量子史话（十一）玻尔量化原子模型得到验证

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。