高中物理第2章原子结构第3节玻尔的原子模型尼尔斯亨利克大卫玻尔素材鲁科版选修5.docx

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尼尔斯·亨利克·大卫·玻尔

量子论——震动的微粒子的解说者尼尔斯·亨利克·大卫·玻尔（NielsHenrikDavidBohr，1885.10.07～1962.11.18）丹麦物理学家，哥本哈根学派的创始人。

1885年10月7日生于哥本哈根。

生平

玻尔于1885年10月7日出生丹麦哥本哈根一知识分子家庭。

父亲是哥本哈根大学的生理学教授，从小受到家庭的熏陶并得到良好教育，使他知识视野很广，大学毕业后同卢瑟福共创原子科学的新时代。

于1913年综合了马克斯·卡尔·欧内斯特·路德维希·普朗克的量子理论，爱因斯坦的光子理论和E·卢瑟福的原子模型，提出了新的原子模型，即后来被称玻尔理论。

这理论成功地解释了氢光谱并排出了新的元素周期表。

1922年由于对原子结构理论的重大贡献，获得诺贝尔物理奖。

1930年以后研究核物理和分子生物学等，并取得重大成就。

和许多科学家共同研制了世界上第一颗原子弹。

玻尔的一生得到过很多荣誉，除诺贝尔物理奖外，还获得过英国、挪威、意大利、美国、德国、丹麦给予科学家的最高奖赏。

得到各种学术头衔、名誉学位，会员资格比任何一位同时代的科学家都多。

他热爱祖国，以他的决心和胆识，谢绝各种外来的高薪聘请，在一个人口不到五百万的丹麦国建立起物理学的国际中心，把哥本哈根建成了物理学家“朝拜的圣地”。

他的一生就是不断地进取和创造。

为后来人树立了光辉的榜样。

由于对卢瑟福的仰慕，于1912年3月到曼彻斯特大学在卢瑟福领导下工作了4个月，当时正值卢瑟福提出了他的原子核式模型．人们把原子设想成与太阳系相似的微观体系，但是在解释原子的力学稳定性和电磁稳定性上却遇到了矛盾．这时玻尔开始酝酿自己的原子结构理论．

玻尔早在大学作硕士论文和博士论文时，就考察了金属中的电子运动，并明确意识到经典理论在阐明微观现象方面的严重缺陷，赞赏普朗克和爱因斯坦在电磁理论方面引入的量子学说．在他研究原子结构问题时，就创造性地把普朗克的量子说和卢瑟福的原子核概念结合了起来．在玻尔离开曼彻斯特大学以前，曾向卢瑟福呈交了一份论文提纲，引入了定态的概念，给出了定态应满足的量子条件．回到哥本哈根后，1913年初，有朋友建议他研究原子结构，应很好地联系和应用当时已有的丰富而精确的光谱学资料，这使他思路大开．通过对光谱学资料的考察，玻尔的思维和理论有了巨大的飞跃，使他写出了“论原子构造和分子构造”的长篇论著，提出了量子不连续性，成功地解释了氢原子和类氢原子的结构和性质．1921年，玻尔发表了“各元素的原子结构及其物理性质和化学性质”的长篇演讲，阐述了光谱和原子结构理论的新发展，诠释了元素周期表的形成，对周期表中从氢开始的各种元素的原子结构作了说明，同时对周期表上的第72号元素的性质作了预言．1922年，发现了这种元素铪，证实了玻尔预言的正确．1922年玻尔获诺贝尔物理学奖．

1920年在玻尔筹划下创立的哥本哈根大学理论物理研究所，在创立量子力学的过程中，成为世界原子物理研究中心．这个研究所不但以其一批批出色的科学成就而为人所知，而且以其无与伦比的哥本哈根精神著名，这就是勇猛进取、乐观向上、亲切活泼、无拘无束的治学风气，各种看法通过辩论得到开拓和澄清．玻尔担任这个研究所的所长达四十年，起了很好的组织作用和引导作用．30年代中期，开始出现了许多由中子诱发的核反应，迫切需要一种合用的核模型，玻尔提出了原子核的液滴模型，对一些类型的核反应作出了说明，相当好地解释了重核的裂变．

1943年，玻尔从德军占领下的丹麦逃到美国，参加了研制原子弹的工作，但对原子弹即将带来的国际问题深为焦虑．1945年二次大战结束后，玻尔很快回到了丹麦继续主持研究所的工作，并大力促进核能的和平利用．1962年11月18日，玻尔因心脏病突发而逝世．

