玻爾(1885-1962),全名:尼爾斯・亨瑞克・戴維・玻爾(Niels Henrik David Bohr)
玻爾從1905年開始他的科學生涯,一生從事科學研究,整整達57年之久。他的研究工作開始於原子結構未知的年代,結束於原子科學已趨成熟,原子核物理已經得到廣泛應用的時代。他對原子科學的貢獻使他無疑地成了20世紀上半葉與愛因斯坦並駕齊驅的、最偉大的物理學家之一。
1.原子結構理論
在1913年發表的長篇論文《論原子構造和分子構造》中創立了原子結構理論,為20世紀原子物理學開辟了道路。
⠀1914年玻爾再一次修改盧瑟福的原子模型。這是原子模型的又一次發展。他所提的原子模型,至今還在使用。
當時已經知道,當原子受熱時會發射出一些能量固定的輻射(光譜)。但沒一個人能解析這種現象。玻爾修改盧瑟福的原子模型去解析它。玻爾所提的原子模型要點如下:
⠨1).原子核位於原子的中心。(2)電子繞原子核不停地做軌道運動。這是穩定態,原子不會輻射出能量(但具有一定能量)。(3)當一個電子從某一軌道(狀態)轉移到另一軌道(狀態)時,這個電子就會損失或獲得能量(吸收或輻射)(4)原子光譜的每一根譜線都與某一電子從某一狀態移到另一狀態有關。根據玻爾的原子模型就可以解析原子受熱時所發射的光譜現象。這就是玻爾的原子模型。
2.創建著名的“哥本哈根學派”
1.“不怕承認自己是傻瓜”
玻爾和愛因斯坦是在1920年相識的。那一年,年輕的玻爾第一次到柏林講學,和愛因斯坦結下了長達35年的友誼。但也就是在他們初次見麵之後,兩人即在認識上發生分岐,隨之展開了終身論戰。他們隻要見麵,就會唇槍舌劍,辯論不已。1946年,玻爾為紀念愛因斯坦70壽辰文集撰寫文章。當文集出版時,愛因斯坦則在文集末尾撰寫了長篇《答詞》,尖銳反駁玻爾等人的觀點。他們的論戰長達30年之久,直至愛因斯坦去世。但是,長期論戰絲毫不影響他們深厚的情誼,他們一直互相關心,互相尊重。愛因斯坦本來早該獲得諾貝爾獎,但由於當時有不少人對相對論持有偏見,直到1922年秋才回避相對論的爭論,授予他上年度諾貝爾物理獎,並決定把本年度的諾貝爾物理獎授予玻爾。這兩項決定破例同時發表。愛因斯坦當時正赴日本,在途經上海時接到了授獎通知。而玻爾對愛因斯坦長期未能獲得諾貝爾獎深感不安,怕自己在愛因斯坦之前獲獎。因此,當玻爾得知這一消息後非常高興。立即寫信給旅途中的愛因斯坦。玻爾非常謙虛,他在信中表示,自己之所以能取得一些成績,是因為愛因斯坦作出了奠基性的貢獻。因此,愛因斯坦能在他之前獲得諾貝爾獎,他覺得這是“莫大的幸福”。愛因斯坦在接到玻爾的信後,當即回了信。信中說:“我在日本啟程之前不久收到了您熱情的來信。我可以毫不誇張地說,它象諾貝爾獎一樣,使我感到快樂。您擔心在我之前獲得這項獎金。您的這種擔心我覺得特別可愛――它顯示了玻爾的本色。”
3.玻爾喜歡不怕他的費曼
當費曼還在美國LosAlamos實驗室工作時,職位很低。第二次世界大戰期間,這個實驗室研究設計並製造了原子彈,所以有不少重要的物理學家都來過這裏。一天,玻爾與他的兒子小玻爾(當時他們的名字分別叫尼古拉・貝克和吉姆・貝克)也來了。即使是對於該實驗室的大頭頭們,玻爾也是個神,每個人都想一睹玻爾的風采。與玻爾聚會討論的會議開始了,人到了很多,費曼坐在一個角落裏,隻能從前麵二個人的腦袋之間看到玻爾,……
舉行下一次會議的那天早晨,費曼接到一個電話,
“喂,是費曼麽?”
