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  • 玻尔

    尼尔斯·亨利·戴维·玻尔(Niels Henrik David Bohr,1885年10月7日 --- 1962年11月18日),丹麦物理学家,原子结构学说之父。他通过引入量子化条件,提出了氢原子模型来解释氢原子光谱,提出互补原理和哥本哈根诠释来解释量子力学,对二十世纪物理学的发展有深远的影响。

    编辑摘要
    词云

    基本信息 编辑信息模块

    中文名: 尼尔斯·亨利克·大卫·玻尔 英文名: Niels Henrik David Bohr
    别名: 玻尔 出生地: 哥本哈根
    民族: 犹太人 国籍: 丹麦
    星座: 天秤座 去世日期: 1962年11月18日
    职业: 科学 物理学家 政治 思想家 毕业院校: 哥本哈根大学数学和自然科学系
    代表作品: 原子结构理论;创立互补原理;玻尔理论 籍贯: 丹麦

    目录

    简介/玻尔 编辑

    玻尔玻尔

    玻尔(1885-1962),全名:尼尔斯·亨瑞克·戴维·玻尔(Niels Henrik David Bohr),丹麦人,是原子物理学的奠基人。他在研究量子运动时,提出了一整套新观点,建立了原子的量子论,首次打开了人类认识原子结构的大门,为近代物理研究开辟了道路。近代物理学大厦的基础-量子力学,是以玻尔为领袖的一代杰出物理学家集体才华的结晶。1922年诺贝尔物理学奖获得者。他是一位卓越的科学研究工作的领导和组织者,1921年创建了哥本哈根理论物理研究所,并逐渐在物理学界形成了举世闻名的“哥本哈根学派”。玻尔还是一位杰出的人道主义者和社会活动家,当法西斯注意在欧洲横行的时候,他曾帮助一大批德国意大利学者免遭迫害。第二次世界大战中,为了反对法西斯,他参加研制原子弹。战后,他又是呼吁和平利用原子能的知名人士。

    生平/玻尔 编辑

    尼尔斯·玻尔,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”。

    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。  [1]

    科学成就/玻尔 编辑

    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。

    1.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。

    1914年玻尔再一次修改卢瑟福的原子模型。这是原子模型的又一次发展。他所提的原子模型,至今还在使用。

    当时已经知道,当原子受热时会发射出一些能量固定的辐射(光谱)。但没一个人能解析这种现象。玻尔修改卢瑟福的原子模型去解析它。玻尔所提的原子模型要点如下:(1)原子核位于原子的中心。(2)电子绕原子核不停地做轨道运动。这是稳定态,原子不会辐射出能量(但具有一定能量)。(3)当一个电子从某一轨道(状态)转移到另一轨道(状态)时,这个电子就会损失或获得能量(吸收或辐射)(4)原子光谱的每一根谱线都与某一电子从某一状态移到另一状态有关。根据玻尔的原子模型就可以解析原子受热时所发射的光谱现象。这就是玻尔的原子模型。

    2.创建著名的“哥本哈根学派”

    玻尔1929年哥本哈根会议

    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。

    3.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。

    4.在原子核物理方面的成就

    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。

    L.迈特纳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。

    趣闻轶事/玻尔 编辑

    1.“不怕承认自己是傻瓜”

    玻尔玻尔和海森伯

    玻尔是量子力学中著名的哥本哈根学派的领袖,他以自己的崇高威望在他周围吸引了国内外一大批杰出的物理学家,创建了哥本哈根学派。他们不仅创建了量子力学的基础理论,并给予合理的解释,使量子力学得到许多新应用,如原子辐射、化学键、晶体结构、金属态等。更难能可贵的是,玻尔与他的同事在创建与发展科学的同时,还创造了“哥本哈根精神”——这是一种独特的、浓厚的、平等自由地讨论和相互紧密地合作的学术气氛。直到今天,很多人还说“哥本哈根精神”在国际物理学界是独一无二的。曾经有人问玻尔:“你是怎么把那么多有才华的青年人团结在身边的?”他回答说:“因为我不怕在年青人面前承认自己知识的不足,不怕承认自己是傻瓜。”实际上,人们对原子物理的理解,即对所谓原子系统量子理论的理解,始于本世纪初,完成于20年代,然而“从开始到结束,玻尔那种充满着高度创造性,锐敏和带有批判性的精神,始终指引着他的事业的方向,使之深入,直到最后完成。”

