1995 年夏天,全世界华人物理和天文学会在汕头 举行第一次大会。会上世界各地学者聚集,包含四位华人诺贝尔奖获得者,杨振宁、李政道、丁肇中、李远哲,和中国科学院院长周光召,盛况空前。会议开端前,李政道先生叙述了一段不为人知的关于量子力学前史的故事,让我恍然大悟。
当李先生还在普林斯顿高级研究所时的某一日, 玻尔到访。李政道和玻尔共进午餐时,李问玻尔, 为何需求那么久才发现解说氢原子光谱的玻尔模型?
量子概念是普朗克于 1900 年为了解说黑体辐射 光谱而提出的。 1905 年,爱因斯坦使用它创造性的 提出用光子来解说光电效应。但直到 1913 年,玻尔 的原子模型才面世,成功地解说了氢原子的光谱。 此刻间隔量子的提出,现已过了 13 年,为什么需求 的时刻如此持久?这便是李先生的问题。 玻尔的答案,有点出人意料,是大部分人都不 知道的。我问过几位物理长辈,如 Norman Ramsey , Louis Michel , J. David Jackson 等,他们都没有传闻 过这件事,所以我以为这是一个不为人知、十分值 得保存的前史档案。
要听到一个沉重的鼓声,一定要一面大鼓,因 为鼓面振动的波长不能大于它的直径。其他的经典 波也类似,波长不能比波源大。在 1913 年曾经,人 们现已知道氢的光谱包含可见光,波长是几百纳米。 氢原子的巨细也知道,是二十分之一纳米。波长比 原子大了几千、一万倍,氢光谱当然不能从单一的 原子宣布,只能是由不计其数个氢原子发生的一种 团体效应。这便是怎么回事玻尔说,其时没有人会想 到氢光谱是从一个原子宣布的。
玻尔的才智是,他认识到量子效应能给出另 外一种机制。氢光谱不由一般振动发生,所以光源 不一定要比波长大。有了量子效应,就算氢原子那 么小的东西,也可能是氢光谱的光源。不管新机制 是什么,假如光源确实仅仅一个原子,那么就必须 先回答一个难题:仅有能够用上的参阅长度是氢原 子的巨细,它比波长小了几千到一万倍,这个扩大 机制是什么?
把频率变成能量, 然后解说了光电效应。玻尔使用,光速c,和电子质量m造出一个根本长度,rmc。但这个根本长度r很小,只要 3.86×10 -4 nm ,比原子还小得多,但 氢谱的波长确实是由这个根本长度通过两次扩大而 发生。玻尔其时也认识到,从电子的电荷ec,能够造出一个缩小因子= e2 /ħc=1/137 。把r扩大 1/倍后,得到氢原子的巨细 0.053 nm ,解说了原子巨细的来历。再扩大 1/倍,变成 7.25 nm ,这便是 光谱波长的根本来历。尽管它比氢光谱的波长还小 几十倍,但玻尔模型内呈现的其他因子,如 4π 之类, 最终会给出氢谱的精确波长。这便是玻尔想出来的 新机制,与全体振动无关。没有量子,没有,这个 机制是肯定行不通的。
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