第三节 玻尔的原子模型 能级

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尼尔斯·玻尔

　　尼尔斯·玻尔Niels Bohr (1885-1962)，物理学家，1885年10月７日出生于丹麦哥本哈根的一个知识分子家庭．他的父亲是丹麦皇家科学文学院的院士，是一位著名的生理学教授．玻尔自幼就受到家庭浓厚的科学、哲学、文学和艺术气氛的熏陶．

　　1911年，玻尔获得哥本哈根大学的博士学位，同年10月，到英国剑桥大学卡文迪许实验室深造．第二年３月，他转到曼彻斯特大学．在卢瑟福领导的实验室工作，卢瑟福进行了一项开创原子时代的研究工作，即通过 粒子在原子上的大角度散射实验，证明原子的绝大部分质量是集中在一个极为微小的原子核中，它的尺度只有原子的万分之一，这一发现使玻尔认识到，原子世界的奥秘和量子有密切的关系，牛顿力学和经典的电动力学是不适用于原子现象的．于是玻尔一头扎进卢瑟福的实验室里，不分昼夜地工作．当时，卢瑟福实验室中，分离放射性元素的失败使玻尔提出有些原子的电子数相同，但原子核的质量不同，这些原子因而有着完全相同的化学性质，但有着不同的原子量．玻尔指出的那些原子，后来被称为“同位素”．

　　与此同时，玻尔还用卢瑟福的原子模型分析了荷电粒子在通过物质时的行为，推导出它在物质里的射程与它的速度的关系．玻尔在推导过程中考虑是如此详尽，使量子力学建立后所作的更精确的推导只给出微小的修正．1912年7月，玻尔回到丹麦．在曼彻斯特停留的短短四个月中，使他从经典电动力学不适用于原子领域这个观念向前跨出了关键的一大步，形成了把普朗克和爱因斯坦的量子理论用于决定原子状态的想法．

　　玻尔经过几个月努力的探索，在1913年初提出了他著名的原子理论，这个理论的基本假设有两个：原子系统只能处在一系列能量分立的稳态上；原子系统可以从一个稳态跃迁到另外一个稳态上，这时伴随着光辐射量子的发射或吸收．

　　玻尔的理论随即在卢瑟福的实验室里接受了氦原子光谱实验的考验．当时新发现了一系列的谱线，发现者认为它们是氢原子发出的，但是和玻尔的理论不符；而玻尔指出这是氦发出的，实验证明玻尔是正确的．这样，玻尔的理论随即被用于分析各种谱线，获得了巨大的成功．由于他对原子结构模型的研究，他获得了1922年的诺贝尔物理学奖．

　　玻尔并没有停留在已取得的成就上，他清楚地意识到他的理论远不是一个完善的理论，还只是一个经典理论和量子理论的混合．摆在玻尔面前的是建立一个能在微观现象中描述量子过程的基本的力学．为此，玻尔提出他著名的“对应原理”，寻求经典理论与新的量子理论对原子系统的描述的对应关系．虽然应用“对应原理”的论证得到很多重要的结果，但玻尔很清楚，他的理论还不是一个完整的理论．玻尔在1925年7月指出：“经典电动力学所需的推广，要求对迄今为止人们探索到的对自然的描述来一次深刻的革命，对此必须有所准备”．

　　这次革命在几个月之内就发生了．这是由年轻的海森堡在玻尔的“对应原理”的思想引导下掀起的，其后经过玻恩、约当、狄拉克、薛定谔等许多物理学家的努力，一门描述原子现象的新的力学—量子力学建立起来了，这是玻尔一直在追求的．从1916年起，丹麦为玻尔建立起一个理论物理研究所，在他身旁聚集了一批出类拔萃的年轻物理学者，玻尔他们的影响是很大的、深远的．在确立微现现象与宏观现象的物理规律的本质上的差异方面，在建立新力学和哥本哈根解释的艰巨过程中，玻尔所起的指导作用是会永远加载物理学史册的．此外，他还是新力学的强有力的辩护士，但这使他卷入一场与爱因斯坦毕生的学术争论中．物理学家为这场争论感到幸运，因为争论的每一个回合都使人们对量子力学的本质有更深入的了解．

　　玻尔发展了复合原子核的理论，而且从复合原子核和原子核的液滴图像出发，结合统计物理的方法，建立起原子核裂变的理论．这又是一个开创性的工作，对后来原子能的应用所起的作用是十分重要的．

　　1943年，在纳粹占领下的丹麦，玻尔面临作为人质被逮捕的危险，便不得不逃离丹麦，经过瑞典转去英国和美国，而且马上参加了制造原子弹的工作．在原子弹尚未试验之前，玻尔就看到原子武器可能给人类文明带来的灾难．他指出，如果原子能掌握在世界上爱好和平的国家手中，这种能量就会保障世界的持久和平；如果它被滥用，就会导致文明的毁灭．