    爱因斯坦与玻尔围绕关于量子力学理论基础的解释问题,开展了长期而剧烈的争论,但他们始终是一对相互尊敬的好朋友。玻尔高度评价这种争论,认为它是自己“许多新思想产生的源泉”,而爱因斯坦则高度称赞玻尔:

    “作为一位科学思想家,玻尔所以有这么惊人的吸引力,在于他具有大胆和谨慎这两种品质的难得融合;很少有谁对隐秘的事物具有这一种直觉的理解力,同时又兼有这样强有力的批判能力。他不但具有关于细节的全部知识,而且还始终坚定地注视着基本原理。他无疑是我们时代科学领域中最伟大的发现者之一。”

    2.玻尔与爱因斯坦真挚的诤友

    玻尔左为玻尔,右为爱因斯坦

    玻尔和爱因斯坦是在1920年相识的。那一年,年轻的玻尔第一次到柏林讲学,和爱因斯坦结下了长达35年的友谊。但也就是在他们初次见面之后,两人即在认识上发生分岐,随之展开了终身论战。他们只要见面,就会唇枪舌剑,辩论不已。1946年,玻尔为纪念爱因斯坦70寿辰文集撰写文章。当文集出版时,爱因斯坦则在文集末尾撰写了长篇《答词》,尖锐反驳玻尔等人的观点。他们的论战长达30年之久,直至爱因斯坦去世。但是,长期论战丝毫不影响他们深厚的情谊,他们一直互相关心,互相尊重。爱因斯坦本来早该获得诺贝尔奖,但由于当时有不少人对相对论持有偏见,直到1922年秋才回避相对论的争论,授予他上年度诺贝尔物理奖,并决定把本年度的诺贝尔物理奖授予玻尔。这两项决定破例同时发表。爱因斯坦当时正赴日本,在途经上海时接到了授奖通知。而玻尔对爱因斯坦长期未能获得诺贝尔奖深感不安,怕自己在爱因斯坦之前获奖。因此,当玻尔得知这一消息后非常高兴。立即写信给旅途中的爱因斯坦。玻尔非常谦虚,他在信中表示,自己之所以能取得一些成绩,是因为爱因斯坦作出了奠基性的贡献。因此,爱因斯坦能在他之前获得诺贝尔奖,他觉得这是“莫大的幸福”。爱因斯坦在接到玻尔的信后,当即回了信。信中说:“我在日本启程之前不久收到了您热情的来信。我可以毫不夸张地说,它象诺贝尔奖一样,使我感到快乐。您担心在我之前获得这项奖金。您的这种担心我觉得特别可爱——它显示了玻尔的本色。”