“是的。”――
“我是吉姆・貝克,我父親與我想找你談談。”
“我嗎?我是費曼,我隻是個(小夥計)……”
“是找你,8點鍾見麵行嗎?”
到了8點,費曼與玻爾父子在辦公室相見。玻爾說:“我們一直在想怎樣能使炸彈更有威力,想法是這樣的……”
費曼說:“不行,這個想法不行,不有效……”
“那麽換一個辦法如何呢?”
“那要好一些,但這裏也有愚蠢之處。”
他們討論了約二個小時,對於各種想法反複推敲著、爭論著。玻爾不斷地點燃著煙鬥,因為它老是滅掉。
最後玻爾邊點燃煙鬥邊說:“我想現在我們應該把大頭頭們叫來討論了。”
小玻爾後來對費曼解釋,上一次開會時,他父親對他說:“記住那個坐在後麵的小夥子的名字了麽?他是這裏唯一不怕我的人,隻有他才會指出我的想法是否瘋了。所以下次我們討論想法時,將不與那些隻會說‘是的,玻爾先生,這一切都行得通’的人討論。把那個小家夥叫來,我們先跟他討論。”
費曼於是恍然大悟,為什麽玻爾單打電話叫他。⠂ ⠂ ⠀
4.玻爾與物理考試⠀
⠩於一個天才拒絕直線式思維方式的搞笑故事。
幾十年前丹麥哥本哈根大學出了一道物理考試題,這個簡單的問題是:“描述如何用氣壓計確定摩天大樓的高度”。
一位學生回答道:“你拴一根長繩到氣壓計的頸部,然後,把氣壓計從摩天樓的樓頂上往下放,直到接觸地麵。繩子的長度加上氣壓計的長度,就等於該摩天大樓的高度。”
這個高度原創的答案激怒了主考官,結果該學生考試不及格。
該學生後來向校方上訴,理由是他的答案無可爭議是正確的,於是學校任命了一個獨立仲裁員來調查的這件事。
仲裁認為答案確實是正確的,但沒有體現出任何明顯的物理學知識。
為了解決這個問題,有關方麵決定找到該學生,並讓他六分鍾內提供一個口頭答複,要求至少體現出最低限度對物理學基本原理的熟悉程度。
五分鍾過去了,學生坐著,一言不發,皺著前額沉浸在思考中。仲裁員提醒他說,時間不多了,而學生回答他想到過過幾個非常相關的答案,但並不能確定用哪一個。
在催促下,學生回答如下:⠀“首先,你可以把氣壓計帶到摩天大樓的屋頂,沿著屋沿往下扔,並記下到達地麵所花費的時間。樓的高度可以通過公式H⠀=⠀0.5g⠀t2得出。但氣壓計隻好報廢了。”“或者,如果天氣晴朗,你可以測量氣壓計的高度,然後把它立於地麵,再測量它的影子的長度。然後測量摩天大樓影子的長度,之後就很簡單了,按比例計算出摩天大樓的高度就可以了。”“但如果你想要高度科學性的話,你可以拴一根短繩到氣壓計上,讓它像一個鍾擺一樣搖擺,首先在地麵搖擺,然後在摩天大樓的屋頂上搖擺。高度可以從重力回複力T⠀=⠀2⠀pi⠀(l⠀/⠀g)1/2的差值算出。”
“或者如果摩天大樓有外置的緊急樓梯,那就更容易了,沿樓梯從下往上走,以氣壓計長度為單位標注摩天大樓有多少個氣壓計長度,然後再把這些數值加和起來。”
“如果僅僅要一個乏味的正統答案,當然,你可以利用氣壓計分別測量摩天大廈樓頂的空氣壓力和地麵的空氣壓力,將氣壓差毫巴數轉化為英尺,就是該大廈的高度。”
“但由於我們不斷被告誡要獨立思考和運用科學方法,毫無疑問,最好的辦法就是先敲看門人的大門,並告訴他,如果你想要個又好又新的氣壓計,那麽告訴我這座摩天大樓的高度就送給你。”
該同學就是尼爾斯.玻爾。
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玻爾(Bohr,Niels)1885年10月7日生於丹麥首都哥本哈根,父親是哥本哈根大學的生理學教授.從小受到良好的家庭教育.1903年進入哥本哈根大學學習物理,1909年獲科學碩士學位,1911年獲博士學位.大學二年級時研究水的表麵張力問題,自製實驗器材,通過實驗取得了精確的數據,並在理論方麵改進了物理學家瑞利的理論,研究論文獲得丹麥科學院的金獎章.