　　战后，玻尔回到饱经劫难的丹麦，他为恢复丹麦的科学研究努力工作，为全世界和平利用原子能进行呼吁，为促进各国科学之间的国际合作不断作出努力．他是目前欧洲最大规模的国际合作组织欧洲原子核研究中心的发起人之一．

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发明光谱分析法的本生

　　1811年3月31日，罗怕特·威廉本生（Robert Wilhelm Bunsen 1811～1899）出生在德国的哥廷根．他家是书香门第，父亲查里斯恩·本生是哥廷根大学图书馆馆长、语言学教授，母亲也有很好的文化素养，是一位学识渊博的高级职员的女儿．本生有兄弟四人，他排行第四．本生从小受到良好的教育，小学和中学都是在哥廷根读的，成绩优异，后来转到霍茨明登读大学预科，1828年预科毕业后回哥廷根上大学．他在大学学习了化学、物理学、矿物学和数学等课程．他的化学教师是著名化学家斯特罗迈尔，是化学元素镉的发现人．1830年，本生以一篇物理学方面的论文获得了博士学位．

　　本生获博士学位以后，因出色的研究工作，得到了一笔补助金，固而使他有可能在1830～1833年步行到欧洲各地游学，他到过法、奥、瑞士等国，遍访化工厂、矿产地和知名实验室，结识了许多知名科学家．这次游学，对他以后的学术研究有很大帮助．

　　1833年，本生游学结束，先后担任了哥廷根大学等学校的教师，1843年到布勒斯劳任化学教授，在这里，他结识了物理学家基尔霍夫，此后，二人长期合作研究光谱学．1852年，本生在海德堡任教授，一直从事化学教学和研究．在长期的教学生涯中，本生讲授《普通实验化学》课程，为学生做了许多出色的演示实验，课堂上在自己研制的煤气灯上，他用玻璃管很快就可以制作出所需的仪器，他的这种高超的技巧使他的学生们非常佩服．他研制的实验煤气灯，后来被称为本生灯，一直到现在，许多化学实验室，人们还使用这种灯．此外，他还制成了本生电池、水量热计、蒸气量热计、滤泵和热电堆等实验仪器．

　　本生对科学有着广泛的兴趣，他早期研究过有机化学，但过一段时间后，又去专攻无机化学．他一生做的最重要的工作是进行无机分析，他曾分析和鉴定过上千种无机物质，发展了无机分析和测量技术．

　　1834年，本生系统地研究了砷酸盐和亚砷酸盐，他发现水合三氧化二铁可以用来作砷中毒的解毒剂，认为三氧化二铁可以与砷结合成亚砷酸铁，形成既不溶于水也不溶于体液的化合物，他的这一发现，至今还有使用价值．

　　1835一1836年,本生研究了一系列的氰化物，指出亚铁氰化铵、亚铁氰化钾是相同晶型的，还发现了亚铁氰化铵和氯化铵的复盐．

　　在有机化学领域，本生研究过二甲砷基化合物，指出二甲砷基是一种含砷的有机化合物．他在1837一1842年间，围绕这一课题，发表了五篇论文．但在1843年，在做二甲砷氰化物的研究时，实验装置发生了爆炸，炸瞎了他的右眼．

　　第一个二甲砷基化合物是1760年卡代首先制出的，他把等重量的醋酸钾和氧化砷混和物搅拌蒸馏，得到了一种褐色的稠状物，此物易发烟而有恶臭，但当时人们不知道它的组分．为了解答这个问题，本生对这种物质进行了深入研究，经一系列实验，从中离析出二甲砷基氧（ ）．此外，本生还详细地研究了二甲砷基的衍生物，获得了氯、碘、氟等元素的二甲砷基化合物，并用蒸气密度的方法测定了这些物质的分子量，从而得出它们的化学式．他经过研究指出，只须研究一下这类化合物，我们就可从中找出一个不变的组分，它可以用 来表示．构成这个组分的元素，彼此以很强的亲合力化合乡在与其他元素化合或分解对，它保持不变，这就是一个有机化合物的基．

　　1853年，本生在讲学时指出，二甲砷基的基，应当写成 ，因为它存在着两个甲基，这种写法已接近了现代的形式．他甚至还指出，自由二甲砷基的结构式应为 ．到1858年，本生已正确地提出了几乎所有二甲砷基化合物，他的这些研究，为有机结构理论的发展，提供了坚实的实验基础．