尼尔斯·玻尔（Bohr,Niels），1887年10月7日生于丹麦首都哥本哈根，父亲是哥本哈根大学的生理学教授．从小受到良好的家庭教育。

玻尔还是一个中学生时，就已经在父亲的指导下，进行了小型的物理实验。

1903年进入哥本哈根大学学习物理，1907年，根据著名的英国物理学家，诺贝尔奖获得者瑞利的著作，玻尔在父亲的实验室里开始研究水的表面张力问题。

自制实验器材，通过实验取得了精确的数据，并在理论方面改进了瑞利的理论，研究论文获得丹麦科学院的金奖章。

1909年获科学硕士学位，1911年，24岁的玻尔完成了金属电子论的论文，从而在哥本哈根大学取得了博士学位。

他发展和完善了汤姆生和洛伦兹的研究方法，并开始接触到普朗克的量子假说。

论文答辩之后，他起初在英国剑桥大学汤姆生领导下的卡文迪许实验室工作，由于对卢瑟福的仰慕，又在曼彻斯特大学的卢瑟福实验室工作了4个月。

当时正值卢瑟福提出了他的原子核式模型。

人们把原子设想成与太阳系相似的微观体系，但是在解释原子的力学稳定性和电磁稳定性上却遇到了矛盾。

这时玻尔开始酝酿自己的原子结构理论。

玻尔早在大学作硕士论文和博士论文时，就考察了金属中的电子运动，并明确意识到经典理论在阐明微观现象方面的严重缺陷，赞赏普朗克和爱因斯坦在电磁理论方面引入的量子学说。

玻尔回到哥本哈根以后，在1913年初根椐卢瑟福的原子模型发展了对氢原子结构的新观点。

在卢瑟福的帮助下他的一篇《论原子和分子结构》的长篇论文，于1913年分三次发表在《哲学杂志》上。

玻尔在这篇幅著作中创造性把卢瑟福、普朗克和爱因斯坦的思想结合起来了，把光谱学和量子论结合在一起了，提出了量子不连续性，成功地解释了氢原子和类氢原子的结构和性质。

此论文被他的学生罗森菲尔德誉为“伟大的三部曲”。

1913年9月，经福勒的助手伊万斯所做的实验证实,玻尔的说法是正确的，这使玻尔的理论经受了一次实践的考验，并在整个物理界取得了“轰动性的效果”。

1916年玻尔接受哥本哈根大学理论物理讲席，1920年哥本哈根大学根据他的倡议,成立了一个理论物理研究所,他担任所长，玻尔担任这个研究所的所长达四十年，起了很好的组织作用和引导作用。

在他的周围聚集着许多有为的青年理论物理学家，如海森堡、泡利、狄拉克等。

他们互相磋商，自由讨论，不断创新，最后发展成了有名的“哥本哈根学派”。

哥本哈根诠释融合了波函数的概率解释，以及“测不准原理”。

1921年，玻尔发表了“各元素的原子结构及其物理性质和化学性质”的长篇演讲，阐述了光谱和原子结构理论的新发展，诠释了元素周期表的形成，对周期表中从氢开始的各种元素的原子结构作了说明，同时对周期表上的第72号元素的性质作了预言。

1922年，发现了这种元素铪，证实了玻尔预言的正确。

1922年玻尔获诺贝尔物理学奖。

二十世纪30年代中期，玻尔提出了原子核的液滴模型，对由中子诱发的核反应作出了说明，相当好地解释了重核的裂变。

1943年，玻尔从德军占领下的丹麦逃到美国，参加了研制原子弹的工作，但对原子弹即将带来的国际问题深为焦虑。

1945年二次大战结束后，玻尔很快回到了丹麦继续主持研究所的工作，并大力促进核能的和平利用．1962年11月18日，玻尔因心脏病突发在丹麦的卡尔斯堡寓所逝世，享年75岁。

玻尔1903年入哥本哈根大学数学和自然科学系，主修物理学。

1907年以有关水的表面张力的论文获得丹麦皇家科学文学院的金质奖章，并先后于1909年和1911年分别以关于金属电子论的论文获得哥本哈根大学的科学硕士和哲学博士学位。

随后去英国学习，先在剑桥约瑟夫·约翰·汤姆生（JosephJohnThomson）主持的卡文迪许实验室，几个月后转赴曼彻斯特，参加了以欧内斯特·卢瑟福为首的科学集体，从此和欧内斯特·卢瑟福建立了长期的密切关系。

