玻尔原子模型 当原子遇到量子学: 原子结构模型的建立(下)

电子从外轨道跳入内轨道会释放出辐射

凤凰科技讯 北京时间7月4日消息,最初,玻尔的兴趣只停留在电子,包括卢瑟福确定的作为放射性的一种形式的β粒子。然而,玻尔很快意识到放射性的秘密来自于内部的原子核。因此他寻找真理的目标转向了原子本身。"玻尔已经开始寻找," 戈德哈伯说道,"他研究了原子的各方面,他将获得一切可能的信息。"

1912年初,玻尔积极地研究原子问题并取得了丰富的成果,同年6月他给哥哥写信汇报进展:"我可能发现了有关原子结构的秘密,"事实上远不止如此。玻尔确定了量子物理学能够实现原子的稳定。玻尔并非尝试将量子物理学引入原子研究的第一人,但他是第一个成功做到的人。

玻尔指出稳定原子的合理理论将确定与原子大小相关的长度维度,就像轮辐的长度会确定自行车轮的大小。产生具有合理原子轮辐的长度只有在结合量子理论的关键量、普朗克常数以及电子和原子核的电量和质量后才可能实现。

然而,解释量子物理学如何指导原子行为并非直截了当的。最后,玻尔利用他提出的原子模型的经典数学,再结合量子物理学从四个特殊的方面进行解释。其中两个方面是与普朗克的辐射理论直接相关,涉及电子能量的技术方面。另外两个方面则是受到玻尔智慧大脑里隐藏的思想过程的启发。

其中一方面——被认为是玻尔原子模型中至关重要的成分——宣称原子只能够占据环绕原子核的特定轨道。在每一个这样的特定轨道上,电子拥有角动量,相当于多倍的普朗克常数除以2π。利用那个常数,玻尔能够解释为什么从氢原子里放射出来的光呈现特定的颜色(或者频率)。一种放射颜色与一个从既定轨道跳跃到另一个既定轨道的电子有关。

玻尔提出的原子模型的很多新颖的方面也是最让人感到困惑的。标准物理学认为光的频率取决于电子环绕原子核的时间——也就是环绕频率。但玻尔指出,如果电子在环绕过程中放射出光,原子将会一直发出光,而事实上并非如此。

因此玻尔认为电子处于原子"静止"状态时占据了非辐射性轨道,从而将光的频率与轨道的频率相分离。"这使得大多数物理学家感到不解,因为他们认为原子过程中观察到的现象可能与微观世界的运动直接相关。" 海尔布伦在四月召开的美国物理学会召开的会议上这样说道。

玻尔提出的另一个聪明的概念提供了沟通量子学和经典物理学的桥梁。对于距离原子核非常遥远的电子而言,玻尔说道,释放出的光的频率将非常接近经典物理学的预测。由于遥远的轨道都紧密相连,因此轨道频率接近相同。因此从一个轨道跳跃到另一个轨道释放出的光的频率接近于轨道频率。换句话说,对于大型物体而言,量子效应非常小以至于几乎可以忽略——这也是最终理解量子现实性的一个关键部分。

原子的组成

玻尔将经典物理学与量子理论相结合提供了更多新颖的见解。他在《哲学杂志》分别发表了三篇文章,名字皆为《原子和分子的组成》。1913年7月发表的第一部分描述了电子轨道的量子规则和氢原子里的量子跳跃,解释了它放射出的光的色谱。在第二部分,玻尔描述了更加复杂的原子力,电子以环状环绕原子核的分布,这也是朝解释元素周期表迈出的第一步。第三部分则描述了通过原子共享电子而形成分子的过程。

众人对玻尔理论的回应也是良莠不齐。有的专家认为这非常具有独创性,而其他人则并不是很理解这个理论。爱因斯坦则表示非常感兴趣。然而,一项实验证实了玻尔的预测,也即某些应该来自氢的光的颜色其实来自氦。爱因斯坦对玻尔的理论表示信服,他说道:"这是一项了不起的成就,玻尔的理论肯定是对的。"

然而,玻尔知道他的理论也存在缺陷性。他的成功很大程度上是因为氢原子的简单性。在接下来的十年里,他试图尝试将其应用于更加复杂的原子,但最终都以失败告终。直到1925年,在哥本哈根玻尔的理论物理学研究所学习的年轻的德国物理学家沃纳·海森堡(Werner Heisenberg)建立了一个新的数学方法,能够获得正确的答案。海森堡的文章标志着现代量子力学的出生。

