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行業新聞

量子史話(十一)為什么電子在特定的軌道就不輻射能量?

發布者:浦匯光電   發布日期:2021/5/22 11:42:31

上回我們說到,玻爾在1913年的7月、9月、11月分別發表了三篇關于原子結構的論文,這三篇論文的題目一樣,叫《論原子和分子的結構》,所以史稱“三部曲”。

在7月第一篇論文發表以后,丹麥唯一的大學哥本哈根大學,也是玻爾的母校,給玻爾提供職位是編外講師,也就是沒有事業編,這還不算,他們居然讓玻爾給非物理專業的學生講一些初級物理知識。

很顯然有點拿牛刀殺雞的感覺,雖然玻爾很不樂意,但也暫時接受了這個職位,因為他現在工作的地方連大學都算不上,是一所技術學院,不過玻爾現在正在憋他的大招。

9月玻爾第二篇論文發表了以后,正好趕上了第83屆英國科學促進協會召開會議,參加會議的人有很多人的名字,我們都非常熟悉,比如:洛倫茲、居里夫人、埃倫費斯特、勞厄、當然也少不了英國的幾位前輩,湯姆遜、盧瑟福、瑞麗;

玻爾也去參加這次會議,畢竟英國對他來說并不陌生,而且還能見到自己的老師。在這場會議上理所當然地討論了玻爾最新的量化原子模型。

不過除了盧瑟福以外,所有的人都反對玻爾的想法,原因很簡單,因為大家都堅信,麥克斯韋的理論應該在所有的情況下都成立。而玻爾卻說,電子只要在特定的軌道上就不會釋放輻射。

你可能也想問:為什么電子在特定的軌道上就不會釋放輻射?我只能回答,沒有為什么,因為這個世界就是量子化的,它不連續,電子只能存在于這些軌道上,不能存在于其他任何的空間,既然不能存在于其他的空間,那么這些軌道自然是穩定態軌道。

其實說白了,只要你接受了這個世界是間斷性的,就不會有這樣的困惑。在量子理論中,有很多的問題你都不能問為什么?只要接受就好。

在后面的視頻中,你會遇到越來越多不能問為什么的問題。這就是量子力學的難纏之處。

不過玻爾不能以這樣的口氣給其他物理學說,你不要問我為什么,接受就好。牛頓當年也沒這么牛過,所以還是需要實驗繼續驗證玻爾的量子化原子模型,看看他所說的分立的能級是否存在。只要確實存在,就能說明,人家玻爾說得沒錯。

就在1913年的11月,當玻爾的第三篇論文發表以后,盧瑟福團隊中的一位成員,亨利·莫斯萊受到了玻爾原子的啟發,用電子轟擊各種元素,研究了元素釋放出來的X射線。

其實是玻爾在7月份的時候專門去找了這位同僚,讓他趕緊做實驗驗證自己的原子理論。莫斯萊聽了玻爾的理論以后,也挺有興趣的,就開始了實驗。

按照玻爾的理論,足夠能量的電子轟擊特定的金屬元素之所以能釋放出X射線,是因為原子基態中的一個電子被撞了出來,上層的電子向下躍遷,以X射線的形式向外釋放出了兩個能級之間的能量差。

而且根據玻爾的原子模型以及釋放出來的X射線的頻率,還可以計算出元素原子核中的核電荷數。

莫斯萊花了兩個月的時間,從鈣元素一直轟擊到了鋅元素,然后繼續往下轟擊,隨著轟擊的元素越來越多,他發現元素周期表中元素的順序確實是按照核電荷數來排列的,這驗證了玻爾最早關于原子序數概念的猜想。

而且莫斯萊還發現,每種元素釋放出來的X射線波長獨一無二,并且相鄰的兩個元素之間的X射線波長非常接近,因為他們之間只相差1個核電荷,如果出現X射線波長相差比較大的,就說明中間還有其他未知的元素。

