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聊聊玻尔(Niels Bohr) 精选

已有 4052 次阅读 2017-9-21 13:29 |系统分类:科研笔记

   提到Bohr,人们总是想到的是Bohr的氢原子理论,该理论是半经典半量子理论,它借助于定态假设、
频率条件,运用对应原理解决了氢原子光谱之谜。Bohr理论不是完整的量子力学,以至于人们在学习量子力学时总觉得Bohr不过是个半路杀出的程咬金,进而觉得Bohr的物理学中地位有被人拔高之嫌。其实不然,Bohr在学术圈崇高的地位名副其实,下面列举Bohr对物理学的贡献及其巨大影响就能体会到Bohr其实是近代物理中独一无二的。

1、Bohr氢原子理论(1913)
   此一项成就足可以让Bohr名垂青史,主要的原因是该理论解决了近30年的氢原子光谱之谜,另外理论的
奇妙之处足可以和Einstein狭义相对论相媲美。Rutherford(卢瑟福)在1911年基于Geiger-Marsden
alpha粒子散射实验发现了原子核,电子绕原子核运动。从Maxwell电磁理论,立刻发现Rutherford模型有致命的缺点,原子不稳定,在10^-9秒内会坍塌,但谁也没有发现原子坍塌的现象,原子是稳定的。Bohr马上意识到这个事实,干脆把即成的事实-原子稳定性提升为第一性的原理,即定态假设。Einstein的光速不变原理亦是如此,既然Michaelson-Moley实验证明光速在不同惯性系中不变,Einstein索性将它提升为第一性的原理。Bohr理论的第二个假设是频率条件,将Einstein光量子理论合理的吸收到原子理论中。从定态假设和频率条件,Bohr借助于对应原理,建立氢原子理论,给出了氢原子能级公式,由电子在不同能级间跃迁解释了氢光谱系,从理论上导出了Rydberg常数,给出了角动量量子化,对于类氢离子Pickering系,碱金属光谱,Bohr理论也非常犀利。

Bohr氢原子理论对当时的物理学起到巨大的推动作用,如1914年Franck-Hertz实验直接证实Bohr的定态假说(诺奖),1915年Moseley发现元素的特征X射线的Moseley定律,该实验定律从Bohr的理论中得到了自然而合理的解释(由于Moseley在1915年第一次世界大战阵亡,1916年的诺贝尔物理和化学奖停发)。1916年Sommerfeld将Bohr的圆轨道推广到相对论椭圆轨道,得到了Dirac相对论量子力学的结论。1917年利用Bohr频率条件hv=E2 - E1,Einstein提出了原子的受激辐射理论,为激光的发明提供了理论基础。Bohr理论中电子绕原子核运动,可以预测原子具有磁矩,1921年Stern-Gerlach实验证实了原子确实具有磁矩,结果和Bohr角动量量子化条件预测的吻合,当然这是个戏剧化的巧合,但Stern也不敢在说Bohr的理论没有道理了。(Stern获诺奖的理由测量了质子磁矩,显然该实验为他增加不少筹码)。de Broglie也受到Bohr氢原子工作的影响,他在诺奖仪式上回顾说,Bohr的氢原子理论出现了整数,而物理学中出现整数的地方只有驻波和波的干涉,由此他猜想电子可能具有某种波动性。1923年de Broglie果然发现了物质波。1932年HC Urey在氢光谱的研究中发现了氢的同位素氘,获1935年诺贝尔化学奖。

除了Bohr氢原子理论的直接影响外,由此发展的对应原理对物理学的推动作用也是不言而喻的。1925年Kramers-Heisenberg完全量子力学的色散关系,1925年Heisenberg创立矩阵力学和Dirac表述量子力学的量子Poisson括号的形式都是直接使用对应原理的结果。

2、原子的电子结构解释元素周期律(1922)
   这项工作被视为旧量子论的巅峰之作,Bohr提出了氢原子理论,更进一步想到元素周期律,他设想每个元素原子的电子按一定壳层(主量子数n)填充,而元素的化学性质和光谱主要取决于最外层的价电子。由经验的光谱规律,Bohr还预测了‘闭壳层’里面最多能填充的电子的数目,n=1最多2个,n=2最多8个,n=3最多能填18个电子。该工作指导了72号元素铪Hf的发现,Moseley的经验定律表明当时(1915年)尚有43,61,72,75,85,87和91号元素未被发现,Bohr依据他的元素周期律理论指出72号元素的化学性质和40号元素锆Zr相似,建议D Coster和G Hevesy到锆矿中寻找,他们果然发现了72号元素。由于该元素是在哥本哈根找到的,他们建议将该元素命名为铪Hf,哥本哈根的拉丁拼法。

Wolfgang Pauli(泡利)为了寻求Bohr闭壳层电子数目的经验结果的解释,在1924年E. Stoner的一篇文章中找到了玄机,很快在1925年发现了Pauli不相容原理(诺奖)。同时预测电子第四量子数的存在,我们知道,后来Uhlenbeck和Goudsmit将第四量子数赋予的自旋的物理意义(1925年)。

