浅谈玻尔对量子力学建立的贡献

本科生毕业（学位）论文浅谈玻尔对量子力学建立的贡献敖成松（2007061105）指导教师姓名：张小伟职称：讲师单位：物理与电子科学系专业名称：物理学论文提交日期：2011年月日论文答辩日期：2011年月日学位授予单位：黔南民族师范学院答辩委员会主席:论文评阅人:2011年月日浅谈玻尔对量子力学建立的贡献敖成松（2007061105）（黔南民族师范学院物理与电子科学系，贵州都匀558000）摘要：简要介绍了二十世纪丹麦伟大的物理学家尼尔斯·玻尔对量子力学做出的巨大贡献。关键词：量子力学；玻尔；玻尔理论；互补原理；哥本哈根学派ABriefTalkonBohrContributedtoQuantumMechanicsAoChengSong（2007061105）（DepartmentofPhysicsandElectronicScience,QiannanNormalCollegeforNationalities,Duyun558000,Guizhou）Abstract:ThepaperanalyzedthatBohr,whichwasthetwentiethcenturygreatphysicis,greatlycontributedtoquantummechanicsdevelopment.Keywords:Quantummechanics;NeilsBohr;Bouldertheory;Complementaryprinciple;Copenhagenschool在现代科学发展史上，量子力学的创立，标志着现代物理学大厦基本构造完成。它主要研究原子、分子、凝聚态物质,以及原子核和基本粒子的结构,性质的基础理论,它与相对论一起构成了现代物理学的理论基础。在这一理论创立过程中，当时一大批世界一流的天才物理学家为此立下汗马功劳。他们之中，又以海森伯、薛定谔、泡利、波恩、狄拉克等人的工作最为杰出、他们被视为量子力学的创始人。玻尔在这方面著述不多，他没有被正式列为这一伟大理论的创始人。但玻尔对量子力学的贡献，与上述这些人相比毫不逊色，甚至更为巨大。如果将哥本哈根理论物理研究所比做一个大熔炉的话，量子力学理论就是在这座熔炉中锻造出来的，玻尔在哥本哈根这个学术集体中，就像一个指引着大家向既定目标前进的统帅，或者说是“哥本哈根乐团”的总指挥。[1]尼尔斯·玻尔(NielsHenrikDavidBohr。1885—1962)1885年10月7日出生于丹麦的哥本哈根，从小学到大学，玻尔一直在哥本哈根读书，1905年获得丹麦科学协会征文比赛金质奖，于1911年取得博士学位。从1920年起，一直领导哥本哈根大学理论物理研究所，直到1962年去世，由于对理解原子结构的卓越贡献，玻尔于1922年获得诺贝尔奖金。[2]他对量子力学的贡献主要有以下几个方面：1．玻尔理论的提出1859年，本生(R，W．Bunsen，1811—1899)和基尔霍夫发明了棱光分光镜，这使光谱的测量成为可能，因而，实验光谱学在十九世纪下半叶发展到了很高的水平，有关的研究工作首先是向寻找线光谱规律性的方向发展。其中，巴尔末(JohannBalmer，1825—1898)在1885年发现，氢光谱当时已知的全部谱线的波长可用这样一个公式来表达：=b[n2／(n2-2)]，这里，b是一个常数(由巴尔末根据实验经验地定出了它的值)，n取3、4、5…等值，以对应各条谱线。当时对已知的氢光谱的九条谱线的测量结果都极好地和这一公式相吻合(误差还不到千分之一)。其他光谱中的规律性也随即被发现了，其中里德伯发现了一个适用于许多光谱组的普遍公式：如果按照较为常用的波数的表达式(u=1／n)，巴尔末公式就成了具有普遍意义的里得伯公式的一个特例：u=1／=RH(1／22-1／n2)(n=3，4，5⋯)式中，RH称做氢里德伯常数。如果把括号中的第一项换做nf，并令n取(nf+1)(nf+2)(nf+3)⋯等值，便可得到氢光谱中各个已知谱线系的表达式。