　　本生还从熔融的氯化物中制出了金属钠和铝，用电解法制出了锂、钡、钙、镭．他甚至提炼出铈、镧等稀土元素，并精确地用自制仪器测定了这些金属的比热．

　　1852年到1862年约10年间入本生与罗斯合作研究光化学．他采用等体积的氢和氯在光照下进行反应．经研究发现，光照射化学物质使之产生反应的情况，与光的波长有关．如单独照射预先放人反应器中的氯气．不会改变其反应的诱导期，当温度在18°C～26°C时，反应只有极小的进展，但如果有氧存在．则氧显示出明显的催化作用．本生和罗斯通过研究，还估计出太阳的辐射能、指出太阳在一分钟内辐射出的光能，等于 立方米的氢气和氯气混和转化为氯化氢所需要的能量．

　　著名的本生灯发明于1853年，此灯的温度可达2300°C，且没有颜色，正因为这一点人使他发现了各种化学物质的颜色反应．不同成分的化学物质，在本生灯上的烧时，出现不同的焰色，这一点引起他极大的注意，成了他以后建立光谱分析的机遇．

　　本生在他发明的灯上的烧过各种化学物质，他发现，钾盐燃烧时为紫色，钠盐黄色，锯盐洋红色，钡盐黄绿色，铜盐蓝绿色．起初，他认为，他的发现会使化学分析极为简单，只要辨别一下它们的烧时的焰色，就可以定性地知道其化学成分．但后来研究发现，事情绝不那样简单，因为在复杂物质中，各种颜色互相掩盖，使人无法辨别，特别是钠的黄色，几乎把所有物质的焰色都掩盖了．本生又试着用滤光镜把各种颜色分开，效果比单纯用肉眼观察好一些，但仍不理想．

　　1859年，本生和物理学家基尔霍未开始共同探索通过辨别焰色进行化学分析的方法．他们决定，制造一架能辨别光谱的仪器．他们把一架直筒望远镜和三棱镜连在一起，设法让光线通过狭缝进入三棱镜分光．这就是第一台光谱分析仪．

　　“光谱仪”安装好以后，他们就合作系统地分析各种物质，本生在接物镜一边的烧各种化学物质，基尔霍夫在接目镜一边进行观察、鉴别和记录．他们发现用这种方法可以准确地鉴别出各种物质的成分．

　　1860年5月10日，本生和基尔霍夫用他们创立的光谱分析方法，在狄克海姆矿泉水中，发现了新元素铯；1861年2月23日，他们在分析云母矿时，又发现了新元素铷．此后，光谱分析法被广泛采用．1861年，英国化学家克鲁克斯用光谱法发现了铊；1863年德国化学家赖希和李希特也是用光谱法发现了新元素铟，以后又发现了镓、钪、锗等．

　　本生在化学上建树极多．他研究过火山、气体，制作过本生电池和镁照明材料，1853年，他发明了利用硫酸对游离碘作容量分析的方法：1868年，他创造了用革取的办法分离钯、铑、钌、铱的方法．此外，他还在1875年，对稀土元素阶光谱作了统一研究和描述．晚年，他还制造了一架蒸气量热器，用来测定某些物质的比热．

　　最令人惊奇的是，本生和基尔霍夫创造的方法，可以研究太阳及其他恒星的化学成分，为以后天体化学的研究打下了坚实的基础．本生一生获得过许多荣誉．1842年，他被选为伦敦化学会的外国会员，1853年担任德国科学院的通讯院士；18842年，被法国科学院聘为外国会员；1860年，英国皇家学会授予他荣誉奖章；1877年，本生和基尔霍夫共同获得了戴维奖：1890年，本生获得了英国工艺学会的何尔伯奖．本生对荣誉、勋章、奖章很淡漠，他对他的学生和朋友说：“这些荣誉和奖章的价值，全在于它们能使我的母亲感到高兴，可惜，她已经不在人世了．”本生不喜欢政治性的社交，尤其不乐于和显贵们交往，他认为那是浪费时间，1886年，海德尔堡大学举行建校五百周年庆祝活动时，请了许多显贵参加纪念大会，校长和显贵们纷纷致词，许多人对本生的事业进行了赞扬，但本生却睡着了，学生的活动惊醒了他，他说他梦见一试管掉在地上了．

　　本生为了事业，终生未娶，有人曾给他介绍女友，他一次也没主动去追求，学生们问他为什么不结婚，他都是说：“我总是没有功夫．”

　　本生70岁时，给他的好友与信说：“垂暮之年，来日不多，回忆过去的欢乐，其中最使我快乐的是我们共同进行的研究工作．”

　　1899年8月16日，本生与世长辞，享年88岁．本生是在化学史上具有划时代意义的少数化学家之一，他和基尔霍夫发明的光谱分析法，被称为“化学家的神奇眼睛”．

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