对玻尔原子理论发展历程的回顾

王震宇

摘 要：回顾历程，重塑精神，激发后人，积极探究，完善理论。玻尔原子理论是认识原子结构和规律的重要理论。玻尔在总结前人实验事实以及原子核模型的基础上，考虑到原子光谱的规律性，抛弃了部分经典理论的概念，并引入了量子概念，于1913年提出了三条假设，即玻尔原子理论。玻尔原子理论取得了巨大的成功，完满地解释了原子的结构和规律。面对复杂的原子体系，玻尔原子理论仍存在着一定的局限性，如用玻尔原子理论无法计算原子光谱的强度，对其他元素更为复杂的光谱包括氦原子光谱在内，理论推导与实验事实分歧较大的问题。至于塞曼效应、光谱的精细结构等实验现象，玻尔原子理论更是无能为力。因此，面对复杂的原子体系，需要后人重塑玻尔探究精神，积极投身实践，在量子理论的通道上持续探究，不断完善和发展玻尔原子理论，以解决前人没有解决的问题，造福人类。

关键词：玻尔原子理论；发展历程；回顾；激励后人；持续探究

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1673-9132（2016）29-0207-02

DOI：10.16657/j.cnki.issn1673-9132.2016.29.131

人类赖以生存的物质世界，是由原子或分子构成的。要认识纷繁复杂的物质世界，就须先从认识原子或分子开始，而玻尔原子理论是认识原子结构和规律的重要理论。因此，为了更好地理解玻尔原子理论，并运用玻尔原子理论解释原子的结构、现象和规律，就有必要回顾玻尔原子理论的发展历程，以激励后人，持续探究，完善发展理论，解决前人没有解决的问题，造福人类。下面笔者仅就玻尔原子理论的发展历程做一简要的回顾，以实现其目的。

一、原子模型的历史演变

在电子发现以前，人们对原子的内部状态一无所知，只能把原子看成是一个不可分的整体，顶多假设它是一个谐振子在做机械运动或是一个赫兹振子在做电磁振荡。但这对于物质结构的了解，却无济于事。而在发现电子、确证电子是一切原子的组成部分之后，才有可能真正建立原子结构的模型，作为探索原子结构的理论，对光谱的发射和其他原子现象做出正确的解释。

人们为了探究物质的原子结构以及如何解释元素的周期性、线光谱、放射性等现象，有许多物理学家根据自己的实践见解，从不同角度提出了各种不同的模型。下面列举几个有代表性的例子来说明原子模型的历史演变。

（一）长岗的土星模型

日本长岗半太郎，1903年根据麦克斯韦的土星卫环理论推测原子的结构，他设想原子系统是由很多质量相同的质点，连接成圆，间隔角度相等，互相间以与距离成平方反比的力相互排斥；在圆的中心有一个大质量的质点，对其他质点以同样定律的力吸引。如果这些互相排斥的质点已几乎相同的速度绕吸引中心旋转，只要吸引力足够大，即使有小的干扰，这个系统一般将保持稳定。

长岗的原子模型理论虽说很不完善，但它在一定程度上说明了电子的运动状态和“原子核”的存在，为后来卢瑟福的核式原子模型的提出或许有一定的启迪。

（二）勒纳德的中性微粒模型

1920年勒纳德设想，原子并非实心的弹性球。他假设原子内的电子和相应的正电荷组成中性微粒，有无数“动力子”浮游在原子内部的空间。

（三）里兹的磁原子模型

1908年里兹提出原子光谱组合原理，他设想原子光谱的规律，仅仅涉及频率，光谱线的频率决定于磁场作用力。他还假设磁场是由分子磁棒（圆柱形的电子沿轴旋转）产生的，处于磁棒轴线上的电荷，在磁场作用下，将在与磁场垂直的平面内做螺旋运动，频率与氢原子光谱中的巴耳末线系的规律完全对称。

（四）汤姆逊的实心带电球模型

1904年，汤姆逊综合他对原子结构进行的长期研究，提出了一个原子结构枣糕模型假说。他假设原子中的正电荷是均匀地分布在整个原子球体中的，而带负电的电子像似枣糕里的枣子那样镶嵌在原子中。该模型虽然能解释原子为何呈现电中性等一些实验事实，但不久就被新的实验否定了。

（五）哈斯将量子假说运用于原子模型的尝试

哈斯在研究黑体辐射时很早就注意到了量子论。1910年，他在汤姆逊原子模型的基础上，运用量子公式来阐述原子结构。他假设电子在原子内部以振荡频率旋转，运用普通力学的公式计算原子的能量，就其近似结果，可认为与原子的总能量大概相等。虽说计算结果粗略，但却是将量子假说运用于原子结构的最初尝试，或许可启迪后人对此问题的关注。

