1913 年 7 月 12 日
原子理论的创建——玻尔

原子是一个古老的话题，千百年来对原子的认识一直含混而模糊，直到 1913 年才开始探索到它的秘密。在这一年，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（图 1）一连发表了三篇论文，提出原子的壳层模型，建立了量子化的原子理论。这是物理学史中的一个重大事件，更成为近代物理学的一个新开端。

玻尔的理论不是凭空出现的，在此前，有三个重要的成果成为这一发现的「垫脚石」，它们是：普朗克的量子论假设、卢瑟福的原子行星模型以及巴耳末的谱线公式。这三个成果陆续进入物理学长达近 30 年，但在这长达 30 年中，人们一直把它们视为三个彼此并不直接相关的规律，真正能把三者结合起来，用它们垒成阶梯，攀升到另一个高度并做出更重大的发现，并不是一件容易的事。正是玻尔完成了这一壮举，由此有了原子理论的创立。

1912 年的 3 月到 7 月间，玻尔在英国物理学家卢瑟福实验室工作。在这期间，他的头脑里总在盘旋着一个问题，即他对卢瑟福的行星式原子模型产生了怀疑。按照这个模型，电子环绕着原子核运动，犹如回路电流，应不断向外辐射电磁波，随着电磁波的辐射，就一定会有能量散失，使原子不可能处于稳定状态。于是，他根据普朗克的量子论假设，对卢瑟福的原子模型做了关键性的补充。他提出了一个大胆的假定，「当电子在某些特定的轨道上运动时，这种辐射将可以避免」，在这个假定之下，一个正常的原子就将处于稳定状态。为了核实这个想法的可靠性，他再度思考了原子发光的机制，问题开始涉及发光的谱线，他认为原子的结构与发光谱线间一定有着某种联系。

说来也巧，正在他思考原子发光谱线的时候，在 1912 年 2 月初的一天，他遇到了从哥廷根毕业回来的汉森。汉森在哥廷根学习光谱学，玻尔向他提起自己对原子模型及谱线的思考，汉森建议他仔细研究一下巴耳末氢原子谱线的公式。熟悉光谱学的汉森对巴耳末公式的神奇性并没有在意，可他的提醒却对玻尔起到了关键的作用。于是，卢瑟福的原子行星模型、普朗克的量子论假设与巴耳末公式这三个重要发现，在玻尔的头脑里碰撞出了火花，使正在思考原子辐射机制的玻尔立刻恍然大悟。后来他回忆说：「当我看到巴耳末公式时，所有的事情突然一下子豁然开朗了。」他的头脑里立刻闪现出电子在轨道间来回跳跃的形象，这是一个很关键的思考。正是电子跳跃引起的能量变化，才使得原子发出一定波长的谱线来。这一思考使玻尔抓住了问题的关键，于是，他把普朗克的能量量子化与巴耳末公式联系起来，做出定量的计算。正是这一决定性的步骤，使玻尔迈向揭开原子结构秘密的正途。

玻尔从最简单的氢原子入手，首先假定在氢原子内，电子只能在特定的轨道上运动。他把这些轨道用 1、2、3 等整数表示，最里层的轨道标号为 1，如果电子处于这个轨道上，氢原子能量最低，也最稳定，称为基态；当电子处于其他标号，如 2、3 等轨道时，原子处于高能量的激发态，是不稳定的，且标号越大越不稳定。当原子从高能态向低能态跃迁时，就会辐射出一份能量来，这就是普朗克的能量子；反过来，从低能态向高能态跃迁时，必须吸收一份能量，这样就使卢瑟福的模型与普朗克的能量量子化结合了起来。接着，通过巴耳末公式，他再把能量态间的跳跃与辐射波长或频率结合。就这样，三个重要的发现经玻尔之手，拿到一把开启近代物理的金钥匙，玻尔的原子理论大厦也就建成了。

玻尔很快地完成了他的论文，从1913 年 7 月 12 日起，玻尔的论文以三篇的方式陆续刊发在《哲学》杂志上，这三篇论文被称为玻尔原子理论的「三部曲」，它们系统地阐述了玻尔的原子理论与原子的壳层模型。

玻尔关于电子的「特定轨道」以及「轨道跃迁」的假设，解释了谱线的发射和吸收机制，同时也揭开了原子结构的秘密。但这一新思想与新理论的出现，意味着「量子论」闯入了物理学的「根基」，使物理学界出现了极度的不适应。一方面它冲击了人们所熟知的经典物理学，甚至损害了为之奋斗一生的经典信念，人们不接受电子只能约束在「特定轨道」上的说法，也不明白为什么在这些「特定轨道上」就能保持原子的稳定，更不能接受电子会在这些轨道间神出鬼没般地跳来跳去，发生什么「轨道跃迁」。