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当原子遇到量子学: 原子结构模型的建立(上)

归档日期:06-07       文本归类:胡克      文章编辑:爱尚语录

  凤凰科技讯 北京时间7月3日消息,国外媒体报道,在丹麦物理学家尼尔斯玻尔(Niels Bohr)之前,原子让科学界很多优秀的科学家都困惑不已。一千年来,原子都是幻影,科学家们都怀疑它的存在但它仍处于不可见的状态虽然并非不可分割,也就是它的名字最初的暗含意义(希腊语里不可切的意思)。20世纪初,物理学家了解到原子有带电的部分,其中最受欢迎的模型认为它存在带正电的“布丁”上镶有带负电的粒子(其实是电子)。然而,1911年,当实验物理学家欧内斯特卢瑟福(Ernest Rutherford)展示带正电的布丁其实全部挤进一个巨大密集的核内,也即原子核,而周围被一定距离的电子所包围时,这一模型受到了挑战。

  然而,卢瑟福提出的原子模型让更多的科学家感到困惑,因为物理学原理禁止了他所描述的粒子分布。带相反电量的粒子会相互吸引,电子应该在一毫秒的时间内螺旋进入带正电的原子核内,即使它们没有进入原子核内,它们共同排斥的负电荷应该会将它们甩出环绕轨道。然而,出于某种原因,原子核内负电荷和正电荷友好的共处着。

  而在这个悖论问题上,出现了一名时代和文化造就的天才,他所处的文化让他坦然接受相互冲突的观点并从中学习。1个世纪之前,丹麦物理学家尼尔斯玻尔(Niels Bohr)结合了古老的标准物理学与新型的量子理论,从而产生了原子结构的现代模型。

  玻尔的原子理论并不是仅仅是将理论与实验相结合。他研究出了原子是如何结合形成分子的基本原理。他揭示了化学元素周期表里元素展示的化学特性的神秘重复性。这些研究的结果是,他确立了将量子物理学用于描述宇宙背后的现实的根本地位。

  即使玻尔模型中的技术细节最后被证实是错误的,他仍然抓住了理解原子的精髓观点:抛弃传统的观念而支持量子理论的疯狂观点。玻尔比同时代的科学家要更具前瞻性,他认为量子物理学才是揭开自然隐藏的真实性的关键。虽然量子混乱让很多科学家接近绝望,但玻尔仍坚定不移的走在追随量子学的研究道路上。当出现了分岔路口时,他往往在两条分岔路上并行,坚持认为了解现实意味着接受两种不相容的观点的真实性。

  在玻尔提出了原子模型后的几十年,他作为整个世界物理学家探索奇怪新颖的量子世界的向导和翻译。正如物理学家J罗伯特奥本海默(J. Robert Oppenheimer)在发展现代量子物理学时所观察到的,“尼尔斯玻尔的极具创意性、微妙性和批评主义精神引导、约束、加深并最终改变了整个领域。”

  玻尔在这个领域的重要作用起始于1913年,他发表的三篇文章成为未来原子科学的奠基石。玻尔“提供了第一个朝着理解原子结构和原子动态性的坚定且持久的方向,”物理学家亚伯拉罕派斯(Abraham Pais)在他撰写的玻尔自传《尼尔斯玻尔的时代》(Niels Bohrs Times)中这样写道。“从这个角度看,他可以被称为是原子之父。”

  和很多父亲一样,玻尔对自己的后代非常骄傲,但他也不会盲目忽略存在的错误。他从一开始就知道他自己提出的原子模型太过简单而无法描述所有现实存在的复杂性。然而他很确定的是解释原子需要量子物理学。“这才是玻尔伟大创造的关键,”美国加州大学伯克利分校的科学历史学家约翰海尔布伦(John Heilbron)这样说道。

  玻尔在1911年为自己的博士论文而调查金属的电子理论时就预见到量子理论的必要性。他发现带电流的电子和那些与原子相连的电子的行为非常不同,与经典物理学的普通机械法则并不一致。

  “因此玻尔得出结论,经典物理学无法解释金属里的电子的行为,”美国纽约州立大学石溪分校的物理学家阿尔弗雷德戈德哈伯(Alfred Goldhaber)这样说道。各种线索暗示着解决电子困境需要1900年引入的马克斯普朗克的量子观点。基于对热辐射的实验,普朗克推导出能量只能从不可分割的数据包,也被称为量子的炙热物体中释放出来,这类似于沙子是由单个沙粒组成。几年之后,爱因斯坦辩论称所有的辐射,包括光,都不能释放但只能通过这样的数据包(之后被称为光量子)传输,即使是我们熟悉的光,也是以波的形式传播。

  20世纪初,只有少数科学家认可普朗克的观点,而支持爱因斯坦观点的则是少之又少,然而玻尔就是其中一员。虽然别人在对量子存在的矛盾感到悲哀,但玻尔却坚持开发利用它们。他已经准备好面临这一挑战。

  1885年出生在丹麦哥本哈根的一个学术家庭,玻尔受益于知识非常丰富的家庭生活,当大学的物理学家、哲学家和语言学者来家中与生理学家父亲晚餐讨论时,他总是积极的倾听。他还吸收了多种文化的影响,还是孩童时,玻尔和他的哥哥哈拉尔德常常倾听父亲讲述歌德、莎士比亚和狄更斯的文学作品,他还常常阅读丹麦作家,例如克尔凯郭尔、汉斯克里斯蒂安安徒生(Hans Christian Andersen )的作品,对困境和矛盾的讨论深深的影响了玻尔。

  在玻尔的早期教育阶段,甚至到进入哥本哈根大学读书后,玻尔的聪明才智吸引了同学和教授。“他的家庭、朋友和老师都认为他是罕见的天才,一名有深度和广度的思想家,并以各种可能的方式帮助他发展各方面的才能。” 海尔布伦这样说道。

  在玻尔接受科学教育的过程中,他还学会了欣赏德国人强调的理论和数学,以及英国人选择的实验方式。注定成为一名理论学家的玻尔选择英格兰进行博士后研究工作。他决定师从英国剑桥大学卡文迪什实验室的约瑟夫约翰汤姆森(J.J.Thomson),卡文迪什实验室被誉为英国实验物理学的圣地。

  玻尔非常希望能够吸收剑桥的灵气,无论是在实验室还是剑桥的日常生活中。他非常渴望与电子的发现者汤姆森谈论汤姆森有关金属中电子的观点存在的瑕疵。然而,汤姆森似乎对玻尔的批评不以为意。1911年晚期,玻尔遇到了卢瑟福,后者告诉他近期在布鲁塞尔召开的一次会议上讨论的有关量子学的发展。很快,玻尔转学到英国曼彻斯特大学与卢瑟福的研究小组合作,迈出了朝量子原子研究的决定性一步。(编译/严炎刘星)

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