    3.玻尔喜欢不怕他的费曼

    当费曼还在美国LosAlamos实验室工作时,职位很低。第二次世界大战期间,这个实验室研究设计并制造了原子弹,所以有不少重要的物理学家都来过这里。一天,玻尔与他的儿子小玻尔(当时他们的名字分别叫尼古拉·贝克和吉姆·贝克)也来了。即使是对于该实验室的大头头们,玻尔也是个神,每个人都想一睹玻尔的风采。与玻尔聚会讨论的会议开始了,人到了很多,费曼坐在一个角落里,只能从前面二个人的脑袋之间看到玻尔,……
    举行下一次会议的那天早晨,费曼接到一个电话,
    “喂,是费曼么?”
    “是的。”——
    “我是吉姆·贝克,我父亲与我想找你谈谈。”
    “我吗?我是费曼,我只是个(小伙计)……”
    “是找你,8点钟见面行吗?”
    到了8点,费曼与玻尔父子在办公室相见。玻尔说:“我们一直在想怎样能使炸弹更有威力,想法是这样的……”
    费曼说:“不行,这个想法不行,不有效……”
    “那么换一个办法如何呢?”
    “那要好一些,但这里也有愚蠢之处。”
    他们讨论了约二个小时,对于各种想法反复推敲着、争论着。玻尔不断地点燃着烟斗,因为它老是灭掉。
    最后玻尔边点燃烟斗边说:“我想现在我们应该把大头头们叫来讨论了。”
    小玻尔后来对费曼解释,上一次开会时,他父亲对他说:“记住那个坐在后面的小伙子的名字了么?他是这里唯一不怕我的人,只有他才会指出我的想法是否疯了。所以下次我们讨论想法时,将不与那些只会说‘是的,玻尔先生,这一切都行得通’的人讨论。把那个小家伙叫来,我们先跟他讨论。”
    费曼于是恍然大悟,为什么玻尔单打电话叫他。     

    4.玻尔与物理考试 

    关于一个天才拒绝直线式思维方式的搞笑故事。几十年前丹麦哥本哈根大学出了一道物理考试题,这个简单的问题是:“描述如何用气压计确定摩天大楼的高度”。一位学生回答道:“你拴一根长绳到气压计的颈部,然后,把气压计从摩天楼的楼顶上往下放,直到接触地面。绳子的长度加上气压计的长度,就等于该摩天大楼的高度。” 这个高度原创的答案激怒了主考官,结果该学生考试不及格。该学生后来向校方上诉,理由是他的答案无可争议是正确的,于是学校任命了一个独立仲裁员来调查的这件事。仲裁认为答案确实是正确的,但没有体现出任何明显的物理学知识。为了解决这个问题,有关方面决定找到该学生,并让他六分钟内提供一个口头答复,要求至少体现出最低限度对物理学基本原理的熟悉程度。
    五分钟过去了,学生坐着,一言不发,皱着前额沉浸在思考中。仲裁员提醒他说,时间不多了,而学生回答他想到过过几个非常相关的答案,但并不能确定用哪一个。
    在催促下,学生回答如下:“首先,你可以把气压计带到摩天大楼的屋顶,沿着屋沿往下扔,并记下到达地面所花费的时间。楼的高度可以通过公式H = 0.5g t2得出。但气压计只好报废了。”“或者,如果天气晴朗,你可以测量气压计的高度,然后把它立于地面,再测量它的影子的长度。然后测量摩天大楼影子的长度,之后就很简单了,按比例计算出摩天大楼的高度就可以了。”“但如果你想要高度科学性的话,你可以拴一根短绳到气压计上,让它像一个钟摆一样摇摆,首先在地面摇摆,然后在摩天大楼的屋顶上摇摆。高度可以从重力回复力T = 2 pi (l / g)1/2的差值算出。”
    “或者如果摩天大楼有外置的紧急楼梯,那就更容易了,沿楼梯从下往上走,以气压计长度为单位标注摩天大楼有多少个气压计长度,然后再把这些数值加和起来。”
    “如果仅仅要一个乏味的正统答案,当然,你可以利用气压计分别测量摩天大厦楼顶的空气压力和地面的空气压力,将气压差毫巴数转化为英尺,就是该大厦的高度。”
    “但由于我们不断被告诫要独立思考和运用科学方法,毫无疑问,最好的办法就是先敲看门人的大门,并告诉他,如果你想要个又好又新的气压计,那么告诉我这座摩天大楼的高度就送给你。”
    该同学就是尼尔斯·玻尔。 

    所获奖项/玻尔 编辑

    研究论文获得丹麦科学院的金奖章

    1922年获诺贝尔物理学奖。

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    参考资料
    [1]^引用日期:2011-11-26
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