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标  题: 量子论创立(2)
发信站: 紫 丁 香 (Mon Mar 27 02:53:02 2000), 转信


玻尔的原子结构理论
    同能量原子性（能量子）发现的同时，另一个重大发现是物质原子的可分性。18
95年，德国物理学家伦琴(1845—1923年)发现Ｘ射线。1896年，法国物理学家贝克勒
尔(1852—1908年)发现放射性。1897年，英国物理学家汤姆生(1824—1907年)发现电
子。这三大发现在物理学家当中引起了强烈的震动。道尔顿(1766—1844年)的化学原
子论确立之后，尽管关于原子的实在性还有激烈的争论，但对大多数科学家来说还相
信它存在，并把它视为组成一切物质的不可再分的基元。这些新发现向人们表明原子
并不是简单的，可能有复杂的结构。
    于是一些物理学家开始构成各种原子结构模型，这些模型的主要区别是电荷分布
和原子内的电子数目，模型的优劣看其在说明原子的力学和电动力学的稳定性，说明
光谱现象以及化学性质等方面的能力如何。例如，1901年法国物理学家佩兰（1870—
1942年）提出的结构模型，认为原子的中心是一些带正电的粒子，外围是一些绕转着
的电子，电子绕转的周期对应于原子发射的光谱线频率，最外层的电子抛出就发射阴
极射线。又如，汤姆生从1897年就开始探索，到1902年才发表的原子结构模型是由一
个承担物质质量的正电球体和能够在其内外过往云游的电子流组成。他又于1903年和
1904年先后发表《圆轨道电子体系的磁性》和《论原子的构造》两篇论文，发展了自
己的原子模型。他设想一个正的均匀带电球体内部含有许多电子，它们成环状配置。
运用这个模型他详细讨论了原子的稳定性、光谱和化学元素的周期性等问题。
    日本物理学家长冈半太郎(1865—1950年)1903年12月 5日在东京数学物理学会上
口头发表，并于1904年分别在日、英、德的杂志上刊登了《说明线状和带状光谱及放
射性现象的原子内的电子运动》的论文。他批评了汤姆生的模型，认为正负电不能相
互渗透，提出一种他称之为“土星模型”的结构。一个大质量的带正电的球，外围有
一圈等间隔分布着的电子以同样的角速度做圆周运动。电子的径向振动发射线光谱，
垂直于环面的振动则发射带光谱，环上的电子飞出是β射线，中心球的正电粒子飞出
是α射线。长冈的计算，特别是关于稳定性的论断受到批评。因此当时流行的还是汤
姆生的模型。
    德国的哈斯在1910年的一篇论文中，把能量子概念和汤姆生的原子模型结合起来。
汤姆生的学生，曼彻斯特大学物理教授卢瑟福(1871—1937年)，领导在他的实验室工
作的德国物理学家盖革(1882—1945年)和新西兰物理学家马斯登(1880—1970年)，发
现金原子使α射线产生大于90°的散射角，与汤姆生的小角散射理论不同。他们在19
09年进行的大角散射实验结果却表明有一个很小的带正电的核心，周围好像空荡荡的，
直接否定了汤姆生的原子结构模型。于是卢瑟福开始根据他的实验资料探索新的原子
结构模型，于1911年提出了一个多少有点类似于佩兰和长冈的电子绕核回转的模型。
卢瑟福的有核模型在电稳定性和线光谱的说明上遇到了困难。按照古典电动力学电子
绕核回转会发射连续的电磁波，因而损失能量并且很快就陷落到原子核上，那么，如
何解决卢瑟福的原子模型有实验根据，但却与古典理论不符这个尖锐矛盾呢？这是当
时原子物理学家面临的难题。
    玻尔(1885—1962年)勇敢地选择了卢瑟福的模型。玻尔出生在哥本哈根的一个教
授家庭，1911年获哥本哈根大学博士学位。1912年3—7月曾在卢瑟福的实验室进修，
就在这进修期间孕育了他的原子理论。玻尔首先把普朗克的量子假说推广到原子内部
的能量，来解决卢瑟福原子模型在稳定性方面的困难，假定原子只能通过分立的能量
子来改变它的能量，也就是说原子只能处在分立的定态之中，而且最低的定态就是原
子的正常态。接着他在友人汉森的启发下从光谱线的组合定律达到定态跃迁的概念。
于是在1913年7、9和11月发表了长篇论文《论原子构造和分子构造》的三个部分。玻
尔的原子理论给出这样的原子图像：电子在一些特定的可能轨道上绕核作圆周运动，
离核愈远能量愈高；可能的轨道由电子的角动量必须是 h/2π的整数倍决定；当电子
在这些可能的轨道上运动时原子不发射也不吸收能量，只有当电子从一个轨道跃迁到
另一个轨道时原子才发射或吸收能量，而且发射或吸收的辐射是单频的，辐射的频率
和能量之间关系由 E＝hy给出。玻尔的理论成功地说明了原子的稳定性和氢原子光谱
线规律。
    玻尔的理论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
学家索末菲(1868—1951年)把玻尔的原子理论推广到包括椭圆轨道，并考虑了电子的
质量随其速度而变化的狭义相对论效应，导出光谱的精细结构同实验相符。1916年，
爱因斯坦从玻尔的原子理论出发用统计的方法分析了物质的吸收和发射辐射的过程，
导出了普朗克辐射定律。爱因斯坦的这一工作综合了量子论第一阶段的成就，把普朗
克、爱因斯坦、玻尔三人的工作结合成一个整体
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