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玻爾對量子論發展的貢獻
玻爾對量子論發展的貢獻
更新时间:2024-09-30 16:22:26

上回我們說到,玻爾在劍橋受到冷落,1912年3月跑到曼徹斯特投奔盧瑟福,事實證明他的決定是正确的,跟着盧瑟福不僅能夠學到東西,而且工作氛圍相當融洽;

最重要的是,玻爾跟着盧瑟福還學到了如何成為一個好的領導者,如何去關心學生,如何與學生保持亦師亦友的關系。

玻爾對量子論發展的貢獻(量子史話九玻爾投奔盧瑟福)1

這為他以後回到哥本哈根建立自己的研究所打下了非常好的基礎。

在玻爾來到曼徹斯特以後,他花了幾個星期的時間惡補了一些關于原子和放射性有關的知識,這是盧瑟福整個實驗室研究的重點課題。

每當傍晚十分,在實驗室工作結束以後,盧瑟福和學生都會坐下來一邊喝着咖啡,吃着面包,一邊漫天長談;

他們談話的主題基本上都離不開原子,氣氛相當融洽,主要是盧瑟福并不會在意學生們所說的觀點是否粗淺,大家可以暢所欲言,交換意見,不必擔心會說錯話。

在談話的過程中玻爾結識到了一位非常要好的朋友,他叫赫維西,由于他倆都是身在異鄉的外國人,英語都說得非常爛,兩個人就很容易就走到了一起,誰也不嫌棄誰。

赫維西後來也是諾獎的獲得者,因為他發明了放射性示蹤技術,在化學和醫藥上有着廣泛的應用。

玻爾對量子論發展的貢獻(量子史話九玻爾投奔盧瑟福)2

現在我們去醫院檢查幽門螺旋杆菌的時候,醫生會先讓你吃一顆藥,裡面就有放射性元素碳14,然後對着檢測闆吹氣,就可以非常方便的檢測幽門螺旋杆菌。

書歸正傳,玻爾在于赫維西聊天的過程中,得知了現在在原子方面遇到的問題,首先是盧瑟福原子模型不穩定,其次就是按照原子重量排序的元素周期表,由于人們發現了大量的放射性,這些放射性元素在蛻變以後會生成新的元素,生成的新元素和某些已知元素的化學性質一樣,但是重量卻不一樣。

頓時把元素周期表搞得稀碎,人們不知道應該把這些新元素放在什麼位置合适。比如說鈾元素在經過α衰變以後成為了一個新元素,當時人們叫它鈾X;鐳元素經過一系列的衰變以後形成的元素叫鐳D;

玻爾對量子論發展的貢獻(量子史話九玻爾投奔盧瑟福)3

人們發現鈾X和钍元素的化學性質相同,但是重量不同,鈾X的重量是232,钍元素的重量是234;鐳D的化學性質和鉛相同,但是鐳D的重量是210,鉛的重量是207。

要知道當時元素周期表的排列是按照原子量來排列的,很明顯這些形成的新元素和已知的元素化學性質相同,但是重量不同,這樣就把人們徹底搞亂了。

索迪在1910年說,形成的新元素和已知的元素化學性質相同,無法區分,唯一可區分的是他們的重量不同,認為,應該把化學性質相同的元素放在元素周期表的同一位置,這就是同位素的概念。

索迪說得沒有錯,但他這種說法,和當時按照重量來排列的元素周期表相違背。赫維西把這些全告訴了玻爾,還說,現在的物理學太亂了,尤其是元素周期表已經亂到了沒眼看的地步。

玻爾對量子論發展的貢獻(量子史話九玻爾投奔盧瑟福)4

這兩個問題玻爾都記在了心裡,不過他覺得原子穩定性的問題比較困難,還是先把元素周期表理順了再說,這個問題并沒有花費玻爾多長時間。

很快玻爾就認識到,元素周期表的排列順序并不是按照原子量來排列的,而是按照原子核中的電荷數來排列的,比如氫核有一個電荷,排在第一位,氦核有兩個電荷排在第二位,一直到92個核電荷的鈾元素,核外的電子數量也跟核電荷的數量相等,且元素的化學性質隻跟核外電子數量和排布有關。