3、量子力学哥本哈根解释(1927年)
   在1927年W Heisenberg(海森堡)提出不确定原理的同时,Bohr提出了并协性原理,该原理指出一些经典概念的应用不可避免的排斥另一些经典概念的应用,为了将物理现象做出详尽无异的描述两类概念需要汇集在一起。并协性原理和不确定原理构成量子力学哥本哈根解释的两根支柱,而哥本哈根解释对人们的看待世界的哲学观给以巨大的冲击和颠覆,人们的观测行为和物理现象纠缠在一块儿,观测者在世界的和谐中既是演员又是观众。就连Einstein也不得不为哥本哈根解释感到苦恼,但又无法驳倒它,Einstein曾问他的同事‘不观察月亮时,月亮真的不存在吗?’任何一个哥本哈根学派的成员都可以对这个问题做出哥本哈根式的精彩解说。Bohr说并协性可以推广到生物学领域,这使得M. Delbruck(德尔布吕克)从物理学转向生物学去证实Bohr的观点,Delbruck由于在生物学上的贡献获得了诺奖。

4、Bohr和Einstein争辩(1927始)

   就量子力学的不确定关系和量子力学能否完备等问题,Bohr和Einstein自1927年始长达几十年的争论。1930第6届索尔维会议,Einstein坚信上帝不掷骰子,以光子盒为工具试图推翻Heisenberg不确定关系。Bohr而“以彼之道还施彼身”,根据广义相对论如果时钟沿重力方向发生位移,它的快慢会发生变化,那个小盒上机械钟读出的时间就会因为这个光子的跑出而有所改变。换言之,用这种装置来测定光子能量,就不能够控制光子逸出的时刻———回到了不确定关系!

   第二回合的争辩是1935年,Einstein、Podolsky和Rosen发表了量子力学是否完备的文章诘难量子力学,Bohr依旧是轻松应对。Bohr的文章对EPR表示异议,用微观系统的“整体性”或者“不可分离性”否定EPR的论证,他的这个思路可以借用黑格尔的一段名言阐释,即“全体的概念必定包含部分,但如果按照全体的概念所包含的部分来理解全体,将全体分裂为许多部分,则全体就会停止其为全体”。

   两人的争辩,谁也说不了谁,直到20世纪60年代,J. Bell提出了Bell不等式。以Bell不等式来判别Bohr正确还是Einstein正确,几乎所有的实验的结果都判定Bohr取胜。而Bohr和Einstein争辩的一个副产品就是Einstein等发现了量子态的纠缠,量子纠缠已成为量子通信、量子计算的基本资源,成为量子信息学的开端。

5、复合核模型(1936)和核裂变的液体模型解释(1939)

   Bohr对核物理也有非常重要的贡献,1936年提出的复合核模型在解释当时难以理解的共振反应现象时特别的成功,同时该模型也是计算核反应截面一个非常重要的方法;1939年他和J Wheeler用核的液滴模型解释了铀核裂变的反应,指出了慢中子轰击下发生核裂变的时丰度很小的235U而非丰度很大238U,这为美国制造原子弹指明了道路,事实上1945年首个原子弹-小男孩就是一颗235U裂变爆炸。

以上五点,足足奠定了Niels Bohr物理学大师的地位。还有一个小插曲,在1924年Bohr提出了元过程能量不守恒来,对此Pauli坚决反对,Compton散射实验证实元过程也能量守恒。后来Pauli在解释beta衰变的谜团时坚持能量守恒而引入了中微子,而中微子假说在20世纪50年代被实验证实。事实上仰慕Bohr的大师风范,当时世界上最顶尖的物理学家都曾到Bohr的理论物理研究所(现名为Bohr研究所)工作过。我们可以小结一下直接得益于Bohr工作的物理学家,Franck, Hertz, Sommerfeld,Einstein, Stern, Gerlach,Kramers, Heisenberg, Dirac,  Coster, Hevesy, Pauli, Delbruck, Wheeler, Urey, deBroglie等。和Bohr有关的工作共颁发了7次诺贝尔,分别是Franck-Hertz,Stern-Gerlach, Heisenberg, Pauli, Delbruck(生物),Urey(化学),de Broglie。
    Bohr物理学大师的地位也使得他获得了应有的奖赏,1922年获诺贝尔物理奖,1947年获丹麦政府的‘骑象勋爵’称号,1955创建北欧理论原子物理学研究所并担任管委会主任,107号元素命名为Bohrium。

  Bohr对中国的文化有着深刻的理解和深厚的感情,1937年夏天,Bohr夫妇和儿子Hans Bohr来中国访问,访问上海、杭州、南京、北平期间,作了“原子核”和“原子物理中的因果性”的讲演。1962年底(Bohr在这一年逝世),玻尔要求他的四子奥格·玻尔(Aage Bohr,1975年获诺贝尔物理学奖)和夫人玛丽塔来中国访问。从1962年到1975年,冼鼎昌、杨福家、卓益忠、张礼等12位中国学者在Bohr的研究所学习和工作过,从1979年到到1995年,到哥本哈根的Bohr理论物理研究所和Bohr文献馆访问的中国学者共有陈永寿、徐湛、曾谨言、于敏、戈革、范岱年等25人。




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