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发信人: Rg (RedGardenia), 信区: Physics
标  题: §23玻尔写下的原子传记
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年05月26日08:51:20 星期一), 站内信件


             §23玻尔写下的原子传记
 

   经典物理学再次陷入绝境。而这一绝境比可以设想的还
要坏。经典物理学不能说明加热物体的发光，也不能解释光
谱的本质。
    你还记得蘸以氯化钠溶液的布条吧。这种盐的光谱只有
一条黄线，这就意味着这种盐原子的辐射只有一个波长。
    即使假定这条线是一个电于在原子内减速时发射的，我
们也会立即面临另一个困难。经典物理学的定律声称：这样
的电子应当发射的不是一条光谱线，而是一个由所有不同波
长的光线构成的全光谱，同时这种光谱不呈现任何间断性。
--个电子所产生的光谱不应区别于太阳的光谱。可是事实上
我们面前只有一条黄线!
    玻尔认识到肯定某个地方有问题。  但什么地方有问题?
可能卢瑟福的原子模型有毛病?不可能。拒绝这一模型还为
时过早。玻尔的老师卢瑟福也持有同样的见解。人们认为应
当这样改进这个模型，从而原子中的电子能围绕核旋转，发射
光线，但又不致坠落于核上。
    那是在1912年。  爱因斯坦光子理论在物理学家中引起
的轰动记忆犹新。而仅仅在此三年以前，又是爱因斯坦轰动
了世界，--他完成了相对论。很自然，所有这些对经典物理
学的攻击不能不激励着年青的物理学家，使他们的思想更加
大胆。
    玻尔继续在这问题上沉想冥搜，最后终于得到了一个概
念。为什么原子内的电子要连续地发射光线?是因为它总是
以某个加速度在运动吗?让我们拒绝这种概念，并且宣称：即
使原子内的电子在作加速运动，它也不需要发出光线。
   但这怎么可能呢?  电子必须沿着特定的路径绕核运动，
也就是说，电子必须在轨道里运动，而不能任意地运动。如果
电子不发射光线，则这个电子会无限期地生存在这个原子中。
    但经典物理学却不可能对这种描述表示赞许。  不仅如
此，这种描述没有其他任何理论依据。玻尔不能对此加以证
明，因此他谦虚地称它为假设，附带说明一下，玻尔在他的理
论框框内也永远无法证明它。证明来自十年之后，而且来得
出乎意料。这点我们将在后面讨论。但一个电子能沿着多少
可能的轨道运动而不发射光线呢?玻尔的计算表明：这个数
字是巨大的，可能大得没有限制。那么它的突出特征是什么
呢?这就是它与核的平均距离：有离核近的轨道，有离核远
的轨道。但问题还不在于距离，而在于电子在轨道中所具有
的能量。这是可以理解的，因为电子离核越近，它就必须越快
地运动，以免于坠落在核上。反过来对较远的电子也是一样：
核对它的吸引力不是那么强，因而它能较慢地运动。
    因此结论是：对应于电子的不同能量，电子的路径(轨
道)也就不同。只要电子继续在它的轨道内运动，它就不会发
射光线。
    接着玻尔又提出了第二个假设。让我们设想某个轨道中
的电子突然跳到另一个能量较小的轨道之中去了。多余的能
量往哪儿去了呢?能量是不会化为乌有的。
    在原子外部去寻找这个多余的能量吧，玻尔说。
    这个能量以量子的形式从原子中抛射出去了。这个量子
也就是爱因斯坦称为光子的那个光能量子。
    发射了光子的电子进入另一个轨道，并且不再发射光
线。这个光子是电子从一个轨道跳到另一个轨道的那一瞬间
发出的。
    此时这个光子穿越其他的原子，并终于从这物体中逸出。
它能进入我们的眼睛。它能透过光谱仪的三棱镜，然后被拍
照下来。光子包含的能量转化了多次，最后我们看见了它的
现实的形象--照相底片上的一条黑线。
    这条线可以说明许多事情。测量它在底片上的位置就可
以发现光子的波长和频率。根据光子的能量与频率的普朗克
关系就可以决定光子的能量。这个能量正好就是原子中老轨
道和新轨道之间的能量差。底片上这条光谱线的浓度表示射
到这条线上的光子数目：数目越大，线越黑。光子越多，发射
光子的物体也就越亮。
    对光谱的这种解释是多么简单而且精彩啊!
    对某一种物质来说，所有的原子都是一模一样的。这样，
电子完全处于相同的条件之下。因此，当电子跳跃于两个轨
道之间时，电子发射出的光子也就完全一样。电子在两个轨
道之间进行的全部过渡终于产生出一条独特的光谱线。
    我们已经说过，原子中有许多那样的老轨道和新轨道。
一个电子能轮流居于其中任何一个轨道之内。
    从较高能量轨道向较低能量轨道的每一跳跃都伴随着一
个光子的诞生。由于不同轨道之间存在着不同的能量差，因
此光子也就具有不同的能量和频率。于是照相底片便展示了
一系列的狭窄的光谱线。气态氢的光谱恰好就是这样的。它
具有几十条不同波长的光谱线。
    总地来说，象钠那样只具有一条光谱线的光谱是罕见的。
光谱一般具有几十条线，往往甚至有几千条线。有些化合物
的光谱图样是那样地错综复杂，以致看来没有希望理出这些
光谱线。  但也有一些能使这项工作变得容易的规律可以遵
循。
    在玻尔理论提出以前，物理学家为了剖析某些复杂的光
谱绞尽了脑汁。但当玻尔证明光谱是原子--更确切些说，
是原子的电子--的传记时，这项工作被大大地简化了。我
们只须将原子中的不同的电子轨道结合起来研究，就可获得
观察到的光谱线。
与此相反，考察一个光谱就能得出有关原子中电子的不
同存在条件的结论。实际上，我们关于原子的电子壳层的全
部知识，都是通过对光谱的艰苦分析取得的。

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