玻爾於1885年10月7日出生丹麥哥本哈根一知識分子家庭。受家庭的熏陶並得到良好教育,使他知識視野很廣,大學畢業後同盧瑟福共創原子科學的新時代。於1913年綜合了普朗克的量子理論,愛因斯坦的光子理論和E・盧瑟福的原子模型,提出了新的原子模型,即後來被稱玻爾理論。這理論成功地解釋了氫光譜並排出了新的元素周期表。1922年由於對原子結構理論的重大貢獻,獲得諾貝爾物理獎。1930年以後研究核物理和分子生物學等,並取得重大成就。和許多科學家共同研製了世界上第一顆原子彈。玻爾的一生得到過很多榮譽,除諾貝爾物理獎外,還獲得過英國、挪威、意大利、美國、德國、丹麥給予科學家的最高獎賞。得到各種學術頭銜、名譽學位,會員資格比任何一位同時代的科學家都多。他熱愛祖國,以他的決心和膽識,謝絕各種外來的高薪聘請,在一個人口不到五百萬的丹麥國建立起物理學的國際中心,把哥本哈根建成了物理學家“朝拜的聖地”。他的一生就是不斷地進取和創造。為後來人樹立了光輝的榜樣。
由於對盧瑟福的仰慕,於1912年3月到曼徹斯特大學在盧瑟福領導下工作了4個月,當時正值盧瑟福提出了他的原子核式模型.人們把原子設想成與太陽係相似的微觀體係,但是在解釋原子的力學穩定性和電磁穩定性上卻遇到了矛盾.這時玻爾開始醞釀自己的原子結構理論.
玻爾早在大學作碩士論文和博士論文時,就考察了金屬中的電子運動,並明確意識到經典理論在闡明微觀現象方麵的嚴重缺陷,讚賞普朗克和愛因斯坦在電磁理論方麵引入的量子學說.在他研究原子結構問題時,就創造性地把普朗克的量子說和盧瑟福的原子核概念結合了起來.在玻爾離開曼徹斯特大學以前,曾向盧瑟福呈交了一份論文提綱,引入了定態的概念,給出了定態應滿足的量子條件.回到哥本哈根後,1913年初,有朋友建議他研究原子結構,應很好地聯係和應用當時已有的豐富而精確的光譜學資料,這使他思路大開.通過對光譜學資料的考察,玻爾的思維和理論有了巨大的飛躍,使他寫出了“論原子構造和分子構造”的長篇論著,提出了量子不連續性,成功地解釋了氫原子和類氫原子的結構和性質.1921年,玻爾發表了“各元素的原子結構及其物理性質和化學性質”的長篇演講,闡述了光譜和原子結構理論的新發展,詮釋了元素周期表的形成,對周期表中從氫開始的各種元素的原子結構作了說明,同時對周期表上的第72號元素的性質作了預言.1922年,發現了這種元素鉿,證實了玻爾預言的正確.1922年玻爾獲諾貝爾物理學獎.
1920年在玻爾籌劃下創立的哥本哈根大學理論物理研究所,在創立量子力學的過程中,成為世界原子物理研究中心.這個研究所不但以其一批批出色的科學成就而為人所知,而且以其無與倫比的哥本哈根精神著名,這就是勇猛進取、樂觀向上、親切活潑、無拘無束的治學風氣,各種看法通過辯論得到開拓和澄清.玻爾擔任這個研究所的所長達四十年,起了很好的組織作用和引導作用.
30年代中期,開始出現了許多由中子誘發的核反應,迫切需要一種合用的核模型,玻爾提出了原子核的液滴模型,對一些類型的核反應作出了說明,相當好地解釋了重核的裂變.
1943年,玻爾從德軍占領下的丹麥逃到美國,參加了研製原子彈的工作,但對原子彈即將帶來的國際問題深為焦慮.1945年二次大戰結束後,玻爾很快回到了丹麥繼續主持研究所的工作,並大力促進核能的和平利用.1962年11月18日,玻爾因心髒病突發而逝世.
