尼尔斯·玻尔
尼尔斯·亨利·戴维·玻尔(公元1885~公元1962年11月18日),原子结构学说之父;丹麦物理学家。他通过引入量子化条件,提出了氢原子模型来解释氢原子光谱,提出互补原理和哥本哈根诠释来解释量子力学,对二十世纪物理学的发展有深远的影响。
编辑摘要玻尔于1921年结婚,当时正值他从事伟大科研工作的黄金时代。他有五个儿子,其中的一个儿子阿基·玻尔获得1975年诺贝尔物理奖。玻尔是世界上最受爱戴的科学家之一。而且由于他的品格和人道主义而受到喜爱和仰慕。
1911年他在哥本哈根大学获得博士学位。不久他前往英国剑桥,在以发现电子而闻名的科学家J·J·汤普森的指导下从事研究。几个月后玻尔来到曼彻斯特与在几年前发现电子核的欧内斯特·卢瑟福共同从事研究。卢瑟福提出了原子中心有一个重核,周围有电子,而大部分是空间。这与从前的学说相反。
1913年在《哲学杂志》上发表具有划时代意义的论文《论原子和分子结构》,发展了自己崭新的原子结构学说。
1920年,就任哥本哈根理论物理学研究所所长。在他的指导下,众多才华横溢的青年科学家纷至沓来,使该所很快就成为世界上主要科研中心之一。
1921年结婚,当时正值他从事伟大科研工作的黄金时代。
在20世纪30年代,玻尔把注意力转移到原子核结构问题上去了。他创造了重要的原子核“液滴模型”,还提出了反应堆中的“复核”学说。此外,玻尔还正确指出了参与核裂变的铀的同位素U235,这对后来发展原子弹具有重大意义。
1940年德国军队占领了丹麦。玻尔的处境十分危险,这是由于他坚决反对纳粹分子的观点为众人所皆知,还由于他母亲是犹太人。
1943年玻尔设法逃出了被占领的丹麦来到瑞典。他还帮助许多丹麦籍犹太人潜逃出境,否则他们将会死在希特勒的煤气炉上。玻尔从瑞典飞到英国,又从英国飞到美国。在美国,玻尔在战争时期帮助制造了原子弹。
二战后,玻尔返回哥本哈根,在那儿领导理论物理所,直到1962年去世时为止。在战后的年月里,玻尔为对原子能实行国际性控制进行努力奋斗,不过没有取得任何成效。
波尔生于丹麦首都哥本哈根,父亲克里斯丁·波尔是哥本哈根大学的生理学教授,母亲出身于一个富有的犹太人 家庭。波尔从小受到良好的家庭教育,并爱好足球,曾经和弟弟哈那德·波尔共同参加职业足球比赛,甚至代表丹麦国家队出场参加国际比赛。1903年玻尔进入哥本哈根大学学习物理,1911年获博士学位。随後,他曾在曼彻斯特大学的实验室短期工作。基於卢瑟福的原子核理论和普朗克的量子说,1913年玻尔提出了原子结构的玻尔模型。按照这一模型电子环绕原子核作轨道运动,外层轨道比内层轨道可以容纳更多的电子;较外层轨道的电子数决定了元素的化学性质。如果外层轨道的电子落入内层轨道,将释放出一个带固定能量的光子。
波尔认识到他的理论并不是一个完整的理论体系,还只是经典理论和量子理论的混合。他的目标是建立一个能够描述微观尺度的量子过程的基本力学。为此,波尔提出了着名的「互补原理」,即宏观与微观理论,以及不同领域相似问题之间的对应关系。互补原理指出经典理论是量子理论的极限近似,而且按照互补原理指出的方向,可以由旧理论推导出新理论。这在後来量子力学的建立发展过程中得到了充分的验证。玻尔的学生海森堡在互补原理的指导下,寻求与经典力学相对应的量子力学的各种具体对应关系和对应量,由此建立了矩阵力学。互补理论在狄拉克、薛定谔发展波动力学和量子力学的过程中起到了指导作用。
在对於量子力学的解释上,玻尔等人提出了哥本哈根诠释,但遭到了坚持决定论的爱因斯坦及薛定谔等人的反对。从此玻尔与爱因斯坦开始了玻尔-爱因斯坦争论,最有名的一次争论发生在第六次索尔维会议上,爱因斯坦提出了“光子盒实验”,以求驳倒不确定性原理。玻尔当时无言以对,但冥思一晚之後发现巧妙的进行了反驳,使得爱因斯坦只得承认不确定性原理是自洽的。这一争论一直持续至爱因斯坦去世。
1965年玻尔去世三周年时,哥本哈根大学物理研究所被命名为尼尔斯·波尔研究所。1997年IUPAC正式通过将第107号元素命名为Bohrium,以纪念波尔。
玻尔学说指出原子就象一个微型的太阳系,电子在重核周围的轨道上旋转。其中一个极其重要的差别就在于经典
物理学定律认为行星轨道的大小可以是任意的,而玻尔假定原子的电子只能在某些大小确定的轨道上旋转,只有轨道半径使整个原子的全部角动量是普朗克常数的倍数时才有可能,而中介值则不行。每个确定的轨道都具有与其相关的确定能量。当一个电子从一个确定的轨道跃迁到另一个确定的轨道时,辐射出来的光的频率就等于能量的变化再除以普朗克常数。玻尔学说代表着对经典物理学说的一次彻底突破。一些富于想象力的科学家(如爱因斯坦)迅即称颂玻尔的论文是一部杰作,虽然起初有许多其他人对新学说提出了质疑。玻尔学说经受住了关键性的检验,圆满解释了氢原子光谱。长期以来人们就知道氢气遇高温时就开始进行光辐射。但是它辐射的光并不包括所有颜色的光,而只包括某些频率非常固定的光。玻尔原子学说的一个很大的优点在于它从几个简单的假说出发,以惊人的准确性解释了氢原子辐射的所有谱线(颜色)的精确长度。而且玻尔学说预示有更多的谱线存在,这些谱线以前并未观察到,而不久就被实验所证实。此外玻尔原子结构学说第一次明确地解释了原子为什么具有它们所有的体积。由于具备这些令人信服的证据;玻尔学说很快就被公认。1922年,玻尔获得诺贝尔物理奖。