除此以外，还有里兹提出了里兹组合原则。这些经验公式在许多方面很有用处，特别是在预言新谱线方面，但对于这些线光谱存在的原子机制，当时没有人能够给出令人信服的结论。1911年，卢瑟福(ErnestRutherford)根据自己的粒子散射实验提出了原子的核式模型，指出原子中含有电子云，它分布在质量密集的、带正电的原子核周围，而核的线度比起整个原子的线度来是极其微小的，然而，原子的卢瑟福模型存在着一个基本困难：依照公认的电动力学法则，绕核运动的电子将连续发光，并因能量损耗终将崩溃落人核内，这与观察到的分立光谱线并不一致。为了解决这一矛盾，1913年，玻尔提出了两点假没：第一点假设认为，电子只能在某些确定的轨道上运动，这就是所谓的“定态”，电子只要停留在这些态中的任何一个，它就不会发光；第二点假设认为只有当电子从一个较高能量的定态跃迁到一较低能量的定态时，辐射才从原子中放出，放出的辐射能量等于两定态能量的差值，通过一个类似的逆过程，原子能够吸收一个辐射量子，使得一个电子跃迁到较高能量的定态。按照普朗克的假设，他还给出了辐射光子的能量计算公式：hv=W1一W2：(h为普朗克常数)。玻尔还进而提出了计算这些轨道的方法，他设想定态就是绕原子核转动的角动量等于h／2宙的整数倍时的状态，再令电子和原子核之间静电引力等于电子作圆周运动时所受的向心力，由此便计算出了这些轨道．这就是著名的玻尔理论。这样，玻尔一方面摒弃了传统概念，一方面又借助传统方法去计算原子的能级，即各种定态下电子转动所具有的动能与电子因受原子核的静电“结合力”所具有的势能之和，由此，他推出了普遍的里得伯公式对氢的表达式。慕尼黑的索末菲(ArnoldSommerfeld)在原子理论中迈出了重要一步，他引入了椭圆轨道及附加的量子化条件，从而能够把简单的玻尔模型加以推广，结果对更复杂的原子体系有了较好的理解。由于玻尔把量子概念引入他的原子理论，从而把他的研究直接与德国物理学家普朗克(Max-Plank)和爱因斯坦(alberEinstein)分别在1900年和1905年所做的工作联系起来，他们的研究工作已经表明，辐射和物质相互作用所涉及的能量交换是以有限的数量(或量子)进行的，这种过程无法用经典物理加以解释。另外，作为玻尔理论核心的两个假设，是理解前面所说的光谱辐射规律的关键。多年来，全世界各实验室中的物理学家，都一直为暴露于辐射之中的元素发射出分立波长的数据感到迷惑不解，以前曾经认为，这些表征某一元素的波长总会以某种形式与原子中电子运动的周期相联系。但玻尔的理论表明，这些波长事实上只相应于电子轨道间的跃迁，而与轨道本身没有关系。玻尔的这些假设显得有些武断，而且他的这种把经典物理和量子物理混在一起的做法也让人觉得不舒服。但是，这个理论在很大的范围内成功地解释了许多现象：如原子光谱的离散性，原子的核式结构等。非但如此，它还提供了关于原子行为的“图象”。诸如电子轨道、能级、轨道间的跃迁等概念，从心理上更符合我们这些习惯了以经典概念思考者的胃口。所以，“玻尔原子”无疑仍将作为用途最广的模型之一在量子物理学中保留下去。如果说普朗克的量子论揭开了量子世界帷幕的一角，那么玻尔的原子理论已打开了量子世界的第一重帷幕，人们可以由此“登堂入室”了。2．提出了互补原理（又称并协性原理）玻尔在量子力学上取得的另一伟大成就是他的互补原理。互补原理是玻尔为了协调量子力学与经典力学之间的矛盾而于1927年提出的，其目的是为了更好地理解和解释微观粒子的测不准原理。玻尔的互补原理含有多层含义：(1)两类经典概念互补，比如微观粒子既具有波动性又具有粒子性。但并非同时出现，不论注意现象的连续性或不连续性，我们总会丢掉一面，即二者是互斥的。(2)两种实验装置互补，微观粒子既相互排斥又相互补充的两种性质不可能在同一种实验装置和实验条件下观测，必须采取可以相互补充的实验安排，如电光效应实验只能观察微观粒子的粒子性，而在衍射实验的条件下可观测电子的波动性等。(3)时空描述和因果关系互补，类似于海森堡的测不准关系。