唯有这个e = hν，笔者觉得还是

    有必要清楚它的含义，这对于整部史话的理解也是有好处的，从科学意义上来说，它也决

    不亚于爱因斯坦的那个e = mc2。所以还是不厌其烦地重复一下这个方程的描述：e代表能

    量，h是普朗克常数，ν是频率。

    回到正题，玻尔现在清楚了，氢原子的光谱线代表了电子从一个特定的台阶跳跃到另外一

    个台阶所释放的能量。因为观测到的光谱线是量子化的，所以电子的“台阶”（或者轨道

    ）必定也是量子化的，它不能连续而取任意值，而必须分成“底楼”，“一楼”，“二楼

    ”等，在两层“楼”之间，是电子的禁区，它不可能出现在那里。正如一个人不能悬在两

    级台阶之间漂浮一样。如果现在电子在“三楼”，它的能量用w3表示，那么当这个电子突

    发奇想，决定跳到“一楼”（能量w1）的期间，它便释放出了w3-w1的能量。我们要求大

    家记住的那个公式再一次发挥作用，w3-w1 = hν。所以这一举动的直接结果就是，一条

    频率为ν的谱线出现在该原子的光谱上。

    玻尔所有的这些思想，转化成理论推导和数学表达，并以三篇论文的形式最终发表。这三

    篇论文（或者也可以说，一篇大论文的三个部分），分别题名为《论原子和分子的构造》

    （on the constitution of atoms and molecules），《单原子核体系》（systems

    containing only a single nucleus）和《多原子核体系》（systems containing

    several nuclei），于1913年3月到9月陆续寄给了远在曼彻斯特的卢瑟福，并由后者推荐

    发表在《哲学杂志》（philosophical magazine）上。这就是在量子物理历史上划时代的

    文献，亦即伟大的“三部曲”。

    这确确实实是一个新时代的到来。如果把量子力学的发展史分为三部分，1900年的普朗克

    宣告了量子的诞生，那么1913年的玻尔则宣告了它进入了青年时代。一个完整的关于量子

    的理论体系第一次被建造起来，虽然我们将会看到，这个体系还留有浓重的旧世界的痕迹

    ，但它的意义却是无论如何不能低估的。量子第一次使全世界震惊于它的力量，虽然它的

    意识还有一半仍在沉睡中，虽然它自己仍然置身于旧的物理大厦之内，但它的怒吼已经无

    疑地使整个旧世界摇摇欲坠，并动摇了延绵几百年的经典物理根基。神话中的巨人已经开

    始苏醒，那些藏在古老城堡里的贵族们，颤抖吧！

    (第三章完)

