放出巨大的能量。其后弗里许在哥本哈根用实验证实了这个观点。玻尔马上认识到这个发现的极端重要性，很快地从复合原子核和原子核的液滴图像出发，结合统计物理的方法，建立起原子核裂变的理论。这又是一个开创性的工作，对后来原子能的应用所起的作用是极为重要的。
1943年，玻尔不得不逃离纳粹占领下的丹麦，经过瑞典转到英国和美国，马上参与了制造原子弹的工作。在原子弹尚未试验之前，玻尔就指出，如果原子能掌握在世界上爱好和平的人民手中，这种能量就会保障世界的持久和平；如果它被滥用，就会导致文明的毁灭。
玻尔学说指出原子就象一个微型的太阳系，电子在重核周围的轨道上旋转。其中一个极其重要的差别就在于经典物理学定律认为行星轨道的大小可以是任意的，而玻尔假定原子的电子只能在某些大小确定的轨道上旋转，只有轨道半径使整个原子的全部角动量是普朗克常数的倍数时才有可能，而中介值则不行。每个确定的轨道都具有与其相关的确定能量。当一个电子从一个确定的轨道跃迁到另一个确定的轨道时，辐射出来的光的频率就等于能量的变化再除以普朗克常数。
玻尔学说代表着对经典物理学说的一次彻底突破。一些富于想象力的科学家（如爱因斯坦）迅即称颂玻尔的论文是一部杰作，虽然起初有许多其他人对新学说提出了质疑。玻尔学说经受住了关键性的检验，圆满解释了氢原子光谱。长期以来人们就知道氢气遇高温时就开始进行光辐射。但是它辐射的光并不包括所有颜色的光，而只包括某些频率非常固定的光。玻尔原子学说的一个很大的优点在于它从几个简单的假说出发，以惊人的准确性解释了氢原子辐射的所有谱线（颜色）的精确长度。而且玻尔学说预示有更多的谱线存在，这些谱线以前并未观察到，而不久就被实验所证实。此外玻尔原子结构学说第一次明确地解释了原子为什么具有它们所有的体积。由于具备这些令人信服的证据；玻尔学说很快就被公认。1922年，玻尔获得诺贝尔物理奖。
1920年哥本哈根成立理论物理学研究所，玻尔就任所长。在他的指导下，众多才华横溢的青年科学家纷至沓来，使该所很快就成为世界上主要科研中心之一。
但是与此同时，玻尔的原子结构学说也陷入了困境。主要问题在于玻尔学说虽然成功地解释了只有一个电子的原子（如氢原子）的光谱，但是它不能正确地预示出其它原子的光谱。有些科学家对玻尔学说在解释氢原子方面的绝对成功深受启发，企图对它稍加修正就能解释较重原子的光谱。玻尔首先认识到稍加修正仍无济于事，必须要彻底加以修正。他本人虽有天才却没能找到解决问题的方法。
这个方法终于在1925年被海森堡等人找到了。他们是在1925年着手于这项研究工作的。有趣的是海森堡和大多数对发展新学说有贡献的其他科学家们都在哥本哈根做过研究工作。在那儿他们通过与玻尔开展讨论和相互间的密切影响，无疑会受益匪浅。玻尔本人立即拥护新学说，帮助推进新学说。他对新学说做出了重大的贡献。通过讨论和写作，他促进了新学说的系统化。
在30年代，玻尔把注意力转移到原子核结构问题上去了。他创造了重要的原子核“液滴模型”，还提出了反应堆中的“复核”学说。此外，玻尔还正确指出了参与核裂变的铀的同位素U235，这对后来发展原子弹具有重大意义。
1940年德国军队占领了丹麦。玻尔的处境十分危险，这是由于他坚决反对纳粹分子的观点为众人所皆知，还由于他母亲是犹太人。1943年玻尔设法逃出了被占领的丹麦来到瑞典。他还帮助许多丹麦籍犹太人潜逃出境，否则他们将会死在希特勒的煤气炉上。玻尔从瑞典飞到英国，又从英国飞到美国。在美国，玻尔在战争时期帮助制造了原子弹。
战后，玻尔返回哥本哈根，在那儿领导理论物理所，直到1962年去世时为止。在战后的年月里，玻尔为对原子能实行国际性控制进行努力奋斗，不过没有取得任何成效。
玻尔于1921年结婚，当时正值他从事伟大科研工作的黄金时代。他有五个儿子，其中的一个儿子阿基·玻尔获得1975年诺贝尔物理奖。玻尔是世界上最受爱戴的科学家之一。而且由于他的品格和人道主义而受到喜爱和仰慕。
虽然玻尔最初的原子结构学说在五十多年前就已被取代，但是他在20世纪仍不愧为是最伟大的人物之一。其理由有几点：第一，他的学说的某些重要方面仍被认为是正确的。例如，他的原子只能存在于某些不连续能级上的观点是所有后来的原子结构学说的一个不可分割的组成部分。第二，即使现代科学家认为玻尔原子图像实际上不正确，它也具有巨大的启发价值。也许所有理由中最重要的是玻尔学说给量子力学发展带来的动力。就算其中有些已被取代，也不难看出他的学说已被历史证明是现代原子学说和以后发展起来的量子力学的起点。
不局限于已取得的成就而毕生保持科学研究的青春，不断取得科学上一个又一个创造性贡献的伟大人物，在科学史上是不多见的，玻尔就属于这种类型。他明确表明科学家对社会应负的责任和培养人才方面的国际主义精神。
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