因此莫斯萊預測出了42、43、72、75,這四種新元素。沒過多久,這四種元素都被發現了,可惜的是莫斯萊在1915年死于一戰戰場。

一戰是在1914年爆發,當時所有能參加戰斗的年輕人都走向了戰場,科學家也沒法置身事外,剛剛還在實驗室一起做實驗的同事,轉眼間端著槍在戰場上就成為了敵人。

像是之前提到過的蓋革、馬斯登,赫維西都參加了一戰,還有后面我們要說到的德布羅意、薛定諤也在為自己的國家效力。

就連盧瑟福這時也沒功夫研究原子了,他更關心的是怎樣能把德國的潛艇擊沉。

我們接著說,1914年的4月,玻爾原子模型又迎來了一個關鍵性的證據;德國物理學家詹姆斯·弗朗克和古斯塔夫·赫茲,這個赫茲是那個赫茲的侄子,

它倆在用電子轟擊汞原子的時候發現,只要汞原子釋放出紫外線,那么用來轟擊汞原子的電子就會損失4.9ev的能量。

玻爾的理論能夠完美地解釋這個實驗,4.9ev是汞原子第一激發態和基態之間的能量差,只要用來轟擊汞原子的電子超過這個能量,它就有可能打出基態電子,第一激發態的電子向下躍遷,就會釋放出相應能量的電磁輻射。利用普朗克-愛因斯坦公式,可以算出這個電磁輻射的波長為253.7納米,位于紫外線波段。

玻爾的理論和實驗吻合得非常好,這個實驗也成為了驗證玻爾原子模型最有力的證據,加上莫斯萊的工作,到1914年底,基本上所有的人在實驗證據面前都接受了玻爾的量化原子模型。接受了玻爾的分立能級、電子角動量量子化、以及對元素光譜的解釋。

隨著玻爾在科學界的名望越來越高,玻爾終于說出了他藏在心里已久的想法,他給哥本哈根大學的管理層說,你看我現在多少都算個物理學家了,再當個講師不合適吧,能不能給個了理論物理學教授的職位。

大學管理層一聽,有點懵了。理論物理學教授?自建校以來從來都沒有過這個職位,這是要為玻爾專門開設一門新的學科,其實在當時除了德國的大學以外,還真的很少有大學設立這個職位,就算在德國,專門從事理論物理的人也是寥寥無幾。

理論物理學家相比于實驗物理學家來說,工作起來就比較簡單,就拿愛因斯坦來說,他當年決定在美國普林斯的長期工作的時候,已經是1934年的事情了,這時的愛因斯坦名譽全球,可以和哥白尼、布魯諾、牛頓并駕齊驅,普林斯頓大學問愛因斯坦,你的辦公室都需要什么?我們給你置辦,愛因斯坦說,一張辦公桌、一支筆和一些稿紙足矣。

這就是理論物理學家的標準三件套,不需要繁瑣的實驗設備,不過到了今天,理論物理學已經離不開實驗與觀測了,也不再區分理論家和實驗家。

玻爾的要求沒有通過,就算是盧瑟福多次給教育部寫信,得到的答復也是先緩一緩再說。讓玻爾繼續當個講師那是不可能的事,玻爾就請假去了曼徹斯特找盧瑟福,聽說是盧瑟福要給他重新介紹工作。

不過由于戰爭的原因這件事就給耽誤了,而且玻爾也在曼徹斯特滯留了很長時間,直到1916年的5月,哥本哈根大學才同意了玻爾的請求,給他專門設立了一個理論物理學教授的職位。

因為在這期間,又發生了一件事,使得玻爾的名聲再一次高漲,哥本哈根也不得不認真考慮玻爾的要求。

因為慕尼黑大學的索末菲不僅全盤接受了玻爾的原子理論,還在此基礎上進一步引入了兩個量子數,軌道形狀量子數K,也叫角量子說和軌道方向量子數M,也叫磁量子束。解釋了人們無法解釋的巴爾末系的精細結構,發現了精細結構常數,以及斯塔克效應和塞曼效應。

這是我們下個視頻的內容。

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