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聊天語宙 | 氫原子光譜與Bohr的量子論

作者:陳濤時間:2021-09-23 11:46瀏覽次數:

    上一期,我們介紹了黑體輻射和能量量子化,聊天語宙 | 關於量子力學建立與發展的過程的啟迪(一)本期,我們則介紹關於氫原子光譜與量子論的故事。

01

氫原子光譜與Bohr的量子論

1911年9月,年輕的N.Bohr赴英國劍橋大學的Cavendish實驗室希望與Thompson在原子結構上做一些工作,但是由於種種原因,Thompson那時並沒有太多空餘時間做這方面的工作。而在一次Rutherford關於原子結構的報告會上,Bohr結識了Rutherford,並且表示對Rutherford的工作十分感興趣,於是在1912年4月份,Bohr便離開Cavendish實驗室,去往了Rutherford的實驗室工作。

Rutherford給了Bohr一個題目,希望他能夠解釋原子的穩定性問題。因為按照經典電磁理論,Rutherford的原子模型有著一個致命的缺陷:電子圍繞原子核做橢圓運動,因此會向外輻射電磁波,因此原子將會不停地向外以電磁波的形式輻射能量,這就會導致原子必然不能維持一個穩定的結構,這無疑是十分荒謬的,因此當務之急就是如何才能解釋在Rutherford的原子結構模型中,原子是如何穩定存在的。

而僅僅經過了4個月,Bohr就提出了他的一套新的理論模型,但是Rutherford卻十分不滿意,其原因是在Bohr這套模型中,Bohr並沒有“解釋”氫原子穩定性的原因,反而將氫原子的穩定性作為一個假設出現在他所建立的模型的最初的假設當中,於是Rutherford並沒有很痛快地在Bohr的文章簽字發表,而是委婉的勸說Bohr延期一年,再仔細慎重地思考一番,希望他能夠將他的理論的假設更加“精簡”,以至於使得氫原子的穩定性能夠合理的被解釋,而不是作為一條假設出現。

然而Bohr當時已經在丹麥的老家訂婚了,婚期將至,Bohr委婉的拒絕了Rutherford的提議,匆忙趕回老家完婚。而現在我們以歷史回顧的眼光可以看到,Bohr當時的選擇無疑是十分明智的,因為原子的穩定性問題所含有的物理內涵極為深刻,即便Bohr再思考一年時間,也是無法得到正確答案的。而至於Bohr的氫原子理論我們下麵簡單來介紹一下。

首先Bohr有三條假設:

(1)原子只能夠穩定存在於與離散能量相對應一系列狀態中

(2)原子在兩個定態,之間躍遷時,原子吸收或發射出的電磁波是唯一的,即:

(3) 對應原理:在大量子數的極限條件下,量子體系行為將趨向於與經典力學行為相同。

值得註意的是第三條對應原理,這條原理的提出所包含的是物理學最為核心的思想:不同理論之間並不應該是“水火不容”的,不同的理論雖然可能有著完全不同的形式,但是這應該是由於每種理論所適用的範圍不同而導致的。譬如在相對論中,膨脹因子當時,相對論場景應該自動退化為牛頓力學場景。同理在量子體系中,應該存在某種極限條件,能夠使得量子理論回歸到經典理論,而在相同極限條件下,經典理論也應該在相反情況下過渡為量子理論,而這樣的一個過渡我們有理由認為如同相對論場景一樣應當是平緩而自然的。
   而Bohr認為“這種情況”正是在量子數n非常大時,量子的行為將自動回歸為經典的行為,下麵我們可以看到,正是這三條假設,使得Bohr成功的推導出了氫原子能級公式:

而當Bohr即將度完蜜月時,偶然在友人Hanssen的介紹下得知了氫原子光譜,並加以考慮,於是很快便發現如若將(16)式中的常數D取為0,則上式可以化簡為:


然後利用假設(2),,計算光譜線,即可得到Balmer譜系,這是人們第一次從理論上解釋了氫原子光譜問題。

不難證明,根據Bohr的理論,電子的軌道角動量是量子化的,即:

於是在Bohr的文章也被Rutherford承認並且發表,順利得以畢業。

而後人們自然希望根據Bohr的方法略加改造,從而對更複雜的原子模型進行求解,譬如Sommerfeld等人便將角動量量子化條件改為:

然而很快就發現,如此改造顯然行不通,於是Heisenberg等人便引入了矩陣力學,也是正式進入了量子力學的開端。


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