玻尔的原子结构理论
玻尔的原子结构理论
同能量不是无限可分的这一性质（也称“能量的原子性”，即能量的量子化）的发现相反，世纪交替时另一个重大发现是原子的可分性，这是元素的放射性和电子发现的必然后果。根据这些发现，法国物理学家佩兰于1901年在一次通俗演讲中提出一种原子结构模型，认为原子的中心是一些带正电的粒子，外面围绕着一些电子（带负电），电子运行的周期就对应于原子发射光谱谱线的频率。1902年，开尔文提出类似葡萄干面包的原子模型，认为原子是一个半径大约为10-10米的球体，正电荷就均匀地分布于整个球体，电子则稀疏地嵌在球体中。不久（1903年12月），J. J. 汤姆孙发展了这个模型，用来解释原子的各种性质。但也同在1903年12月，这个模型遭到了日本物理学家长冈半太郎（Hantaro Nagaoka, 1865-1950）的批判。他认为正负电不可能相互渗透，而提出了一种他称之为“土星型模型”的结构。在长冈的模型中，电子均匀地分布在一个环上，环的中心则是一个具有大质量的带正电的球。他还根据麦克斯韦关于土星环运动稳定性的研究，得出了他的模型中这种环的运动方程。但他的计算，特别是稳定性问题的论断，立即受到了批判。因此，当时流行的还是葡萄干面包模型。这个模型以后终于被在英国曼彻斯特工作的德国物理学家盖革（H. Geiger, 1882-1945）和新西兰物理学家马斯登（E. Marsden, 1880-1970）的实验否定了。
盖革和马斯登于1909年观测a粒子（即失去两个电子的氦原子）透过金属箔的散射分布，发现有些散射角远大于按照汤姆孙模型所作的理论预测。根据这一实验事实，当时领导他们工作的卢瑟福从1910年底开始探求新的原子模型。他于1911年提出类似于佩兰和长冈的有核模型，并且推测要使a粒子出现大的散射角，原子的正电荷必定集中在半径10 -15米的范围内，而原子的？半？径？却？有？10 -10米，因此，原子里面绝大部分是空虚的。他根据这一模型，从理论上推导出a粒子散射的公式。1912年7月，盖革和马斯登进行了一系列a粒子对金箔的散射实验，结果完全证实了卢瑟福的预言。卢瑟福的有核原子模型，通过他的研究生N. 玻尔的杰出工作，迅速得到科学界的公认。
玻尔出生于哥本哈根的一个教授家庭，1911年以关于金属电子理论的研究论文取得博士学位后，即去英国剑桥大学卡文迪许实验室，准备跟J. J. 汤姆孙继续从事电子论的研究。但汤姆孙此时已对电子论不感兴趣，于是玻尔只好转到在曼彻斯特的汤姆孙以前的学生卢瑟福那里，当时卢瑟福刚提出有核原子模型，玻尔马上认识到它的重大意义，？并？且指出：这个模型可以把原子的化学性质和放射性质截然区别开来，即把前者归因于外围的电子，而把后者归因于原子核本身。他在曼彻斯持虽然只待了4个月，于1912年7月就回哥本哈根，但这4个月对他的一生是有决定性意义的。他一生的最主要的贡献原子结构理论就在这个时期孕育而成。这个理论正式发表于1913年，最初的草稿写于1912年6月。它把卢瑟福的原子模型和普朗克的量子论大胆而巧妙地结合起来，并且把原来只用于能量的量子概念加以推广，为以后各种物理量的量子化打开了大门。玻尔的原子结构理论的主要内容是：电子只能在一些特定的圆轨道上绕核运行，在这些轨道上，电子的角动量是h/2p的整数倍。电子在上述特定轨道上运行时，不发射也不吸收能量，因此是稳定的（即处于“定态”）。当电子从一个具有较高能量E1的轨道跃迁到具有低能量E2的轨道时，就要发射出辐射，辐射的频率n满足如下关系：hn = E1 - E2；反过来如果电子从E2跃？迁？到E1？，那就是辐射的吸收过程。
