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量子史話(十一)玻爾量化原子模型得到驗證

上次我們說玻爾在1913年7月、9月和11月發表了三篇關于原子結構的論文,其标題與《論原子和分子的結構》相同,是以曆史被稱為"三部曲"。

在七月份發表第一篇論文後,丹麥唯一的大學哥本哈根大學和玻爾的母校向玻爾提供了一個外部講師的職位,即沒有職業編輯,更不用說他們讓玻爾向非實體學生教授一些基本的實體知識。

量子史話(十一)玻爾量化原子模型得到驗證

顯然有點用牛刀殺雞,雖然玻爾不高興,但也暫時接受了這個職位,因為他現在在一個連大學都沒有的地方工作,是一所技術學院,但玻爾現在卻在大舉妄為。

玻爾的第二篇論文于9月發表後,正好趕上第83屆BSA會議,有許多名字參加,我們都非常熟悉:洛倫茲,居裡夫人,艾倫·費斯特,勞爾,當然還有英國的幾位前任,湯姆森,盧瑟福,賴利;

玻爾也去參加會議,畢竟英國對他并不陌生,也去看自己的老師。玻爾最新的定量原子模型在會議上得到了正确的讨論。

但除了盧瑟福之外,所有人都反對玻爾的想法,原因很簡單,每個人都認為麥克斯韋的理論在任何情況下都應該是正确的。但玻爾說,電子不會在特定的軌道上釋放輻射。

量子史話(十一)玻爾量化原子模型得到驗證

您可能還想問:為什麼電子不在特定軌道上釋放輻射?我隻能回答,沒有理由,因為世界是量子的,它是不連續的,電子隻能存在于這些軌道上,不能存在于任何其他空間中,既然它們不能存在于其他空間中,那麼這些軌道就是自然穩定的軌道。

其實,隻要你接受世界是斷斷續續的,就不會有這樣的迷茫。在量子理論中,有很多問題你不能問為什麼?隻要接受它。

在下面的視訊中,您将遇到越來越多的問題,您無法問為什麼。這就是量子力學的難點。

但玻爾不能這樣對其他實體學家說,不要問我為什麼,接受它。牛頓從未如此牛逼人,是以他需要繼續實驗來驗證玻爾的量子原子模型,看看他所指的離散能級是否存在。隻要它确實存在,它就表明玻爾是對的。

量子史話(十一)玻爾量化原子模型得到驗證

就在1913年11月,當玻爾的第三篇論文發表時,盧瑟福團隊的一名成員亨利·莫斯利(Henry Mosley)受到玻爾原子的啟發,用電子轟擊元素并研究它們釋放的X射線。

事實上,玻爾在七月份去找他的同僚,要求他做實驗來測試他的原子理論。莫斯勒聽完玻爾的理論後,他饒有興趣地開始了實驗。

根據玻爾的理論,足夠的能量電子轟擊特定的金屬元素來釋放X射線,因為原子基質中的電子被敲除,上層電子向下跳躍,以X射線的形式向外釋放兩個能級之間的能量差。

根據玻爾的原子模型和釋放的X射線的頻率,還可以計算出元素核中的核能負荷數。

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莫斯利花了兩個月的時間将鋅從鈣轟擊到鋅,然後繼續轟擊,随着炮擊的增長,他發現元素周期表中元素的順序确實是按照核動力載荷的順序排列的,這驗證了玻爾關于原子序數概念的最早假設。

莫斯利還發現,每個元素發射的X射線波長是唯一的,并且兩個相鄰元素之間的X射線波長非常接近,因為它們隻相差一個核載荷,這表明如果X射線波長差異相對較大,則中間還有其他未知元素。

是以莫斯利預測了42、43、72、75,這四個新元素。沒過多久,這四種元素都被發現了,但不幸的是,莫斯利于1915年在戰場上去世。

1914年第一次世界大戰爆發,當時所有能打仗的年輕人都去打仗了,科學家無法躲開,剛剛在實驗室裡一起做實驗的同僚,成了戰場上眼睛裡拿着槍的敵人。

就像蓋革,馬斯登,休伊西一樣,都在第一次世界大戰中,然後我們談論德布羅伊和薛定谔為他們的國家效力。

就連盧瑟福也沒有時間研究原子,他更關心的是德國潛艇的沉沒。

我們接着說,在1914年4月,玻爾原子模型還有另一個關鍵的證據。德國實體學家詹姆斯·弗蘭克和她的侄子古斯塔夫·赫茲,

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當他們用電子轟擊汞原子時,他們發現隻要汞原子釋放出紫外線,用于轟擊汞原子的電子就會損失4.9 ev的能量。

玻爾的理論完美地解釋了實驗,4.9ev是汞原子的第一激發态和基态之間的能量差,隻要用來轟擊汞原子的電子超過這個能量,就有可能發揮基态電子,第一個激發态電子跳下來,就會釋放出相應的能量電磁輻射。使用普朗克-愛因斯坦公式,可以計算出這種電磁輻射的波長為253.7納米,位于紫外線波段。

玻爾的理論和實驗非常吻合,這個實驗成為驗證玻爾原子模型的最有力的證據,随着莫斯利的工作,到1914年底,幾乎所有的人都在實驗證據面前接受了玻爾的定量原子模型。玻爾的離散能量階段,電子角動量是量子的,元素光譜的解釋被接受。

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随着玻爾在科學界的名氣越來越大,玻爾終于提出了他長期以來的想法,他告訴哥本哈根大學的管理層,"看看我現在是一個實體學家,當講師是不合适的,我能給你一個理論實體學的教授職位嗎?

大學管理層聽了,有點困惑。理論實體教授?這個職位自成立以來從未擔任過,它的目的是為玻爾創造一門新學科,但當時,除了德國的大學之外,很少有大學建立這個職位,即使在德國,很少有人專門研究理論實體學。

理論實體學家的工作比較簡單,與實驗實體學家相比,在愛因斯坦的情況下,當他決定在美洲王子長期工作時,那是1934年,當時愛因斯坦的聲譽是全球性的,與哥白尼,布魯諾,牛頓一起,普林斯頓大學問愛因斯坦,你的辦公室需要什麼?愛因斯坦說,讓我們幫你買它,裡面有一張桌子、一支筆和一些紙。

這是标準的三件套理論實體學家,不需要笨重的實驗裝置,但今天,理論實體已經離不開實驗和觀察,不再區分理論家和實驗者。

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玻爾的要求失敗了,盡管盧瑟福多次寫信給教育部,但答案是慢慢地說出來。讓玻爾繼續擔任講師是不可能的,玻爾抽出時間在曼徹斯特找到盧瑟福,在那裡他被告知盧瑟福将重新介紹他的工作。

但戰争推遲了,玻爾在曼徹斯特呆了很長時間,直到1916年5月,哥本哈根大學同意玻爾的要求,設立一名理論實體學教授。

因為與此同時,又發生了另一件事件,讓玻爾再次聲名鵲起,哥本哈根也不得不認真考慮玻爾的要求。

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因為慕尼黑大學的Somyafif不僅接受了玻爾的原子理論,而且在此基礎上又進一步引入了兩個量子數,即軌道形狀量子數K,又稱角量子和軌道方向量子數M,又稱磁量子束。解釋了巴爾曼系統的精細結構,這是無法解釋的,并發現了精細的結構常數,以及斯塔克和塞曼效應。

這是我們下一個視訊的内容。

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