卢瑟福的原子活不过一瞬间

核式原子解释散射,却无法解释稳定。电子若像行星一样绕带正电的核运动,按经典电磁学会不断辐射、失去能量并坠落。真实原子不仅稳定,还只发出一组固定频率的谱线。

年轻的丹麦物理学家尼尔斯·玻尔到曼彻斯特跟随卢瑟福。他决定把普朗克的量子直接放进原子结构,即使这意味着暂时违反熟悉的经典图像。

禁止电子待在轨道之间

1913 年,玻尔假设电子只能占据若干稳定状态,在这些状态中不会连续辐射。它从高能状态跳到低能状态时,才发出能量为两级之差的光:

hν=EhighElowh\nu=E_{high}-E_{low}

这样,氢原子固定的能级差正好对应观察到的固定谱线。巴耳末先前从数据中找到的经验规律,第一次获得物理结构解释。

能级与量子态 科学模型图 ground = -13.6eV ground = -13.6eV excited = -3.4eV excited = -3.4eV upper = -1.51eV upper = -1.51eV
图示说明

静态物理图:bohr_energy_transition。

模型混合了经典轨道和量子禁令:电子为什么不辐射,为什么只允许这些轨道,玻尔都没有更深机制。对多电子原子,它很快显得不够。但它敢于承认自然并不需要经过所有中间状态。

玻尔后来在哥本哈根建立研究所,那里成为量子物理争论中心。好的过渡理论不一定永远正确。它可能像一座脚手架,让人先到达旧概念无法抵达的位置,再拆掉自己。

史料与延伸阅读