1922 年诺贝尔物理学奖——原子结构和原子光谱

1922 年诺贝尔物理学奖授予丹麦哥本哈根大学的尼尔斯·玻尔（Niels Bohr，1885 — 1962），以表彰他在研究原子结构，特别是研究从原子发出的辐射所作的贡献。

玻尔定态跃迁原子模型理论的提出

20 世纪初物理学革命的重大结果之一就是建立了量子论。1900 年普朗克为了克服经典理论解释黑体辐射规律的困难，引入了能量子概念，为量子理论奠下了基石。随后，爱因斯坦针对光电效应实验与经典理论的矛盾，提出了光量子假说，并在固体比热问题上成功地运用了能量子概念，为量子理论的发展打开了局面。光谱学在 19 世纪末得到了长足的发展，继巴耳末发现氢光谱的巴耳末公式之后，里德伯和里兹先后提出了光谱系理论和合并原理，光谱的规律性明显地带来了发自原子内部的信息。1897 年，J．J．汤姆生根据阴极射线的实验发现了电子，1911 年卢瑟福从 α 射线的大角度散射实验的反常结果发现原子核。量子论、光谱系和原子核的发现这三条线索汇集到了一起，这就为把量子论运用于研究原子结构提供了理论和实验的基础。三条线索可以用图 22 – 1 表示。

1913 年，尼尔斯·玻尔在卢瑟福有核模型的基础上运用量子化概念，提出定态跃迁原子模型理论，对氢光谱的巴耳末系作出了满意的解释，这是原子理论和量子理论发展中的 一 个重要里程碑。

尼尔斯·玻尔是在作博士论文时接触到量子论的。他的博士论文是用电子论解释金属特性。在这项工作中，尼尔斯·玻尔第一次得到了普朗克关于辐射量子论的启发，使他认识到在处理原子规模的系统时，经典理论往往会得到与实际不符的结论，有必要引入一个异于经典电磁理论概念的量，这个量就是普朗克常数。

1911 年，尼尔斯·玻尔到英国剑桥大学卡文迪什实验室在 J．J．汤姆生的指导下学习和工作，正好这时曼彻斯特大学的卢瑟福发现了原子核。卢瑟福原来也是卡文迪什实验室的研究生。有一天，卢瑟福回到卡文迪什实验室，向研究人员报告自己的新发现，当时卢瑟福还没有明确地提出原子中心有核，只是根据 α 粒子大角度散射的实验结果判定原子内部的正电荷必是集中在中心位置，否则就无法解释比电子重数千倍的带正电荷的 α 粒子为什么会以很大的概率被原子反弹，卢瑟福面临的最大的困难是如果正电荷集中在原子中心，带负电的电子为什么还能稳定地待在原子的外层，为什么不会因为辐射能量而缩小轨道半径？所以从经典理论来看，卢瑟福的有核原子模型不符合经典理论的稳定性要求，或者说，这个模型在经典理论看来是站不住脚的。尼尔斯·玻尔很有兴趣地听了卢瑟福的报告，对卢瑟福根据实验结果大胆地作出原子有核的决断深表钦佩，也很了解卢瑟福困难的处境，于是向卢瑟福表示希望到卢瑟福所在的曼彻斯特大学当访问学者。卢瑟福欣然同意。几个月后，尼尔斯·玻尔到卢瑟福的实验室工作了 4 个月，当时正值卢瑟福组织大家对有核原子模型理论进行检验。尼尔斯·玻尔参加了 α 射线散射的实验工作，帮助他们整理数据和撰写论文。尼尔斯·玻尔就这样在关键的时刻参加到卢瑟福的工作之中，成为这个集体的理论核心人物。尼尔斯·玻尔坚信卢瑟福的有核原子模型是符合客观事实的，也很了解他的理论所面临的困难，认为要解决原子的稳定性问题，唯有靠量子假说，也就是说，要描述原子现象，就必须对经典概念进行一番彻底的改造。最初的工作虽然没有达到目的，但尼尔斯·玻尔在论证 α 射线散射时确定氢原子是最简单的原子，只有一个电子，是最佳的研究对象。这为以后的研究打开了通向成功的大门。

1912 年年底，尼尔斯·玻尔已返回丹麦，他仍在研究有核原子模型的稳定性问题。正在他日夜苦思之际，他的一位朋友汉森（H．M．Hansen）向他提到氢光谱的巴耳末公式，劝他认真考虑这个事实。同时，斯塔克的著作中有关价电子跃迁产生辐射的思想也对他有启发。他把这些事情联系到了一起，突然头脑里出现了一个飞跃。后来，尼尔斯·玻尔回忆道：“当我一看到巴耳末公式，我对整个事情就豁然开朗了。”于是尼尔斯·玻尔很快就写出了题为《原子构造和分子构造》Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 的三篇论文，经卢瑟福推荐，发表在 1913 年《哲学杂志》上。这就是尼尔斯·玻尔著名的“三部曲”。

