您当前的位置: 首页 >  博客资讯

为什么电子在特定的轨道就不辐射能量?

上回我们说到,玻尔在1913年的7月、9月、11月分别发表了三篇关于原子结构的论文,这三篇论文的题目一样,叫《论原子和分子的结构》,所以史称“三部曲”。

在7月第一篇论文发表以后,丹麦唯一的大学哥本哈根大学,也是玻尔的母校,给玻尔提供职位是编外讲师,也就是没有事业编,这还不算,他们居然让玻尔给非物理专业的学生讲一些初级物理知识。

很显然有点拿牛刀杀鸡的感觉,虽然玻尔很不乐意,但也暂时接受了这个职位,因为他现在工作的地方连大学都算不上,是一所技术学院,不过玻尔现在正在憋他的大招。

9月玻尔第二篇论文发表了以后,正好赶上了第83届英国科学促进协会召开会议,参加会议的人有很多人的名字,我们都非常熟悉,比如:洛伦兹、居里夫人、埃伦费斯特、劳厄、当然也少不了英国的几位前辈,汤姆逊、卢瑟福、瑞丽;

玻尔也去参加这次会议,毕竟英国对他来说并不陌生,而且还能见到自己的老师。在这场会议上理所当然地讨论了玻尔最新的量化原子模型。

不过除了卢瑟福以外,所有的人都反对玻尔的想法,原因很简单,因为大家都坚信,麦克斯韦的理论应该在所有的情况下都成立。而玻尔却说,电子只要在特定的轨道上就不会释放辐射

你可能也想问:为什么电子在特定的轨道上就不会释放辐射?我只能回答,没有为什么,因为这个世界就是量子化的,它不连续,电子只能存在于这些轨道上,不能存在于其他任何的空间,既然不能存在于其他的空间,那么这些轨道自然是稳定态轨道。

其实说白了,只要你接受了这个世界是间断性的,就不会有这样的困惑。在量子理论中,有很多的问题你都不能问为什么?只要接受就好。

在后面的视频中,你会遇到越来越多不能问为什么的问题。这就是量子力学的难缠之处。

不过玻尔不能以这样的口气给其他物理学说,你不要问我为什么,接受就好。牛顿当年也没这么牛过,所以还是需要实验继续验证玻尔的量子化原子模型,看看他所说的分立的能级是否存在。只要确实存在,就能说明,人家玻尔说得没错。

就在1913年的11月,当玻尔的第三篇论文发表以后,卢瑟福团队中的一位成员,亨利・莫斯莱受到了玻尔原子的启发,用电子轰击各种元素,研究了元素释放出来的X射线。

其实是玻尔在7月份的时候专门去找了这位同僚,让他赶紧做实验验证自己的原子理论。莫斯莱听了玻尔的理论以后,也挺有兴趣的,就开始了实验。

按照玻尔的理论,足够能量的电子轰击特定的金属元素之所以能释放出X射线,是因为原子基态中的一个电子被撞了出来,上层的电子向下跃迁,以X射线的形式向外释放出了两个能级之间的能量差。

而且根据玻尔的原子模型以及释放出来的X射线的频率,还可以计算出元素原子核中的核电荷数。

莫斯莱花了两个月的时间,从钙元素一直轰击到了锌元素,然后继续往下轰击,随着轰击的元素越来越多,他发现元素周期表中元素的顺序确实是按照核电荷数来排列的,这验证了玻尔最早关于原子序数概念的猜想。

而且莫斯莱还发现,每种元素释放出来的X射线波长独一无二,并且相邻的两个元素之间的X射线波长非常接近,因为他们之间只相差1个核电荷,如果出现X射线波长相差比较大的,就说明中间还有其他未知的元素。

因此莫斯莱预测出了42、43、72、75,这四种新元素。没过多久,这四种元素都被发现了,可惜的是莫斯莱在1915年死于一战战场。

一战是在1914年爆发,当时所有能参加战斗的年轻人都走向了战场,科学家也没法置身事外,刚刚还在实验室一起做实验的同事,转眼间端着枪在战场上就成为了敌人。

像是之前提到过的盖革、马斯登,赫维西都参加了一战,还有后面我们要说到的德布罗意、薛定谔也在为自己的国家效力。

就连卢瑟福这时也没功夫研究原子了,他更关心的是怎样能把德国的潜艇击沉。

我们接着说,1914年的4月,玻尔原子模型又迎来了一个关键性的证据;德国物理学家詹姆斯・弗朗克和古斯塔夫・赫兹,这个赫兹是那个赫兹的侄子,

它俩在用电子轰击汞原子的时候发现,只要汞原子释放出紫外线,那么用来轰击汞原子的电子就会损失4.9ev的能量。

玻尔的理论能够完美地解释这个实验,4.9ev是汞原子第一激发态和基态之间的能量差,只要用来轰击汞原子的电子超过这个能量,它就有可能打出基态电子,第一激发态的电子向下跃迁,就会释放出相应能量的电磁辐射。利用普朗克-爱因斯坦公式,可以算出这个电磁辐射的波长为253.7纳米,位于紫外线波段。

玻尔的理论和实验吻合得非常好,这个实验也成为了验证玻尔原子模型最有力的证据,加上莫斯莱的工作,到1914年底,基本上所有的人在实验证据面前都接受了玻尔的量化原子模型。接受了玻尔的分立能级、电子角动量量子化、以及对元素光谱的解释。

随着玻尔在科学界的名望越来越高,玻尔终于说出了他藏在心里已久的想法,他给哥本哈根大学的管理层说,你看我现在多少都算个物理学家了,再当个讲师不合适吧,能不能给个了理论物理学教授的职位。

大学管理层一听,有点懵了。理论物理学教授?自建校以来从来都没有过这个职位,这是要为玻尔专门开设一门新的学科,其实在当时除了德国的大学以外,还真的很少有大学设立这个职位,就算在德国,专门从事理论物理的人也是寥寥无几。

理论物理学家相比于实验物理学家来说,工作起来就比较简单,就拿爱因斯坦来说,他当年决定在美国普林斯的长期工作的时候,已经是1934年的事情了,这时的爱因斯坦名誉全球,可以和哥白尼、布鲁诺、牛顿并驾齐驱,普林斯顿大学问爱因斯坦,你的办公室都需要什么?我们给你置办,爱因斯坦说,一张办公桌、一支笔和一些稿纸足矣。

这就是理论物理学家的标准三件套,不需要繁琐的实验设备,不过到了今天,理论物理学已经离不开实验与观测了,也不再区分理论家和实验家。

玻尔的要求没有通过,就算是卢瑟福多次给教育部写信,得到的答复也是先缓一缓再说。让玻尔继续当个讲师那是不可能的事,玻尔就请假去了曼彻斯特找卢瑟福,听说是卢瑟福要给他重新介绍工作。

不过由于战争的原因这件事就给耽误了,而且玻尔也在曼彻斯特滞留了很长时间,直到1916年的5月,哥本哈根大学才同意了玻尔的请求,给他专门设立了一个理论物理学教授的职位。

因为在这期间,又发生了一件事,使得玻尔的名声再一次高涨,哥本哈根也不得不认真考虑玻尔的要求。

因为慕尼黑大学的索末菲不仅全盘接受了玻尔的原子理论,还在此基础上进一步引入了两个量子数,轨道形状量子数K,也叫角量子说和轨道方向量子数M,也叫磁量子束。解释了人们无法解释的巴尔末系的精细结构,发现了精细结构常数,以及斯塔克效应和塞曼效应。

这是我们下个视频的内容。