1913年玻尔任曼彻斯特大学物理学助教，1916年任哥本哈根大学物理学教授，1917年当选为丹麦皇家科学院院士。

1920年创建哥本哈根理论物理研究所，任所长。

1922年玻尔荣获诺贝尔物理学奖。

1923年接受英国曼彻斯特大学和剑桥大学名誉博士学位。

1937年5、6月间，玻尔曾经到过我国访问和讲学。

1939年任丹麦皇家科学院院长。

第二次世界大战开始，丹麦被德国法西斯占领。

1943年玻尔为躲避纳粹的迫害，逃往瑞典。

1944年玻尔在美国参加了和原子弹有关的理论研究。

1947年丹麦政府为了表彰玻尔的功绩，封他为“骑象勋爵”。

1952年玻尔倡议建立欧洲原子核研究中心（CERN），并且自任主席。

1955年他参加创建北欧理论原子物理学研究所，担任管委会主任。

同年丹麦成立原子能委员会，玻尔被任命为主席。

成就

研究领域

原子物理（原子结构、元素周期系、对应原理、互补原理、带电粒子在物质中的穿透问题、原子核结构、电磁场测量）

哲学（互补性的推广、认识论）

核反应理论玻尔从1905年开始他的科学生涯，一生从事科学研究，整整达57年之久。

他的研究工作开始于原子结构未知的年代，结束于原子科学已趋成熟，原子核物理已经得到广泛应用的时代。

他对原子科学的贡献使他无疑地成了20世纪上半叶与爱因斯坦并驾齐驱的、最伟大的物理学家之一。

原子结构理论

在1913年发表的长篇论文《论原子构造和分子构造》中创立了原子结构理论，为20世纪原子物理学开辟了道路。

创建著名的“哥本哈根学派”。

1921年，在玻尔的倡议下成立了哥本哈根大学理论物理学研究所。

玻尔领导这一研究所先后达40年之久。

这一研究所培养了大量的杰出物理学家，在量子力学的兴起时期曾经成为全世界最重要、最活跃的学术中心，而且至今仍有很高的国际地位。

创立互补原理

1928年玻尔首次提出了互补性观点，试图回答当时关于物理学研究和一些哲学问题。

其基本思想是，任何事物都有许多不同的侧面，对于同一研究对象，一方面承认了它的一些侧面就不得不放弃其另一些侧面，在这种意义上它们是“互斥”的；另一方面，那些另一些侧面却又不可完全废除的，因为在适当的条件下，人们还必须用到它们，在这种意义上说二者又是“互补”的。

按照玻尔的看法，追究既互斥又互补的两个方面中哪一个更“根本”，是毫无意义的；人们只有而且必须把所有的方面连同有关的条件全都考虑在内，才能而且必能（或者说“就自是”）得到事物的完备描述。

玻尔认为他的互补原理是一条无限广阔的哲学原理。

在他看来，为了容纳和排比“我们的经验”，因果性概念已经不敷应用了，必须用互补性概念这一“更加宽广的思维构架”来代替它。

因此他说，互补性是因果性的“合理推广”。

尤其是在他的晚年，他用这种观点论述了物理科学、生物科学、社会科学和哲学中的无数问题，对西方学术界产生了相当重要的影响。

玻尔的互补哲学受到了许许多多有影响的学者们的拥护，但也受到另一些同样有影响的学者们的反对。

围绕着这样一些问题，爆发了历史上很少有先例的学术大论战，这场论战已经进行了好几十年，至今并无最后的结论，而且看来离结束还很遥远。

原子核物理

作为卢瑟福的学生，玻尔除了研究原子物理学和有关量子力学的哲学问题以外，对原子核问题也是一直很关心的。

从20世纪30年代开始，他的研究所花在原子核物理学方面的力量更大了。

他在30年代中期提出了核的液滴模型，认为核中的粒子有点像液滴中的分子，它们的能量服从某种统计分布规律，粒子在“表面”附近的运动导致“表面张力”的出现，如此等等。

这种模型能够解释某些实验事实，是历史上第一种相对正确的核模型。

在这样的基础上，他又于1936年提出了复合核的概念，认为低能中子在进入原子核内以后将和许多核子发生相互作用而使它们被激发，结果就导致核的蜕变。

这种颇为简单的关于核反应机制的图像至今也还有它的用处。

当L．迈特纳和O．R．弗里施根据O．哈恩等人的实验提出了重核裂变的想法时，玻尔等人立即理解了这种想法并对裂变过程进行了更详细的研究，玻尔并且预言了由慢中子引起裂变的是铀-235而不是铀-238。