1920年哥本哈根成立理论物理学研究所,玻尔就任所长。在他的指导下,众多才华横溢的青年科学家纷至沓来,使该所很快就成为世界上主要科研中心之一。
但是与此同时,玻尔的原子结构学说也陷入了困境。主要问题在于玻尔学说虽然成功地解释了只有一个电子的原子(如氢原子)的光谱,但是它不能正确地预示出其它原子的光谱。有些科学家对玻尔学说在解释氢原子方面的绝对成功深受启发,企图对它稍加修正就能解释较重原子的光谱。玻尔首先认识到稍加修正仍无济于事,必须要彻底加以修正。他本人虽有天才却没能找到解决问题的方法。
这个方法终于在1925年被海森堡等人找到了。他们是在1925年着手于这项研究工作的。有趣的是海森堡和大多数对发展新学说有贡献的其他科学家们都在哥本哈根做过研究工作。在那儿他们通过与玻尔开展讨论和相互间的密切影响,无疑会受益匪浅。玻尔本人立即拥护新学说,帮助推进新学说。他对新学说做出了重大的贡献。通过讨论和写作,他促进了新学说的系统化。
在30年代,玻尔把注意力转移到原子核结构问题上去了。他创造了重要的原子核“液滴模型”,还提出了反应堆中的“复核”学说。此外,玻尔还正确指出了参与核裂变的铀的同位素U235,这对后来发展原子弹具有重大意义。
1940年德国军队占领了丹麦。玻尔的处境十分危险,这是由于他坚决反对纳粹分子的观点为众人所皆知,还由于他母亲是犹太人。1943年玻尔设法逃出了被占领的丹麦来到瑞典。他还帮助许多丹麦籍犹太人潜逃出境,否则他们将会死在希特勒的煤气炉上。玻尔从瑞典飞到英国,又从英国飞到美国。在美国,玻尔在战争时期帮助制造了原子弹。
战后,玻尔返回哥本哈根,在那儿领导理论物理所,直到1962年去世时为止。在战后的年月里,玻尔为对原子能实行国际性控制进行努力奋斗,不过没有取得任何成效。
虽然玻尔最初的原子结构学说在五十多年前就已被取代,但是他在20世纪仍不愧为是最伟大的人物之一。其理由有几点:第一,他的学说的某些重要方面仍被认为是正确的。例如,他的原子只能存在于某些不连续能级上的观点是所有后来的原子结构学说的一个不可分割的组成部分。第二,即使现代科学家认为玻尔原子图像实际上不正确,它也具有巨大的启发价值。也许所有理由中最重要的是玻尔学说给量子力学发展带来的动力。就算其中有些已被取代,也不难看出他的学说已被历史证明是现代原子学说和以后发展起来的量子力学的起点。
玻尔与中国科学界有着密切的联系,中国著名的物理学家周培源、胡宁、张宗燧都曾经在玻尔研究所进行过短期
访问和工作。1937年5月20日至6月7日,尼尔斯·玻尔和他的夫人,以及他的儿子奥格·玻尔丹从日本到达上海,对中国进行访问,经杭州、南京,最后抵达北平。访问期间参观了科学、文化机构,并作了学术报告。中国著名物理学家王淦昌著文介绍了这次访问的情况。1962年,奥格·玻尔来中国访问,在他访问期间,丹麦和中国达成一个长期学术交流的协议。正当中国物理学界期待尼尔斯·玻尔重访中国时,这位用自己的伟大发现为原子科学和物理学的认识论奠定基础的伟人不幸与世长辞了,享年77岁。
继承父亲的遗志,奥格·玻尔于1973年再次访问中国,他还陆续邀请我国十余名中青年物理学家到玻尔研究所工作,其中有冼鼎昌、杨福家、卓益忠、曾谨言等,对培养我国原子核物理专家作出了贡献。
1985年10月,为了纪念玻尔诞辰一百周年,在丹麦举行了一系列庆祝活动,其中包括纪念会和“原子和原子核碰撞的半经典描述”、“量子场论的最近发展”、“原子核结构”学术报告会。10月4日至7日在哥本哈根举行“尼尔斯·玻尔诞辰一百周年纪念会”。
纪念会与会代表三百多人,来自十九个国家,我国代表有杨福家、曾谨言等五人。会议的最后一天是在古老的哥本哈根大学举行的,上午在大学门口广场上的玻尔雕像前举行了一个简短的仪式,然后是一些充满情谊的回忆报告。下午的会上,丹麦女王和他的母亲(前女王)出席纪念会,哥本哈根大学的校长和院长们穿着礼服,乐队与艺术家的表演与科学家的报告交叉地进行,整个会场显得庄严又活跃。
中国物理学会、化学会、核学会、光学会、生物物理学会、核物理学会、高能物理学会和北京化学会也于1985年11月1日在北京联合举行隆重的“尼尔斯·玻尔诞辰一百周年纪念会”。
纵观玻尔一生的科学活动,最大的特点是不断地进取和创造,他继承老师E.卢瑟福的研究成果,但是并不停留在老师的水平上,而是不断有所创新。他的一生有力地说明了“青出于蓝而胜于蓝”这个颠扑不破的真理。
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