    上帝掷骰子吗——量子物理史话（4-1）

    版权所有：castor_v_pollux 原作   提交时间：2003-08-12 16:19:21

    第四章 白云深处

    一

    应该说，玻尔关于原子结构的新理论出台后，是并不怎么受到物理学家们的欢迎的。这个

    理论，在某些人的眼中，居然怀有推翻麦克斯韦体系的狂妄意图，本身就是大逆不道的。

    瑞利爵士（我们前面提到过的瑞利-金斯线的发现者之一）对此表现得完全不感兴趣，

    j.j.汤姆逊，玻尔在剑桥的导师，拒绝对此发表评论。另一些不那么德高望重的人就直白

    多了，比如一位物理学家在课堂上宣布：“如果这些要用量子力学才能解释的话，那么我

    情愿不予解释。”另一些人则声称，要是量子模型居然是真实的话，他们从此退出物理学

    界。即使是思想开放的人，比如爱因斯坦和波恩，最初也觉得完全接受这一理论太勉强了

    一些。

    但是量子的力量超乎任何人的想象。胜利来得如此之快之迅猛，令玻尔本人都几乎茫然而

    不知所措。首先，玻尔的推导完全符合巴耳末公式所描述的氢原子谱线，而从w2-w1 = h

    ν这个公式，我们可以倒过来推算ν的表述，从而和巴耳末的原始公式ν＝r（1/2^2 -

    1/n^2）对比，计算出里德伯常数r的理论值来。而事实上，玻尔理论的预言和实验值仅相

    差千分之一，这无疑使得他的理论顿时具有了坚实的基础。

    不仅如此，玻尔的模型更预测了一些新的谱线的存在，这些预言都很快为实验物理学家们

    所证实。而在所谓“皮克林线系”（pickering line series）的争论中，玻尔更是以强

    有力的证据取得了决定性的胜利。他的原子体系异常精确地说明了一些氦离子的光谱，准

    确性相比旧的方程，达到了令人惊叹的地步。而亨利?莫斯里（我们前面提到过的年轻天

    才，可惜死在战场上的那位）关于x射线的工作，则进一步证实了原子有核模型的正确。

    人们现在已经知道，原子的化学性质，取决于它的核电荷数，而不是传统认为的原子量。

    基于玻尔理论的电子壳层模型，也一步一步发展起来。只有几个小困难需要解决，比如人

    们发现，氢原子的光谱并非一根线，而是可以分裂成许多谱线。这些效应在电磁场的参予

    下又变得更为古怪和明显（关于这些现象，人们用所谓的“斯塔克效应”和“塞曼效应”

    来描述）。但是玻尔体系很快就予以了强有力的回击，在争取到爱因斯坦相对论的同盟军

    以及假设电子具有更多的自由度（量子数）的条件下，玻尔和别的一些科学家如索末菲（

    a.sommerfeld）证明，所有的这些现象，都可以顺利地包容在玻尔的量子体系之内。虽然

    残酷的世界大战已经爆发，但是这丝毫也没有阻挡科学在那个时期前进的伟大步伐。

    每一天，新的报告和实验证据都如同雪花一样飞到玻尔的办公桌上。而几乎每一份报告，

    都在进一步地证实玻尔那量子模型的正确性。当然，伴随着这些报告，铺天盖地而来的还

    有来自社会各界的祝贺，社交邀请以及各种大学的聘书。玻尔俨然已经成为原子物理方面

    的带头人。出于对祖国的责任感，他拒绝了卢瑟福为他介绍的在曼彻斯特的职位，虽然无

    论从财政还是学术上说，那无疑是一个更好的选择。玻尔现在是哥本哈根大学的教授，并

    决定建造一所专门的研究所以用作理论物理方面的进一步研究。这个研究所，正如我们以

    后将要看到的那样，将会成为欧洲一颗令人瞩目的明珠，它的光芒将吸引全欧洲最出色的

    年轻人到此聚集，并发射出更加璀璨的思想光辉。

    在这里，我们不妨还是回顾一下玻尔模型的一些基本特点。它基本上是卢瑟福行星模型的

    一个延续，但是在玻尔模型中，一系列的量子化条件被引入，从而使这个体系有着鲜明的

    量子化特点。

    首先，玻尔假设，电子在围绕原子核运转时，只能处于一些“特定的”能量状态中。这些

    能量状态是不连续的，称为定态。你可以有e1，可以有e2，但是不能取e1和e2之间的任何

    数值。正如我们已经描述过的那样，电子只能处于一个定态中，两个定态之间没有缓冲地

    带，那里是电子的禁区，电子无法出现在那里。

    但是，玻尔允许电子在不同的能量态之间转换，或者说，跃迁。电子从能量高的e2状态跃

    迁到e1状态，就放射出e2-e1的能量来，这些能量以辐射的方式释放，根据我们的基本公

    式，我们知道这辐射的频率为ν，从而使得e2-e1 = hν。反过来，当电子吸收了能量，

    它也可以从能量低的状态攀升到一个能量较高的状态，其关系还是符合我们的公式。我们

    必须注意，这种能量的跃迁是一个量子化的行为，如果电子从e2跃迁到e1，这并不表示，

    电子在这一过程中经历了e2和e1两个能量之间的任何状态。如果你还是觉得困惑，那表示

    连续性的幽灵还在你的脑海中盘旋。事实上，量子像一个高超的魔术师，它在舞台的一端

    微笑着挥舞着帽子登场，转眼间便出现在舞台的另一边。而在任何时候，它也没有经过舞

    台的中央部分！

    每一个可能的能级，都代表了一个电子的运行轨道，这就好比离地面500公里的卫星和离

    地面800公里的卫星代表了不同的势能一样。当电子既不放射也不吸收能量的时候，它就

    稳定地在一条轨道上运动。当它吸收了一定的能量，它就从原先的那个轨道消失，神秘地

    出现在离核较远的一条能量更高的轨道上。反过来，当它绝望地向着核坠落，就放射出它

    在高能轨道上所搜刮的能量来。

    人们很快就发现，一个原子的化学性质，主要取决于它最外层的电子数量，并由此表现出

    有规律的周期性来。但是人们也曾经十分疑惑，那就是对于拥有众多电子的重元素来说，

    为什么它的一些电子能够长期地占据外层的电子轨道，而不会失去能量落到靠近原子核的

    低层轨道上去。

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