他和J．A．惠勒于1939年在《物理评论》上发表的论文，被认为是这一期间核物理学方面的重要成就。

众所周知，这方面的研究导致了核能的大规模释放。

定态假设

原子只能处于一系列不连续的能量状态中，在这些状态中，电子虽做变速运动，但并不向外辐射电磁波，这样相对稳定的状态称为定态。

跃迁假设

电子绕核转动处于定态时不辐射电磁波，但电子在两个不同定态间发生跃迁时，却要辐射（或吸收）电磁波（光子），其频率由两个定态的能量差值决定hν=△E

轨道量子化假设

由于能量状态的不连续，因此电子绕核运动的轨道半径也不能任意取值，必须满足mvr=（nh/2π）

基地

玻尔1909年和1911年先后获得哥本哈根大学科学硕士和哲学博士学位，随后到英国剑桥大学卡文迪许实验室，在约瑟夫·约翰·汤姆生（JosephJohnThomson）指导下从事原子物理的实验和理论研究。

卡文迪许实验室（Cavendishlaboratory）即英国剑桥大学的物理学系。

筹建于1871年，是世界上最有声望的物理学研究和教育的中心之一；对近100年来物理学的发展起过非常出色的作用，前后培养出诺贝尔奖金获得者共达26人。

主持这个实验室的历届教授是：

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（1871～1879）、瑞利（1879～1884）、约瑟夫·约翰·汤姆生（1885～1919）、欧内斯特·卢瑟福（1919～1937）、威廉·劳伦斯·布拉格（1938～1953）、N．F．莫脱（1953～1971）、A．B．皮帕德（1971～1978）、A．H．考克（1979～1984）、S．爱德华（1984～）。

卡文迪许实验室的创建，标志着物理学开始了在实验室中进行系统性实验的时代。

它的优良传统是力求在新的领域中作出新的发现。

在它100多年的历史中，重要的成就有：

汤姆孙发现电子、卢瑟福发现元素的转变、E．V．阿普顿发现电离层、詹姆斯·查德威克发现中子、威廉·亨利·布拉格等发现一些重要的生物分子的结构、马克斯·赖尔等对射电源的普查、A．休伊什等发现脉冲星。

这个实验室另一个优良传统是，实验中所用的关键性实验装置都是由实验人员自己设计和制造。

因此，许多非常有价值的物理实验用的仪器和设备，都出自这里，例如，约瑟夫·约翰·汤姆生的阴极射线管、F．W．阿斯顿的质谱仪、C．T．R．威耳孙的云室和P．W．S．布莱克持的自动云室、J．D．考克饶夫和E．T．S瓦耳顿的高压倍加器、考克饶夫的雷达、赖尔的综合孔径射电望远镜。

以实验为根据的理论探索，在这里同样受到重视，瑞利对声学理论的奠基性工作、F．H．C．克瑞克和J．D．沃森提出脱氧核糖核酸（DNA）分子双螺旋结构导致的遗传学理论的进展、N．F．莫脱等关于固体物理学理论的系统研究等都是极有影响的理论成就。

这个实验室是“天才的苗圃”，注重人才的培养。

30年代之前，英国、美国的著名物理学家大多出于这个实验室。

其他各国来这里深造或工作过的物理学家，比比皆是；其中有中国物理学家霍秉权、张文裕、李国鼎、周长宁等，中华人民共和国成立后来这里工作、进修或学习的中国学者已近10名。

卡文迪什实验室的研究作风强调独立性。

对于学生也要求自行选择课题，自行装置仪器和安排实验。

有些成果是由学生阶段的人做出的。

B．D．约瑟夫森发展超导节的理论、J．贝尔最先注意到脉冲星的信号，当时他们都是研究生。

卡文迪什实验室首先注意到，随着物理实验规模的变大，研究组织应向集团性发展。

1938年，W．L．布喇格将整个实验室按课题分组，形成一些有确定研究方面的工作集团。

这种科学研究的组织管理形式，为以后的许多物理研究机构所仿效。

1967年后，实验室迁到剑桥西区。

新址由四个相连的建筑物构成：

卢瑟福楼供高能物理和天体物理研究用，莫脱楼供固体物理研究用，布拉格楼中包括大学生物理实验室、图书馆和附属工厂，另一个建筑是计算机房。

现在实验室有研究人员100多人，研究生约150人；每年经费约300余万英镑。

卡文迪什实验室既是从事科研的有名实验室，也是进行物理学教学的好课堂。

在实验室旧址的顶层阁楼上是训练物理学系学生的实验室，不少有名的物理学家在这里接受物理学的基本训练。

主持这项工作的G．F．C．西勒，自1902年起在这里讲授物理，直到1946年80岁的时候。

（n=1，2，3……）

著述

《论原子和分子结构》《原子物理学和人类知识》《原子物理学和人类知识续》《各元素的原子结构及其物理性质和化学性质》

注：

我国著名的科学史家戈革教授（1922~2007）译有《尼尔斯.玻尔集》共十二卷。