歷史 物理

1922年諾貝爾物理獎:尼爾斯.波耳

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撰文者:余海峯 博士
發文日期:2017-07-07
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  • 1922年諾貝爾物理獎得主又是另一個鼎鼎大名的科學家,他就是量子力學教父尼爾斯.波耳(Niels Bohr)。波耳的電子能階原子結構模型,相信每位理科生都必定學過。
    尼爾斯.波耳
       [尼爾斯.波耳的諾貝爾獎官方照片。]
     
    原子結構的演化史很有趣。湯姆生(Joseph Thomson)提出的原子模型好像提子包,一團球狀帶正電的麵包之中藏有一粒一粒帶負電的電子。因為正負電互相抵消,這個模型能很好地解釋為什麼原子不帶電。不過,當貝克和居禮夫婦發現了放射性現象(1903年諾貝爾物理獎得主),科學家開始用放射出來的alpha 粒子做各種實驗。

    Alpha 粒子帶有正電,我們現在知道它其實是氦原子核。當物理學家用它來射擊金箔時,因為正電荷分散佈於整個提子包狀的金原子裡,alpha 粒子感受到的靜電力應該不強,所以我們預期alpha 粒子會直接穿過金箔。意外地,物理學家發現除了金箔後面,環繞金箔的所有角度都深測到被金原子散射的alpha 粒子,有些甚至被180 度反彈回來。

    根據計算,分散的電荷密度不足夠反彈alpha 粒子,最多只能使alpha 粒子輕微偏轉。盧瑟福(Ernest Rutherford,1908年諾貝爾化學獎得主)就提出了新的原子模型,把正電荷全部放在原子中心,稱為原子核。因為原子核的電荷密度很高,就能產生足夠強的靜電力把alpha 粒子反彈。而帶負電的電子就環繞原子核以圓形或楕圓形軌道轉動,好像微型太陽系一樣。
     tomason model
    [湯姆生原子模型(左)和盧瑟福原子模型(右)比較。Image courtesy of Kurzon/Wikimedia Commons]
     
    然而,這個看似合理的模型卻有個重大缺憾。與萬有引力不同,加速中的電荷會釋放電磁輻射,即電磁波。其實,加速中的質量也會釋放重力輻射,即是2016年人類首次直接深測到的重力波。但因為電磁力比萬有引力強非常非常之多,所以加速電荷輻射的電磁波比加速質量的重力波強非常非常多倍。這也是2016年探測到的重力波這麼微弱的原因。

    當電子開始輻射電磁波,它的軌道就會慢慢跌落原子核,而在跌落的過程中又繼續釋放更多波長越來越短的電磁波。這就會造成一個連續光譜,可是氣體所釋放出來的光譜都是一條條譜線,我們從未在氣體中觀察到任何連續光譜。更麻煩的是,電子會在很短時間裡就失去所有軌道能量,撞上原子核。

    波耳在原子結構模型中加入了新的限制:只有距離原子核特定距離的軌道才能存在,稱之為能階,而電子只會在能階之間跳躍時才會釋放電磁波。這些條件意味著電子只會特定能量的電磁波,而如果這些電磁波滿足普朗克的光量子關係——能量正比於頻率,那個波耳就可以推導出在實驗中觀察到的氫原子光譜。他的理論計算結果與實際觀測數值相差不到百分之一。
     波爾
    [波耳的電子能階原子模型。Image courtesy of Jabberwok/Wikimedia Commons]
     
    波耳的電子能階原子模型能夠解釋大部分實驗結果,但也不是完美無缺的。例如,當年科學已經發現,在電場或磁場的影響下,有些譜線會分裂成兩條或多條譜線。波耳和其他人嘗試以楕圓軌道解釋這些現象,可是都沒有成功。現在我們知道,這是因為波耳的原子模型是錯的。電子根本不在「軌道」(orbit)中運行,而是有著所謂的不同「軌態」(orbital)。相對於平面的軌道,軌態是立體的一個空間,電子有著不同的機率出現在軌態的不同地方。我們會在以後介紹薛丁格的時候,回到軌態的討論之上。
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