這樣一來所有的一切都順理成章,比如人們無法區分的鈾X其實就是钍232,無法區分的鐳D其實就是鉛210,他們原子中的電荷數相等,核外電荷的數量和排列完全相同,隻是重量不同,以後區分它們隻需要在元素名稱後面加上原子量就行了。

玻爾對量子論發展的貢獻(量子史話九玻爾投奔盧瑟福)5

而且玻爾更進一步認為,原子的放射性其實就是一種核現象,原子核釋放一個阿爾法粒子,原子序數就會在元素周期表中向前移兩位;釋放一個β粒子,原子序數就會向後移一位。

玻爾想到這裡非常激動,他認為自己的邏輯完全沒有問題,就立刻把原子序數的概念和位移規律告訴了盧瑟福。

玻爾對量子論發展的貢獻(量子史話九玻爾投奔盧瑟福)6

前面我們多次提到過,盧瑟福這個人非常注重實驗,當玻爾把自己的想法告訴盧瑟福以後,盧瑟福告誡玻爾:不要無端的猜測。

玻爾前後找了盧瑟福不下五次,盧瑟福依舊不接受玻爾的想法,他最多相信阿爾法粒子是從原子核中釋放出來的,因為他知道阿爾法粒子就是氦原子核,但是你說β粒子,也就是電子,也是從原子核中釋放出來的,盧瑟福想不通原子核怎樣能釋放出電子。

玻爾也感覺到了盧瑟福被自己搞得有些不耐煩了,就想着說,先把這件事放一放再說,說不定哪一天盧瑟福自己就想通了。

玻爾對量子論發展的貢獻(量子史話九玻爾投奔盧瑟福)7

可是,20世紀初的科學瞬息萬變,有想法不趕緊發表,絕對會被别人截胡,提出同位素概念的索迪很快就發現了元素序數的概念和位移規律,和玻爾不同的是他發表文章并不需要經過别人的許可。

因此索迪在1921年就獲得了諾貝爾化學獎,玻爾卻因為盧瑟福的一時大意錯失了一個重要的發現,或許也錯過了一次諾貝爾化學獎。

不過玻爾并沒有怨恨自己的老師,因為他清楚什麼原子序數,什麼位移規律都是一些小問題,而且就在這時,盧瑟福的另外一個學生發表了一篇論文,研究的是阿爾法粒子散射實驗中,阿爾法粒子在穿過金箔以後動能損失的情況,他認為這是阿爾法粒子與原子中的電子相互作用的結果。

以此對原子中的電子進行思考。這個學生叫查爾斯·高爾頓·達爾文,他的爺爺很牛,就是我們熟知的那個統一人和猴的達爾文。

波爾立馬就意識到解決盧瑟福原子模型穩定性,以及電子排布的問題,刻不容緩,因為别人已經在研究了。

這時玻爾在英國為期一年的求學生涯也即将結束,1912年的7月底他回到了哥本哈根,有一件喜事正等着玻爾,他要和女朋友瑪格麗特結婚了。

玻爾對量子論發展的貢獻(量子史話九玻爾投奔盧瑟福)8

8月1日,在丹麥一座小城的市政廳玻爾和妻子舉行了簡短的婚禮,在度蜜月的時候,玻爾和妻子專門去了一趟曼徹斯特,給盧瑟福提交一篇關于阿爾法粒子散射的論文,這篇論文被稱為“曼徹斯特備忘錄”。

9月初蜜月結束,玻爾回到了哥本哈根,在當地的一所技術學院獲得了一個助教的職位,也就是沒有正式編制的講師,當時的丹麥整個國家就隻有一所大學,哥本哈根大學。這裡的教授職位很難出現空缺,再加上玻爾此時剛出道,能找到工作已經不錯了。

要知道當年愛因斯坦剛畢業的時候,灰頭土臉,連吃飯都成了問題。最後不得不去當個三級技術員。

在做編外講師的期間,玻爾開始思考盧瑟福原子模型的穩定性問題,以及核外電子的排布,偉大的三部曲《論原子和分子的結構》即将誕生。

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