几乎在同时,实验也开始显示出粒子有时候存在波的特性。埃德温·薛定谔(Erwin Schrödinger)提出了量子理论的波的版本,很快被证实等同于海森堡的粒子版本。海森堡1927年进行的研究产生了他著名的不确定性原理:几乎不可能同时精确的测量某一对特性,例如粒子的位置和动量。

玻尔再次面对这个悖论问题。在1927年的演讲中,他提出了一个新的原理,名为互补原理。光可以作为粒子也可以作为波,这完全取决于你选择进行的实验类型,玻尔这样陈述道。你可以测量电子的位置或者它的动量,这取决你如何设计实验。但你不能同时进行两项实验。

玻尔的互补性原理成为之后所谓的量子理论的哥本哈根诠释的奠基石。在各种流行的讨论中,哥本哈根观点强调在创造现实过程中观察者的作用,这也是现代很多物理学家的一个争论点。然而玻尔并没有这么说,美国圣母大学的科学哲学家丹·霍华德(Don Howard)这样说道。其实是海森堡将重点集中于观察者的作用。

玻尔的观点相对更加微妙。他坚称量子系统的特性在测量前并没有精确的意义。然而,测量要求测量仪器与量子系统发生相互作用。一旦这种相互作用发生后,测量仪器和量子系统将共享历史——用现代术语描述就是,变成"相互纠缠"。因此,描述量子系统的特性将从何说起?

"这便是进入玻尔思想的至关重要的观点,"霍华德在物理学会议上说道。如果你确定了想要进行的实验,那么你能够利用结果描述量子系统的特性具备一定精确的值,虽然没有这项测量它将不具备任何精确的值。当然,你不可能一口气描述量子系统的全部特性——你必须选择所要测量的具体方面。

"对于玻尔而言,想要完整的描述量子系统和它的行为,两个特性,例如位置和动量是必不可少的。"霍华德说道。"然而,我们一次只能测量一个特性,而不能同时进行,因为我们只有在某个特定特性被测量的背景下,才能够描述该系统中这个完好定义的特性。"并且位置和动量的测量背景从物理学角度看是不兼容的。"这就是为什么我们不能同时谈论位置精确定义的值和动量精确定义的值的深层次原因。"

多重真理

玻尔能够接受这种不一致性反映了他在年轻时具备的有关真理的观点。事实上,他研究量子科学反映了一个更广阔的世界观。"他研究量子物理学最大的收获是发现多重真理会以互补的成对方式出现。" 海尔布伦这样说道。海尔布伦发现玻尔将量子学引入原子提出的四种方法是平行的,也即是多重真理,但它们并不一致。

"尽管它们在物理内容上是不相同的,有时从数学角度看甚至是相互冲突的,但玻尔认为这四种方法他都需要。"在提出这四种方式后,玻尔对其并不确定,但他相信每一种方法都包含真理的一个元素,因此他会全部使用它们即使它们彼此冲突。这种包容性原则几乎成为他的宗教戒律。

玻尔并没有将量子世界的畸变看做异端邪说而尽量避免,而是作为探讨现实的深层次真理的线索。他面对冲突的泰然自若帮助他提出了量子悖论的解释,后者经过了现代实验的测试,虽然大部分测试都在他死后(1962年)才进行。

玻尔去世后,他被认为是世界上最伟大的原子物理学家,他仍被认为是同时代第二伟大的物理学家,仅次于爱因斯坦。他在20世纪30年代中期修订了原子核内部物理学的第一张清晰图片,随后他与美国物理学家约翰·阿奇博尔德·惠勒(John Archibald Wheeler)合作,提出了核裂变过程的理论解释,玻尔的原子模型最终被完整的建立。

在波尔的氢原子模型中,一个带负电的电子环绕一个由带正电的单一质子组成的原子核。与行星环绕恒星不同——环绕轨道可能处于任何位置——电子只能在特定"允许的"轨道环绕质子。

每一个允许轨道的大小是由量子物理学的关键数值量,也即普朗克常数决定的。电子从外轨道跳入内轨道会释放出辐射(如图),携带的能量相当于两个轨道能量水平的差值。当电子吸收特定的能量后,或者称光撞击了它,它就会跳跃到更高的允许轨道。玻尔计算出不同轨道之间的能量差并发现它们与观测到的氢释放出的光的颜色相对应。(编译/严炎刘星)