對(duì)玻爾原子理論發(fā)展歷程的回顧

王震宇

摘 要：回顧歷程，重塑精神，激發(fā)后人，積極探究，完善理論。玻爾原子理論是認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)和規(guī)律的重要理論。玻爾在總結(jié)前人實(shí)驗(yàn)事實(shí)以及原子核模型的基礎(chǔ)上，考慮到原子光譜的規(guī)律性，拋棄了部分經(jīng)典理論的概念，并引入了量子概念，于1913年提出了三條假設(shè)，即玻爾原子理論。玻爾原子理論取得了巨大的成功，完滿地解釋了原子的結(jié)構(gòu)和規(guī)律。面對(duì)復(fù)雜的原子體系，玻爾原子理論仍存在著一定的局限性，如用玻爾原子理論無法計(jì)算原子光譜的強(qiáng)度，對(duì)其他元素更為復(fù)雜的光譜包括氦原子光譜在內(nèi)，理論推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)事實(shí)分歧較大的問題。至于塞曼效應(yīng)、光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，玻爾原子理論更是無能為力。因此，面對(duì)復(fù)雜的原子體系，需要后人重塑玻爾探究精神，積極投身實(shí)踐，在量子理論的通道上持續(xù)探究，不斷完善和發(fā)展玻爾原子理論，以解決前人沒有解決的問題，造福人類。

關(guān)鍵詞：玻爾原子理論；發(fā)展歷程；回顧；激勵(lì)后人；持續(xù)探究

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-9132（2016）29-0207-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2016.29.131

人類賴以生存的物質(zhì)世界，是由原子或分子構(gòu)成的。要認(rèn)識(shí)紛繁復(fù)雜的物質(zhì)世界，就須先從認(rèn)識(shí)原子或分子開始，而玻爾原子理論是認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)和規(guī)律的重要理論。因此，為了更好地理解玻爾原子理論，并運(yùn)用玻爾原子理論解釋原子的結(jié)構(gòu)、現(xiàn)象和規(guī)律，就有必要回顧玻爾原子理論的發(fā)展歷程，以激勵(lì)后人，持續(xù)探究，完善發(fā)展理論，解決前人沒有解決的問題，造福人類。下面筆者僅就玻爾原子理論的發(fā)展歷程做一簡要的回顧，以實(shí)現(xiàn)其目的。

一、原子模型的歷史演變

在電子發(fā)現(xiàn)以前，人們對(duì)原子的內(nèi)部狀態(tài)一無所知，只能把原子看成是一個(gè)不可分的整體，頂多假設(shè)它是一個(gè)諧振子在做機(jī)械運(yùn)動(dòng)或是一個(gè)赫茲振子在做電磁振蕩。但這對(duì)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的了解，卻無濟(jì)于事。而在發(fā)現(xiàn)電子、確證電子是一切原子的組成部分之后，才有可能真正建立原子結(jié)構(gòu)的模型，作為探索原子結(jié)構(gòu)的理論，對(duì)光譜的發(fā)射和其他原子現(xiàn)象做出正確的解釋。

人們?yōu)榱颂骄课镔|(zhì)的原子結(jié)構(gòu)以及如何解釋元素的周期性、線光譜、放射性等現(xiàn)象，有許多物理學(xué)家根據(jù)自己的實(shí)踐見解，從不同角度提出了各種不同的模型。下面列舉幾個(gè)有代表性的例子來說明原子模型的歷史演變。

（一）長崗的土星模型

日本長崗半太郎，1903年根據(jù)麥克斯韋的土星衛(wèi)環(huán)理論推測(cè)原子的結(jié)構(gòu)，他設(shè)想原子系統(tǒng)是由很多質(zhì)量相同的質(zhì)點(diǎn)，連接成圓，間隔角度相等，互相間以與距離成平方反比的力相互排斥；在圓的中心有一個(gè)大質(zhì)量的質(zhì)點(diǎn)，對(duì)其他質(zhì)點(diǎn)以同樣定律的力吸引。如果這些互相排斥的質(zhì)點(diǎn)已幾乎相同的速度繞吸引中心旋轉(zhuǎn)，只要吸引力足夠大，即使有小的干擾，這個(gè)系統(tǒng)一般將保持穩(wěn)定。

