万年历

尼尔斯·玻尔

公元1885~公元1962

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。

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。

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