玻尔的理论显然是违反古典理论的，因为：按照牛顿力学，任何大小的圆轨道都该是可能的，没有理由要作特殊的限制。按照麦克斯韦电磁理论，任何电荷在作加速运动时，必定发射出电磁波，因此，电子在绕核运行时，必定不断发射辐射，也就是要不断丧失能量，轨道会越来越小，而终于落到核中，原来的原子也就不再存在了。由古典理论估算，一个直径为10-10米的原子，在10-12？秒？时间内就会完全崩溃。可是玻尔不顾这些非议，为了解释原子的稳定性，他把古典理论撇在一边，而认为它们在原子领域中本来就不一定成立。他用自己的理论对最简单的氢原子的结构作了详细的计算，所得结果完全符合于光谱分析所得的实验数据，使长期以来一直无法解释的许多经验公式，得到了统一的理论解释。这一成就在科学界引起了很大的震动。
光谱分析最早来源于牛顿。牛顿于1666年用三棱镜把白光（太阳光）分解为各种颜色的光，并且把各种颜色的光又混合成为白光。他把由白光分解成的各种单色光所排成的光带称为“光谱”。1752年英国青年天文学家和物理学家梅耳维耳（T. Melvil, 1726-1753）把几种金属盐放在酒精灯上烧，发现光谱中有明亮的线（谱线）。以后人们又发现，每种化学元素都有自己特殊的谱线。因此，通过光谱分析，可以检验各种元素的存在，这对于化学分析和天体物理学的发展，都起了很大作用。19世纪初开始，对天体和地球上各种物质的光谱进行了大量研究，但谱线之间的分布规律迟迟没有发现。1884年瑞士一个女子中学的老教师巴耳未（J. J. Balmer, 1825-1898）首先发现氢光谱中有一系列（当时已知14条）谱线，它们的波长之间存在着一种简单的关系。以后人们又陆续发现另外一些谱系也存在类似的关系。但所有这些关系都仅仅是经验公式，在玻尔以前得不到任何理论解释。
在玻尔创立原子结构理论的过程中，卢瑟福另一得力助手、英国青年物理学家莫斯莱（H. G. J. Moseley, 1887-1915），应用1912年德国物理学家冯·劳厄（Max von Laue, 1879-1960）发现的X射线对晶体的衍射现象，来研究各种元素的X射线谱。1914年他发现任何元素的X射线谱中任何一根谱线的频率同原子序数（相当于原子核的电荷）之间存在着简单的数学关系。这不仅为元素周期系提供了内在根据，也有力地支持了玻尔的理论。不幸，1915年8月第一次世界大战爆发后，莫斯莱应征入伍，1915年8月在土耳其战场上阵亡。
玻尔理论的胜利，大大扩展了量子论的影响，加速了量子论的发展。1915年，德国物理学家索未菲（A. Sommerfeld, 1868-1951）把玻尔理论从两方面加以扩充。首先，他仿照行星运动的规律，认为电子绕核运动不仅限于圆形轨道，而且包括椭圆形轨道。其次，他把相对论同玻尔理论结合起来，考虑到电子的质量会随电子运动速率的变化而变化。经过这样的修正后所推算的结果，原来玻尔理论中的氢原子的一个定态，就分裂成若干能量稍有不同的定态。这样，原来一条谱线就分裂成若干条谱线，这就是光谱线的所谓“精细结构”，同实验观测完全一致。
玻尔理论虽然取得了巨大的成功，但在物质和辐射的相互作用问题上却带有神秘的成分。第一个向这个黑暗的角落投射光明的是爱因斯坦。他于1916年从玻尔的原子结构理论出发，研究了分子的吸收和发射辐射过程，把发射过程分成自发发射和受激发射，然后用统计方法来分析这两种过程，结果就非常方便地推导出普朗克辐射定律。而如果略去受激辐射，就得到了维恩的辐射定律。爱因斯坦这一工作，综合了量子论在第一阶段的成就，而且第一次提出了受激辐射理论。60年代蓬勃发展起来的激光技术，就是以这一理论为基础。