長崗的原子模型理論雖說很不完善，但它在一定程度上說明了電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和“原子核”的存在，為后來盧瑟福的核式原子模型的提出或許有一定的啟迪。

（二）勒納德的中性微粒模型

1920年勒納德設(shè)想，原子并非實(shí)心的彈性球。他假設(shè)原子內(nèi)的電子和相應(yīng)的正電荷組成中性微粒，有無數(shù)“動(dòng)力子”浮游在原子內(nèi)部的空間。

（三）里茲的磁原子模型

1908年里茲提出原子光譜組合原理，他設(shè)想原子光譜的規(guī)律，僅僅涉及頻率，光譜線的頻率決定于磁場(chǎng)作用力。他還假設(shè)磁場(chǎng)是由分子磁棒（圓柱形的電子沿軸旋轉(zhuǎn)）產(chǎn)生的，處于磁棒軸線上的電荷，在磁場(chǎng)作用下，將在與磁場(chǎng)垂直的平面內(nèi)做螺旋運(yùn)動(dòng)，頻率與氫原子光譜中的巴耳末線系的規(guī)律完全對(duì)稱。

（四）湯姆遜的實(shí)心帶電球模型

1904年，湯姆遜綜合他對(duì)原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行的長期研究，提出了一個(gè)原子結(jié)構(gòu)棗糕模型假說。他假設(shè)原子中的正電荷是均勻地分布在整個(gè)原子球體中的，而帶負(fù)電的電子像似棗糕里的棗子那樣鑲嵌在原子中。該模型雖然能解釋原子為何呈現(xiàn)電中性等一些實(shí)驗(yàn)事實(shí)，但不久就被新的實(shí)驗(yàn)否定了。

（五）哈斯將量子假說運(yùn)用于原子模型的嘗試

哈斯在研究黑體輻射時(shí)很早就注意到了量子論。1910年，他在湯姆遜原子模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用量子公式來闡述原子結(jié)構(gòu)。他假設(shè)電子在原子內(nèi)部以振蕩頻率旋轉(zhuǎn)，運(yùn)用普通力學(xué)的公式計(jì)算原子的能量，就其近似結(jié)果，可認(rèn)為與原子的總能量大概相等。雖說計(jì)算結(jié)果粗略，但卻是將量子假說運(yùn)用于原子結(jié)構(gòu)的最初嘗試，或許可啟迪后人對(duì)此問題的關(guān)注。

（六）尼科爾松的量子化原子模型

尼科爾松擅長于星光譜和日冕光譜的研究。1911-1912年期間，他討論過原子模型。他設(shè)想原子系統(tǒng)中有不同能量的環(huán)繞電子，而電子在不同環(huán)徑上的角動(dòng)量，其值只能以分立值來增減。

以上列舉的幾種原子模型，雖然都失敗了，但有些或許對(duì)玻爾原子理論的提出有著積極的貢獻(xiàn)。

二、α散射和盧瑟福核式原子模型

盧瑟福在1908年研究核素的放射性時(shí)發(fā)現(xiàn)了α、β射線，并經(jīng)過多年的工作，于1908-1909年間證明α粒子就是氦離子（）。在研究α粒子與其他物質(zhì)作用時(shí)，發(fā)現(xiàn)α射線在底片上形成的圖像會(huì)由于極薄物質(zhì)的散射作用而變得邊緣模糊。

1909年，盧瑟福為了驗(yàn)證湯姆遜提出的原子結(jié)構(gòu)模型，與合作者一起進(jìn)行α粒子散射實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中觀察到一個(gè)重要現(xiàn)象：α粒子受鉑的薄膜散射時(shí)，絕大多數(shù)平均只有2°～3°的偏轉(zhuǎn)，但僅有約1/8000的α粒子大于90°，其中有接近180°的。然而，出現(xiàn)的這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，難以用湯姆遜的實(shí)心帶電球原子模型加以解釋。也就是說，湯姆遜原子模型不能解釋說明實(shí)驗(yàn)中大角度散射的事實(shí)。

盧瑟福對(duì)這個(gè)問題經(jīng)過苦思冥想，并通過數(shù)學(xué)推算，于1911年提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型。他設(shè)想原子中帶正電的部分很小，它受電子的作用引起運(yùn)動(dòng)的改變不大，而它受正電體的作用就不同了，當(dāng)α粒子進(jìn)入原子區(qū)域時(shí)，所受到的作用力 （Z為原子序數(shù)，e為電子的電量，為真空中的介電常數(shù)，為α粒子與正電體的距離）。由于正電體很小，也就是說很小，其作用力可以很大，因此就能產(chǎn)生大角度散射。