尼尔斯·玻尔的原子理论取得了很大成功，完满地解释了氢光谱的频率规律，即巴耳末公式。从他的理论推算，各基本常数如电子电荷、电子质量、普朗克常量和里德伯常量之间取得了定量的协调。他阐明了光谱的发射和吸收，并且成功地解释了元素的周期表，使量子理论取得了重大进展。尼尔斯·玻尔之所以成功，在于他全面地继承了前人的工作，正确地加以综合，在旧的经典理论和新的实验事实的矛盾面前勇敢地肯定实验事实，冲破旧的理论的束缚，从而建立了能基本适于原子现象的定态跃迁原子模型。

尼尔斯·玻尔的理论在解释氢原子光谱的频率规律时遇到了不小的困难，其中有所谓的皮克林谱系问题。由于他的周密研究和依靠严格的实验验证，很快就取得了圆满的结果，从而对皮克林谱系等某些线系的起源问题纠正了流行的错误说法。随后，他提出的定态概念得到了诸如夫兰克 - 赫兹等实验的验证，他的某些理论预见诸如电离能也得到了实验的证实，他的理论取得了初步成功。但是，他的理论并不能说明其他元素的光谱，也无法说明谱线强度和偏振现象。为了更深入地探索经典理论和量子理论之间的关系，尼尔斯·玻尔于 1918 年初次提出对应原理。他认为，按照经典理论来描述的周期性体系的运动和该体系的实际量子运动之间存在着一定的对应关系。这一原理成了从经典理论通向量子理论的桥梁，由此引出了海森伯的矩阵力学。

玻尔和哥本哈根学派

在建立量子力学基础的过程中，以尼尔斯·玻尔为所长的哥本哈根大学理论物理研究所是众望所归的一个重要基地，这个研究所建立于 1921 年，许多有才华的年轻物理学家，特别是量子力学的创建者们纷纷应邀来到这里，相互切磋，渐渐形成了共同的观点。初步统计，在研究所成立后的最初 10 年里，来到哥本哈根访问的物理学家共有来自 17 个国家的 63 位学者，其中，后来获得诺贝尔科学奖的有：海森伯（1932 年物理学奖）、泡利（1945 年物理学奖）、狄拉克（1933 年物理学奖）、夫兰克（1925 年物理学奖）、亥维赛（1943 年化学奖）、朗道（1962 年物理学奖）、莫特（1977 年物理学奖）、鲍林（1954 年化学奖）、拉比（1944 年物理学奖）、尤里（1934 年化学奖）；后来作出过重大贡献的物理学家有：提出隧道效应概念和恒星演变理论的伽莫夫（G．Gamow）、提出电子自旋的古德斯密特（S．A．Goudsmit）和乌兰贝克（G．E．Uhlenbeck）、光谱学家洪德（F．Hund）和克拉默斯（H．A．Kramers）以及提出康普顿效应理论公式的克莱因（O．B．Klein）和仁科。他们在学术思想上深受玻尔的影响。先是泡利提出不相容原理，海森伯提出矩阵力学，接着玻恩对波函数提出几率解释，再就是海森伯提出不确定关系、玻尔提出互补原理，于是量子力学的诠释逐步得到了完善。人们把这一科学共同体称之为哥本哈根学派。这个学派对 20 世纪物理学和哲学产生了重大影响。

玻尔不仅是一位伟大的科学工作者，而且是一位卓越的科学研究工作的组织者，是青年物理学工作者的良师益友。他很注意听取年轻人的不同见解，善于发现和培养人才，真可谓是集伯乐与千里马于一身。在一个不大长的时间里，玻尔不仅建立了一个中心，而且抚育它成长，使之对其他国家发展物理学研究产生巨大影响。这件事本身就是一个了不起的成就，足以与他对物理学发展的直接贡献的重要性相提并论。

玻尔自己喜欢与别人合作的作风，对研究所的研究风格有巨大而深远的影响。有一位年轻的物理学家，叫韦斯柯夫（V．Weisskopf），后来在 1963 年回忆道：“玻尔找到了一种很有特色的工作方法。他不是一个人孤独地工作，而是把世界上最活跃的、最有天赋和最有远见的物理学家聚集在他周围。这是他最大力量之所在。”事实上，能表征研究所特色的不是一张给人深刻印象的庞大物理学家名单，而是存在于这个集体中的不同寻常的合作精神。不断的讨论和自由交换思想，给每个物理学家带来了最美好的东西，常常提供了一个能引起决定性突破的灵感或源泉。海森伯在 1971 年曾经说过一句名言：“科学植根于对话之中”，这正是哥本哈根学派的写照。常常会有这样的情况，即很难说清楚是谁对问题的解决贡献最大。这是一个集体的天才，或者说是工作中的集体创造性，是某种超出每个单独的物理学家个人能力之上的集体智慧。