尼爾斯・玻爾(Bohr,Niels),1887年10月7日生於丹麥首都哥本哈根,父親是哥本哈根大學的生理學教授.從小受到良好的家庭教育。玻爾還是一個中學生時,就已經在父親的指導下,進行了小型的物理實驗。1903年進入哥本哈根大學學習物理,1907年,根據著名的英國物理學家,諾貝爾獎獲得者瑞利的著作,玻爾在父親的實驗室裏開始研究水的表麵張力問題。自製實驗器材,通過實驗取得了精確的數據,並在理論方麵改進了瑞利的理論,研究論文獲得丹麥科學院的金獎章。1909年獲科學碩士學位,1911年,24歲的玻爾完成了金屬電子論的論文,從而在哥本哈根大學取得了博士學位。他發展和完善了湯姆生和洛倫茲的研究方法,並開始接觸到普朗克的量子假說。
論文答辯之後,他起初在英國劍橋大學湯姆生領導下的卡文迪許實驗室工作,由於對盧瑟福的仰慕,又在曼徹斯特大學的盧瑟福實驗室工作了4個月。當時正值盧瑟福提出了他的原子核式模型。人們把原子設想成與太陽係相似的微觀體係,但是在解釋原子的力學穩定性和電磁穩定性上卻遇到了矛盾。這時玻爾開始醞釀自己的原子結構理論。
玻爾早在大學作碩士論文和博士論文時,就考察了金屬中的電子運動,並明確意識到經典理論在闡明微觀現象方麵的嚴重缺陷,讚賞普朗克和愛因斯坦在電磁理論方麵引入的量子學說。玻爾回到哥本哈根以後,在1913年初根椐盧瑟福的原子模型發展了對氫原子結構的新觀點。在盧瑟福的幫助下他的一篇《論原子和分子結構》的長篇論文,於1913年分三次發表在《哲學雜誌》上。玻爾在這篇幅著作中創造性把盧瑟福、普朗克和愛因斯坦的思想結合起來了,把光譜學和量子論結合在一起了,提出了量子不連續性,成功地解釋了氫原子和類氫原子的結構和性質。此論文被他的學生羅森菲爾德譽為“偉大的三部曲”。1913年9月,經福勒的助手伊萬斯所做的實驗證實,玻爾的說法是正確的,這使玻爾的理論經受了一次實踐的考驗,並在整個物理界取得了“轟動性的效果”。
1916年玻爾接受哥本哈根大學理論物理講席,1920年哥本哈根大學根據他的倡議,成立了一個理論物理研究所,他擔任所長,玻爾擔任這個研究所的所長達四十年,起了很好的組織作用和引導作用。在他的周圍聚集著許多有為的青年理論物理學家,如海森堡、泡利、狄拉克等。他們互相磋商,自由討論,不斷創新,最後發展成了有名的“哥本哈根學派”。
1921年,玻爾發表了“各元素的原子結構及其物理性質和化學性質”的長篇演講,闡述了光譜和原子結構理論的新發展,詮釋了元素周期表的形成,對周期表中從氫開始的各種元素的原子結構作了說明,同時對周期表上的第72號元素的性質作了預言。1922年,發現了這種元素鉿,證實了玻爾預言的正確。1922年玻爾獲諾貝爾物理學獎。二十世紀30年代中期,玻爾提出了原子核的液滴模型,對由中子誘發的核反應作出了說明,相當好地解釋了重核的裂變。
1943年,玻爾從德軍占領下的丹麥逃到美國,參加了研製原子彈的工作,但對原子彈即將帶來的國際問題深為焦慮。1945年二次大戰結束後,玻爾很快回到了丹麥繼續主持研究所的工作,並大力促進核能的和平利用.1962年11月18日,玻爾因心髒病突發在丹麥的卡爾斯堡寓所逝世,享年75歲。
⑴定態假設:原子隻能處於一係列不連續的能量狀態中,在這些狀態中,電子雖做變速運動,但並不向外輻射電磁波,這樣相對穩定的狀態稱為定態。
⑵躍遷假設:電子繞核轉動處於定態時不輻射電磁波,但電子在兩個不同定態間發生躍遷時,卻要輻射(或吸收)電磁波(光子),其頻率由兩個定態的能量差值決定hν=△E
⑶軌道量子化假設:由於能量狀態的不連續,因此電子繞核運動的軌道半徑也不能任意取值,必須滿足mvr=(nh/2=1,2,3……)
原子物理(原子結構、元素周期係、對應原理、互補原理、帶電粒子在物質中的穿透問題、原子核結構、電磁場測量)
