量子史话（十一）为什么电子在特定的轨道就不辐射能量？

上次我们提到玻尔在1913年7月、9月、11月分别发表了三篇关于原子结构的论文，这三篇论文的题目都是一样的，都叫《论原子和分子的结构》，所以被称为“三部曲”历史。

7月第一篇论文发表后，丹麦唯一一所大学哥本哈根大学，也是玻尔的母校，为玻尔提供了编外讲师的职位，即没有职业编辑。邓教授给非物理专业的学生一些基础物理知识。

明显感觉有点矫枉过正。玻尔虽然很不高兴，但还是暂时接受了这个职位，因为他工作的地方连大学都算不上，是一所技术学院，但玻尔现在却憋住了大招。

9月玻尔第二篇论文发表后，正好赶上第83届英国科学促进会会议。参加会议的人的名字很多，我们都很熟悉，比如：洛伦兹、居里夫人、埃伦费斯特、劳厄，当然还有几位英国前辈，汤姆逊、卢瑟福、瑞丽；

玻尔也参加了这次会议，毕竟英国对他来说并不陌生，他还是能看到自己的老师。这次会议理所当然地讨论了玻尔最新的定量原子模型。

但除了卢瑟福，所有人都反对玻尔的想法，原因很简单，所有人坚信麦克斯韦的理论在任何情况下都应该成立。但玻尔表示，只要电子在特定的轨道上，就不会发出辐射。

你可能还想问：为什么电子在特定的轨道上不辐射？我只能回答没有理由，因为这个世界是量子化的，不是连续的。电子只能存在于这些轨道中，不能存在于任何其他空间中。由于不能存在于其他空间，这些轨道自然是稳定轨道。

其实，说白了，只要你接受这个世界是不连续的，你就不会有这样的困惑。在量子理论中，有很多问题你不能问为什么？接受它。

在接下来的视频中，你会遇到越来越多问不出为什么的问题。这就是量子力学变得棘手的地方。

但是玻尔不能用这样的语气告诉其他物理学，不要问我为什么，接受就好。当年牛顿还不怎么样，所以还需要实验继续验证玻尔的量子化原子模型，看看他说的离散能级是否存在。只要它存在，就可以证明玻尔是对的。

就在1913年11月，玻尔的第三篇论文发表时，卢瑟福的团队之一亨利·莫斯利受到玻尔原子的启发，用电子轰击各种元素，研究元素发出的X射线。

其实玻尔7月份就去找过这位同事，让他赶紧做实验，验证他的原子理论。听完玻尔的理论，莫斯利也颇感兴趣，于是开始了实验。

按照玻尔的理论，具有足够能量的电子轰击特定的金属元素，之所以能够释放出X射线，是因为原子基态的一个电子被敲出，上层电子跳下来，产生X射线形式向外释放两个能级之间的能量差。

并且根据玻尔的原子模型和释放的X射线的频率，还可以计算出元素原子核中的核电荷数。

Mosley用了两个月的时间从钙轰击到锌，然后继续轰击。随着被轰击的元素越来越多，他发现元素周期表中的元素顺序确实是按照核电荷数排列的，这验证了玻尔最早关于原子序数概念的猜想。

此外，莫斯利还发现，每个元素释放的X射线波长都是独一无二的，相邻两个元素之间的X射线波长非常接近，因为它们之间只有一个核电荷差，如果有X射线波长相差较大，说明中间还有其他未知元素。

因此，莫斯利预言了42、43、72、75这四个新元素。没过多久，四种元素都被发现了，只可惜莫斯利死于1915年的一战。

1914年第一次世界大战爆发，那时候所有有能力的年轻人参战奔赴战场，科学家也不能置身事外。刚刚还在实验室里一起做实验的同事，转眼间，他们已经提枪上战场了。成了敌人。

比如前面提到的盖格、马斯登、赫维西都参加过一战，而后面要讲的德布罗意和薛定谔也曾为自己的国家效力过。

连卢瑟福此时都没有时间研究原子，他更关心的是如何击沉德国潜艇。

我们接着说，1914年4月，玻尔的原子模型迎来了另一个关键证据；德国物理学家JamesFrank和GustavHertz，这个Hertz就是那个Hertz的侄子，

他们两个发现，当汞原子被电子轰击时，只要汞原子释放出紫外线，电子就用来轰击汞原子会损失4.9eV的能量。

玻尔的理论可以完美解释这个实验。4.9ev是汞原子的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，就有可能射出基态电子，处于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-爱因斯坦公式可以计算出这种电磁辐射的波长为253.7纳米，位于紫外波段。

玻尔的理论和实验非常吻合，这个实验成为验证玻尔原子模型最有力的证据。有了莫斯利的工作，到1914年底，基本上大家在实验证据面前都接受了玻尔的定量原子模型。接受了玻尔的离散能级、电子角动量的量子化、元素光谱的解释。

随着玻尔在科学界的声望越来越高，玻尔终于说出了自己藏在心里许久的想法。他跟哥本哈根大学的管理层说，你看，我现在差不多是个物理学家了。我已经是科学家了，不适合再做讲师，可以给你理论物理教授的职位吗？

大学管理层听了有点懵。理论物理学教授？自建校以来，从未有过这样的职位。这是给玻尔创造一个新的课题。事实上，除了德国的大学，设置这个职位的大学还真的很少。即使在德国，致力于理论物理的人也寥寥无几。

与实验物理学家相比，理论物理学家的工作更轻松。以爱因斯坦为例。当他决定长期在美国工作时，已经是1934年了。此时的爱因斯坦名扬全球，可以与哥白尼、布鲁诺、牛顿并驾齐驱。普林斯顿大学问爱因斯坦，你的办公室需要什么？爱因斯坦说，我们会为你准备好一张桌子、一支笔和一些稿纸。

这是理论物理学家的标准三件套，不需要笨重的实验设备，但在今天，理论物理学已经离不开实验和观察，不再有理论家和实验家之分。

玻尔的要求没有通过。即使卢瑟福多次写信给教育部，得到的答复也是稍等。玻尔不可能继续当讲师了，于是玻尔请假去曼彻斯特找卢瑟福。他听说卢瑟福要重新介绍他工作。

不过因为战乱，这件事一拖再拖，玻尔也长期留在曼彻斯特。直到1916年5月，哥本哈根大学才同意玻尔的请求，为他专门设立了一所学校。理论物理学教授的职位。

因为这期间又发生了一件事，让玻尔的声望再次飙升，哥本哈根不得不认真考虑玻尔的要求。

因为慕尼黑大学的Sommerfeld不仅完全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，也叫角度量子论和轨道方向量子数M，也称为磁量子束。解释了人们无法解释的巴尔莫级数的精细结构，发现了精细结构常数，以及斯塔克效应和塞曼效应。

这是我们的下一个视频。