在哥本哈根理论物理研究所，这种集体研究方法的形式之一 ，就是在大教室进行的讨论会。这种讨论大约每周一次，大多数物理学家和研究生都参加，在会上评述最近的文章，或者听取某个人介绍他最近的工作。

玻尔从 1929 年 4 月起在理论物理研究所召开理论物理研讨会，以后每年一次，形成了一系列哥本哈根年会。这一会议都是利用每年的 4 月，欧洲大陆各大学和研究所在 4 月复活节前后都放假，而丹麦的大学却仍然在上课。玻尔就利用这个时机邀请各国的物理学家到哥本哈根聚会，会上进行充分、直率、自由和不拘形式的学术讨论，深受与会者欢迎。

玻尔研究所这一研究风格并不局限于哥本哈根，凡是访问过哥本哈根的物理学家都毫无例外地受到感染，回到自己的国家往往会传播这种影响。例如，伽莫夫曾两度（1928.9 — 1929.5；1930.9 — 1931.5）到哥本哈根研究所当访问学者，每次几乎长达一年，后来在美国圣路易斯的华盛顿大学建立了自己的学派、海森伯（1924.9 — 1925.4；1926.5 — 1927.6 访问哥本哈根）在莱比锡大学、克莱因（1918 — 1922；1926.3 — 1931.1 在哥本哈根）在斯德哥尔摩、莫特（1928.9 — 1928.12 访问哥本哈根）在布列斯托大学和剑桥大学的卡文迪什实验室、拉比（1927.9 — 1927.10 访问哥本哈根）在哥伦比亚大学都建立了自己的学派，有很多地方就是仿效了哥本哈根研究所的经验建立起来的。哥本哈根理论物理研究所好像是一个样板，是一所学校，或者是一座苗圃，它在 20 世纪 20 年代成了后来世界各国物理实验室和物理研究所学术带头人的培训基地。

其实，“哥本哈根学派”这个名称并不恰当，它与其说是一个学派，不如说是一种精神，这就是所谓的“哥本哈根精神”。这一提法可能最早是由海森伯在 1930 年一篇论文中提出的。什么是“哥本哈根精神“？这就是强调合作和不拘形式的一种气氛。也就是玻尔本人身体力行的一种作风、一种人生哲学。有人解释说，这是一种“完全自由的判断和讨论的美德”，有人认为是：“高度的智力追求、大胆的涉险精神、深奥的研究内容和快活的乐天主义的结合”。玻尔正是这个结合体的核心，为这个探索自然奥秘的共同体提供了凝聚力，并且为这个事业指明方向。例如，狄拉克在 1933 年获得诺贝尔物理学奖之后给玻尔写信，说道：“我感到我所有的最深刻的思想，都受了我与您谈话的巨大而有益的影响，它超过了与其他任何人的谈话。即使这种影响并不明显地表现在我的著作中，它却支配着我进行研究的一切打算和计划。”玻尔以高度的洞察力和想象力，点燃了理想的火炬，由此激发起周围的年轻物理学家的聪明才智，自己也融于其中。

获奖者简介

尼尔斯·玻尔  1885 年 10 月 7 日出生于哥本哈根。父亲是哥本哈根大学生理学教授，尼尔斯·玻尔上中学时父亲就尽力启发他对物理学的兴趣。1903 年进入哥本哈根大学并在大学读书期间就获得了哥本哈根科学院颁发的奖金。他用振动射流方法对表面张力进行了实验和理论上的研究，这项工作是在他父亲的实验室里完成的，研究成果发表在 1908 年的英国《皇家学会会刊》上。他 1909 年获物理学硕士学位，1911 年获博士学位。1911 年，他到英国剑桥大学卡文迪什实验室学习和工作，几个月后，又到卢瑟福的实验室工作了 4 个月，其时正值卢瑟福组织大家对有核原子模型理论进行检验。尼尔斯·玻尔参加了整理数据和撰写论文的工作。他就这样在关键的时刻参加到卢瑟福的工作并成为这个实验室的理论核心人物。1913 年，尼尔斯·玻尔在卢瑟福有核模型的基础上运用量子化概念，提出定态跃迁原子模型理论。1921 年起尼尔斯·玻尔出任哥本哈根理论物理研究所所长。1939 年在美国参加原子弹研制工作。1945 年任丹麦原子能委员会主席。1962 年 11 月 18 日在哥本哈根去世。

在他的领导下，哥本哈根理论物理研究所成为世界上活跃的学术中心之一，在这里培养了一大批物理学家，逐渐形成了以他的思想为核心的哥本哈根学派，这个学派在形成和发展量子力学理论体系方面发挥了巨大作用。人们公认他是量子力学正统学派的学说领头人。

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发布时间：2023/7/3 下午10:07:48  阅读次数：1392