哲學(互補性的推廣、認識論)
核反應理論
《論原子和分子結構》《原子物理學和人類知識》《原子物理學和人類知識續》《各元素的原子結構及其物理性質和化學性質》
注:我國著名的科學史家戈革教授(1922~2007)譯有《尼爾斯.玻爾集》共十二卷。
1、研究論文獲得丹麥科學院的金獎章:
玻爾的父親是哥本哈根大學的生理學教授,從小受到良好的家庭教育。1903年進入哥本哈根大學學習物理,1909年獲科學碩士學位,1911年獲博士學位.大學二年級時研究水的表麵張力問題,自製實驗器材,通過實驗取得了精確的數據,並在理論方麵改進了物理學家瑞利的理論,研究論文獲得丹麥科學院的金獎章。
2、1922年獲諾貝爾物理學獎:
20世紀之初,盧瑟福的有核原子模型剛剛確立,人們對於原子內部的結構和運動還所知甚少,而無論是光譜學方麵的少數幾條定律還是化學方麵的元素周期表,也還都停留在經驗規律的水平上,還根本沒有得到任何滿意的理論解釋。另一方麵,盧瑟福的有核原子模型卻明顯地和經典物理學不相容,就是說,按照經典理論,盧瑟福模型將不會有物質原子所具有的那種穩定性。在這樣的形勢下,玻爾經一兩個月的廢寢忘食的探索,初步創立了他自己的原子結構理論。他於1912年,回國,在母校任講師,利用課餘時間繼續研究擴展自己的理論。1913年,他以《論原子構造和分子構造》為題,先後分三大部分發表了長篇論文,為20世紀原子物理學開辟了道路。他在自己的理論中,采用了當時已有的量子概念,提出了幾條基本的“公設”,提出了至今仍很重要的原子定態、量子躍遷等概念;有力地衝擊了經典理論,推動了量子力學的形成。
玻爾的理論在解釋氫原子光譜的頻率規律方麵取得了相當圓滿的結果,在說明星體光譜中某些線係的起源方麵糾正了流行的看法,他的定態概念得到了越來越確切的實驗驗證,他的某些理論預見也得到了實驗的證實,成就十分巨大。但是,在開始時,這種理論還不能很好地說明其他元素的光譜,而且根本無法說明任何一條光譜線的強度和偏振,而玻爾的宏偉目標卻從一開始就是要說明各種原子和分子的形形色色的物理性質和化學性質,特別是說明顯示這些性質的變化情況的元素周期表,為了達到這樣的目的。為了更深入地探索經典理論和量子理論之間的關係,玻爾逐步發展並於1918年初次闡述了他的理論。他認為,按照經典理論來描述的周期性體係的運動和該體係的實際量子運動之間存在著一定對應關係;具體地說,體係的經典廣義坐標傅裏葉係數和體係的躍遷幾率之間存在著簡單的對應關係。後來這一理論被稱為對應原理。這一原理在當時的發展水平上成了從經典理論通向量子理論的橋梁,而且後來也形成了海森伯矩陣力學的直接的前奏。玻爾的理論觸發了大量的研究工作。玻爾吸收了別人的研究成果,利用自己的對應原理,對各種元素的光譜和X射線譜、光譜線的(正常)塞曼效應和斯塔克效應、原子中電子的分組和元素周期表,甚至還有分子的形成,都提出了相對合理的理論詮釋。由於這些輝煌的成績,他獲得了1922年的諾貝爾物理學獎。
玻爾1909年和1911年先後獲得哥本哈根大學科學碩士和哲學博士學位,隨後到英國劍橋大學卡文迪什實驗室,在J.J.湯姆孫指導下從事原子物理的實驗和理論研究。
卡文迪什實驗室(Cavendishlaboratory)即英國劍橋大學的物理學係。籌建於1871年,是世界上最有聲望的物理學研究和教育的中心之一;對近100年來物理學的發展起過非常出色的作用,前後培養出諾貝爾獎金獲得者共達26人。
玻爾的研究基地――卡文迪什實驗室
本文到此結束,希望對大家有所幫助呢。
本文由隔壁老李于2022-12-21发表在极致时空,如有疑问,请联系我们。
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