（六）尼科尔松的量子化原子模型

尼科尔松擅长于星光谱和日冕光谱的研究。1911-1912年期间，他讨论过原子模型。他设想原子系统中有不同能量的环绕电子，而电子在不同环径上的角动量，其值只能以分立值来增减。

以上列举的几种原子模型，虽然都失败了，但有些或许对玻尔原子理论的提出有着积极的贡献。

二、α散射和卢瑟福核式原子模型

卢瑟福在1908年研究核素的放射性时发现了α、β射线，并经过多年的工作，于1908-1909年间证明α粒子就是氦离子（）。在研究α粒子与其他物质作用时，发现α射线在底片上形成的图像会由于极薄物质的散射作用而变得边缘模糊。

1909年，卢瑟福为了验证汤姆逊提出的原子结构模型，与合作者一起进行α粒子散射实验，在实验中观察到一个重要现象：α粒子受铂的薄膜散射时，绝大多数平均只有2°～3°的偏转，但仅有约1/8000的α粒子大于90°，其中有接近180°的。然而，出现的这个实验结果，难以用汤姆逊的实心带电球原子模型加以解释。也就是说，汤姆逊原子模型不能解释说明实验中大角度散射的事实。

卢瑟福对这个问题经过苦思冥想，并通过数学推算，于1911年提出了原子核式结构模型。他设想原子中带正电的部分很小，它受电子的作用引起运动的改变不大，而它受正电体的作用就不同了，当α粒子进入原子区域时，所受到的作用力 （Z为原子序数，e为电子的电量，为真空中的介电常数，为α粒子与正电体的距离）。由于正电体很小，也就是说很小，其作用力可以很大，因此就能产生大角度散射。

后来，盖革和马斯登对α粒子散射实验又做了许多改进，并通过实验取得了全面实验数据，进一步肯定了卢瑟福理论的正确性。

三、玻尔的定态跃迁原子模型和对应原理

尼尔斯·玻尔是丹麦人，早年在哥本哈根大学攻读物理，接触到量子论，1911年，赴英国剑桥大学学习和工作，1912年在曼彻斯特大学卢瑟福的实验室里工作过四个月，其时正值卢瑟福发表核式原子理论并组织大家对这一理论进行检验。玻尔参加了α粒子散射的实验工作，帮助他们整理实验数据和撰写论文。玻尔十分敬佩卢瑟福和他的学说，坚信他的核式原子模型是符合客观事实的，也了解他的理论所面临的困难，认为要解决原子的稳定性问题，唯有靠量子假说，也就是说，要描述原子现象，就必须对经典概念进行一番彻底的改造。1913年，玻尔在核式原子模型的基础上，考虑到原子光谱的规律性，抛弃了部分经典理论的概念，发展了普朗克的量子概念，提出了三条假设，使原子光谱得到了初步的解释。玻尔的假设是：（1）电子绕核做圆周运动时，只有电子的角动量等于的整数倍轨道才是稳定的，即，式中的为电子的质量，为电子运动的速度，为轨道的半径，为普朗克常量，为1、2、3 等整数值，称为量子数，此式称为轨道角动量的量子化条件。（2）电子在上述假设许可的任一轨道上运动时，虽有加速度，但原子具有一定的能量，而不会发生辐射，所以处于稳定的运动状态，简称稳态，这就是定态假设。（3）原子从一个具有较大能量的定态，过渡到一个具有较小能量的定态时，原子才进行一定频率的电磁辐射，其频率由公式决定。

玻尔在上述假设的基础上，进一步定量地计算出氢原子的定态轨道半径和对应能量，完满地解释了氢原子光谱巴耳末公式；从他的理论推算，各基本常数如、、和（里德伯常数）之间取得了定量协调；他阐明了光谱的发射和吸收，并成功地解释了元素周期表，使量子理论取得了重大进展，玻尔之所以取得成功，就在于他全面地继承了前人的工作，正确地加以综合，在旧的经典理论和新的实验事实的矛盾面前勇敢地肯定了实验事实，冲破旧理论的束缚，从而建立了能基本适于原子现象的定态跃迁原子模型。

四、玻尔原子理论的局限性

玻尔原子理论虽然取得了巨大的成功，但仍然存在着很大的局限性。如用玻尔原子理论无法计算光谱的强度，对其他元素更为复杂的光谱，包括氦原子光谱在内，理论推导与实验事实分歧较大的问题。至于塞曼效应、光谱的精细结构等实验现象，玻尔原子理论更是无能为力。然而，玻尔原子理论的这些局限性，需要后人重塑玻尔探究精神，善于实践，在量子理论的通道上持续探究，不断完善和发展玻尔原子理论，以解决前人没有解决的问题，造福人类。

参考文献：

[1] 胡新珉.医学物理学（8版）[M].北京：人民卫生出版社，2001.

[2] 吉强，洪洋.医学影像物理学（3版）[M].北京：人民卫生出版社，2000.

[责任编辑 吴海婷]