(4)如果位置X完全确定，则动量P完全不确定或无意义，反之亦然，这就必须放弃因果描述和时空描述。海森伯的测不准原理和玻尔的并协性概念，构成了量子理论的物理诠释的进一步工作的基础，它们是后来众所周知的量子理论的哥本哈根诠释的两个主要支柱。3.创建了哥本哈根理论物理研究所（1965年改名为尼尔斯·玻尔研究所），并领导其工作多年。哥本哈根理论物理研究所是由玻尔于1921年3月倡导成立的，研究所成立的最初目的是重建被战争中断的国际性科学合作。它曾在量子理论尤其是量子力学方面的研究中作出了杰出的贡献，在玻尔的领导下，很快成为当时国际物理学的三大研究中心之一，被许多物理学家誉为“物理学界的朝拜圣地”和量子力学的诞生地。研究所积极倡导科学上的国际合作，一些世界著名的物理学家都曾在这里工作、学习或讲学、访问，其中在这里长期工作过的有荷兰的克喇末、匈牙利的赫维赛，做过较长时间停留的有德国的海森伯、瑞典的克莱因、挪威的罗瑟兰等，短期访问过的有德国物理学家帕邢和玻恩、泡利、索末菲，奥地利的薛定谔、英国人理查森、以及美国的斯莱特等等。几十年来，哥本哈根理论物理研究所培养了600多名外国学者，其中很多人成为世界著名的科学家，获得诺贝尔奖金的就有1O人以上。研究所已成了一所学校，成了培育世界各国物理实验室和研究所的未来指挥员的一个苗圃。玻尔不仅建立了一个中心，而且哺育它成长，对其他国家发展物理学研究产生了显著的影响。这一事实本身就是一个了不起的成就，足以与他对物理学发展的直接贡献的重要性相提并论。这个研究所之所以能取得如此辉煌的成就，主要原因是在玻尔领导下，这里形成了一种闻名于世的哥本哈根精神，以强调合作和不拘形式的气氛为其特征。这种精神在很大程度上打上了玻尔自己性格和人生观的烙印，这种精神的实质是“高度的智力追求，大胆的涉险精神，深奥的研究内容与快活的乐天主义的混合物”。正是这种优良的精神品德，使他们成功地建立了世界一流的理论物理学派一哥本哈根学派。这个学派坚持从实验事实出发建立理论，并以实验结果检验理论的正确性，因而找到了解决量子力学问题的正确途径，建立了矩阵力学，发现了测不准关系，提出了量子力学的统计解释，为现代物理学的革命建立了卓越功勋。哥本哈根学派的成就不仅在于自身的学术讨论结果，还在于他们同以爱因斯坦为代表的科学大师们的尖锐论战。由于在量子力学的物理诠释以及与之俱来的科学哲学问题上所持的观点不同，玻尔和爱因斯坦常常在学术问题上辩论和探讨，有时竞争得面红耳赤，互不相让。这种争论持续了3O年，极大地推进了人们对现代科学的理解。论战的结果还有待于物理学的进一步发展才能澄清，但这种不畏艰难，勇于坚持真理的精神就足以使玻尔和他的哥本哈根学派名载史册。[3]1965年，当玻尔8O岁诞辰时，人们决定将哥本哈根理论物理研究所改名为尼尔斯-玻尔研究所，以示后人对他的永久敬仰和怀念。丹麦物理学家尼尔斯·玻尔是20世纪最伟大的物理学家之一。在50多年的科学生涯中，他对现代物理学的发展所做的杰出贡献，是他成为科学史上堪与牛顿、爱因斯坦相并列的科学巨匠。玻尔的科学成就涵盖了原子和原子核物理以及量子理论的各个方面，他的科学智慧和人格魅力，不仅使他成为量子理论发展的领路人，也使他成为那个时代一大批最优秀的科学家的统帅。在他崇高的学术威望和人格魅力的感召下，20世纪二三十年代，大批来自世界各国的著名物理学家聚集丹麦的哥本哈根，在由他筹建的哥本哈根研究所内，开辟了现代物理学发展的新纪元。在玻尔的影响和带动下，哥本哈根研究所这个学术集体，不仅给科学界奉献了最杰出的科学思想和理论，而且还培植了团结、协作和和平、自由的学术氛围。这种被称之为“哥本哈根精神”的科学合作精神，成为科学合作的范例。[1]他对近代物理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、最伟大的物理学家与哲学家之一。参考文献：[1]颜振珏.物理学史新编.贵州科技出版社.2002.[2]亚伯拉罕-派斯(戈革译)．尼耳