后來，蓋革和馬斯登對(duì)α粒子散射實(shí)驗(yàn)又做了許多改進(jìn)，并通過實(shí)驗(yàn)取得了全面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步肯定了盧瑟福理論的正確性。

三、玻爾的定態(tài)躍遷原子模型和對(duì)應(yīng)原理

尼爾斯·玻爾是丹麥人，早年在哥本哈根大學(xué)攻讀物理，接觸到量子論，1911年，赴英國劍橋大學(xué)學(xué)習(xí)和工作，1912年在曼徹斯特大學(xué)盧瑟福的實(shí)驗(yàn)室里工作過四個(gè)月，其時(shí)正值盧瑟福發(fā)表核式原子理論并組織大家對(duì)這一理論進(jìn)行檢驗(yàn)。玻爾參加了α粒子散射的實(shí)驗(yàn)工作，幫助他們整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和撰寫論文。玻爾十分敬佩盧瑟福和他的學(xué)說，堅(jiān)信他的核式原子模型是符合客觀事實(shí)的，也了解他的理論所面臨的困難，認(rèn)為要解決原子的穩(wěn)定性問題，唯有靠量子假說，也就是說，要描述原子現(xiàn)象，就必須對(duì)經(jīng)典概念進(jìn)行一番徹底的改造。1913年，玻爾在核式原子模型的基礎(chǔ)上，考慮到原子光譜的規(guī)律性，拋棄了部分經(jīng)典理論的概念，發(fā)展了普朗克的量子概念，提出了三條假設(shè)，使原子光譜得到了初步的解釋。玻爾的假設(shè)是：（1）電子繞核做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，只有電子的角動(dòng)量等于的整數(shù)倍軌道才是穩(wěn)定的，即，式中的為電子的質(zhì)量，為電子運(yùn)動(dòng)的速度，為軌道的半徑，為普朗克常量，為1、2、3 等整數(shù)值，稱為量子數(shù)，此式稱為軌道角動(dòng)量的量子化條件。（2）電子在上述假設(shè)許可的任一軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)，雖有加速度，但原子具有一定的能量，而不會(huì)發(fā)生輻射，所以處于穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，簡稱穩(wěn)態(tài)，這就是定態(tài)假設(shè)。（3）原子從一個(gè)具有較大能量的定態(tài)，過渡到一個(gè)具有較小能量的定態(tài)時(shí)，原子才進(jìn)行一定頻率的電磁輻射，其頻率由公式?jīng)Q定。

玻爾在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步定量地計(jì)算出氫原子的定態(tài)軌道半徑和對(duì)應(yīng)能量，完滿地解釋了氫原子光譜巴耳末公式；從他的理論推算，各基本常數(shù)如、、和（里德伯常數(shù)）之間取得了定量協(xié)調(diào)；他闡明了光譜的發(fā)射和吸收，并成功地解釋了元素周期表，使量子理論取得了重大進(jìn)展，玻爾之所以取得成功，就在于他全面地繼承了前人的工作，正確地加以綜合，在舊的經(jīng)典理論和新的實(shí)驗(yàn)事實(shí)的矛盾面前勇敢地肯定了實(shí)驗(yàn)事實(shí)，沖破舊理論的束縛，從而建立了能基本適于原子現(xiàn)象的定態(tài)躍遷原子模型。

四、玻爾原子理論的局限性

玻爾原子理論雖然取得了巨大的成功，但仍然存在著很大的局限性。如用玻爾原子理論無法計(jì)算光譜的強(qiáng)度，對(duì)其他元素更為復(fù)雜的光譜，包括氦原子光譜在內(nèi)，理論推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)事實(shí)分歧較大的問題。至于塞曼效應(yīng)、光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，玻爾原子理論更是無能為力。然而，玻爾原子理論的這些局限性，需要后人重塑玻爾探究精神，善于實(shí)踐，在量子理論的通道上持續(xù)探究，不斷完善和發(fā)展玻爾原子理論，以解決前人沒有解決的問題，造福人類。

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[責(zé)任編輯 吳海婷]