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木虫 (正式写手)

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量子物理史话（6）：思想领域的最高音乐神韵

1913年3月6日，玻尔在哥本哈根的家中致信卢瑟福，信中附寄了他那篇著名的原子论文的第一章，请求卢瑟福将稿件发表在《哲学杂志》上。在这篇论文中，玻尔从原子所奏出的光谱音乐中聆听到了量子的声音，这便开启了通往原子世界的大门。

20世纪初，关于原子结构的问题同样引起了物理学家们的极大关注。1911年，英国实验物理学家卢瑟福根据他的散射实验结果提出了原子的行星模型。根据这一模型，原子由原子核和电子组成，电子在原子核外绕核转动，正如行星绕太阳运转一样。然而，这一直观模型却与经典理论之间存在尖锐的矛盾。根据经典理论的预言，这样的系统无法稳定存在，电子很快就会辐射掉能量而落入核中，但人们在实验上并没有发现这种坍缩现象，原子系统是稳定的！

时势造英雄，这时年轻的丹麦博士玻尔出场了，他将普朗克的能量子概念大胆地应用到卢瑟福的原子模型中，出人意料地“解决了”稳定性问题。1913年，玻尔发表了长篇论文《论原子结构和分子结构》，其中他提出了新的原子图像。根据这一图像，电子只在一些具有特定能量的轨道上（这些轨道由一定的量子化条件决定）绕核作圆周运动，其间原子不发射也不吸收能量，这些轨道称为定态；当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时原子才发射或吸收能量，而且发射和吸收的辐射的频率符合普朗克的能量量子化关系E＝hv。

这样，玻尔便给出了普朗克能量量子化假设的一种新解释，即能量量子起源于原子核外的电子只能处于具有分立能量的定态这一事实。当电子在这些定态之间跃迁时，原子的能量改变就自然是分立的了，而且它所发射或吸收的光辐射也自然具有分立的能量。

玻尔的理论成功地说明了氢原子的光谱线规律，它的出现大大扩展了量子概念的影响。爱因斯坦后来将这一理论赞誉为“思想领域的最高音乐神韵”。1916年，爱因斯坦利用玻尔原子理论和统计学方法分析了物体吸收和发射辐射的过程，并重新导出了普朗克定律。爱因斯坦的这一工作巧妙地将普朗克、他自己和玻尔三人的工作综合起来，可以称得上是一首美妙的量子协奏曲。

[高山评论]
玻尔理论的核心是定态与跃迁概念。定态是原子唯一可以存在的状态，在这些状态中原子具有分立的能量，而跃迁是原子唯一可以进行的运动，它在定态之间进行跃迁，能量只能分立地改变。尽管玻尔的理论成功地说明了氢原子的光谱线规律，但它无疑需要进一步的解释，例如，原子为什么只能处于这些定态之中？跃迁过程又是如何发生的？这些问题将要等到量子力学的出现才能真正解决。

转自高山的博客
http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=355894

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11楼2010-08-26 17:02:34

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