主题：【原创翻译】《量子》----第一部·量子 -- 奔波儿

玻尔在11月初写给卢瑟福的信中说“我希望能在几周之内就完成论文”。卢瑟福读了信，察觉到他与日俱增的焦躁心情，于是回信说没有理由“如此急迫地发表文章”，因为这一方向上只有他一个人独行。随着时间一周周流逝，成功依旧遥不可及，玻尔的信心也在瓦解。玻尔明白，如果其他人对探索原子的奥秘并不热心，那么成功对自己来说只是一个时间问题。研究工作异常艰辛，玻尔在12月份向学校申请一个月的休假，并获得了批准。在玛格丽特的陪伴之下，玻尔找了一处偏僻的木屋，在那儿他要着手搜寻更多的线索。恰巧在圣诞节前，他在约翰·威廉·尼科尔森（John William Nicholsen：1881～1955）的工作中发现了一个。起初，他有些心惊胆颤，但他很快就意识到这位英国人不是出现在他的梦魇中的那位竞争对手。

玻尔是在他那次失败的剑桥之旅遇到了尼科尔森，但对他没有什么很深的印象。尼科尔森时年31岁，仅比玻尔年长几岁，他当时刚被任命为国王学院的数学教授，也正忙着构造自己的原子模型。按照他的认识，所有元素实际是由四种“主要原子（Primary Atoms）”组成的，而每种主要原子则是由一个原子核以及环绕它的数量不等的电子组成的。尽管按照卢瑟福的说法，尼科尔森弄了道口味糟糕的原子杂烩，但是玻尔又从中发现了第二个线索。这就是对稳态的物理解释，因为这将回答为什么电子仅沿特定轨道环绕原子核运行的问题。

沿直线运动的物体具有动量（Momentum），也就是质量与速度的乘积，而环行的物体则具有“角动量（Angular Momentum）”。如果沿环状轨道运行的电子的角动量为L，则其为电子质量乘以速度，再乘以轨道半径，即L=mvr。根据经典物理学，环行的电子或其它任意物体的角动量的大小是没有限制的。

当玻尔读到尼科尔森的文章时，他发现这位剑桥大学的前同事提出的环形电子的角动量的大小只能是h/2π的整数倍，其中，h是普朗克常数，而π就是大名鼎鼎的数学常数，即3.14.....。尼科尔森认为环形电子的角动量只能是h/2π，2(h/2π)，3(h/2π)，4(h/2π)，直至n(h/2π)，其中n为整数。这个线索就是玻尔解释稳定状态的关键所在，而他以前却与其失之交臂。电子运行的那些固定轨道所具有的角动量即为n与(h/2π)的乘积。当n=1，2，3，或者其它一些整数时，电子就能沿着相对应的轨道无休无止地绕行下去，且不释放任何辐射，这就是稳态。而所有其它那些轨道，则处于失定态（Non-Stationary States），属于严禁电子涉足的禁区。在原子内部，角动量也被量子化，它的大小只能是L=nh/2π，而不会是其它值。

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这就好比是一个站在梯子上的人，只能是站在梯阶上，而梯阶之间的位置是无法落脚的。因为在原子内部，电子轨道是量子化的，则电子所拥有的能量也同样是量子化的。氢原子只有一个电子，玻尔可以用经典物理学的理论去计算出它在不同轨道上的能量。这些轨道及其相应的电子能量就是原子的量子态，其能级为En。在这架原子的能量梯子的第一个梯阶，n=1，此时电子位于第一级轨道，也就是最底层的量子态。根据玻尔的模型，最低能级E1，被命名为“基态（Ground State）”，氢原子的E1=-13.6eV，其中电子伏特（eV）是原子级别的能量单位，而负号则说明电子是围绕在原子核周围。如果n=1，而电子却占据了其它轨道，则原子就处在所谓的“激发态（Excited State）”。n是一个整数，后来被命名为“主量子数（Principal Quantum Number）”，它决定了电子所处的一系列稳定状态以及相应的原子能级En。

玻尔计算了氢原子各个能级的数值大小，发现各级的能量等于底层态的能量除以n^2，即(E1/n^2)eV。接下来，n=2时，即第一激发态的能量大小则为-13.6/4=-3.40eV。最内层（n=1）的电子轨道的半径的大小，即氢原子在基态的大小可以相应计算出来。根据自己的模型，玻尔计算出这个数值为5.3纳米（nm），其中，一纳米（Nanometre）等于1米的十亿分之一，这个计算结果与当时的实验结果最为接近。他发现其它所有轨道的半径的增加值为n^2：如果当n=1时，半径为r；则n=2时，半径为4r；n=3时，半径为9r，依次递增。“我希望自己很快就能把论文寄给你，”玻尔在1913年1月31日寄给卢瑟福的信中写道，“可我花的时间比预计的要长得多；然而，在最后这一阶段，我感到自己取得了一些进展。”通过对环行电子的角动量进行量子化，玻尔使拥有原子核的原子稳定下来，从而能够解释为什么电子所运行的这些轨道的数目是一定的，以及为什么它们是稳定的。在给卢瑟福写信的那几天中，玻尔发现了第三个也是最后一个线索，而这一线索使他最终建成了他的量子原子模型。

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第四章·量子原子（4）

• 【原创】《量子》----第四章·量子原子（2）
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