祝玻爾原子 100 歲生日快樂！

想像一個原子，你可能會想像球形電子繞著充滿中子等粒子的原子核運行。只有某些軌道——量子水平——是可能的。這是一個簡單化的模型，但卻提供了對原子和化學性質的深入了解，今年是丹麥物理學家尼爾斯·玻爾首次提出該模型 100 週年。

物質由不可分割的單位組成的觀念可以追溯到印度和希臘哲學家。後者之一德謨克利特使用了術語“atomos”，意思是“不可分割的”。然而，頗具影響力的亞里斯多德認為這些觀念是不正確的，而是支持由四種元素組成的物質理論：火、水、土和空氣。儘管今天看來有些奇怪，但這理論卻盛行起來，甚至阻礙了科學進步。

直到 1803 年左右，英國化學家兼物理學家約翰·道爾頓 (John Dalton) 才提出了第一個有用的物質原子理論。他提出所有物質都是由原子組成的，原子之間的元素不同，雖然可以在化學反應中產生化合物，但不能被製造或破壞。

梅子佈丁模式很快就被取代

近一個世紀後，另一位英國人——物理學家約瑟夫·湯姆森——透過陰極射線實驗發現了電子。這導致他提出原子是由電子（或他所說的微粒）組成的，嵌入一個均勻正電荷的球體中。他的想法被稱為“李子佈丁模型”，其中的電子就像流行布丁中的李子。

在停滯了這麼長時間之後，原子理論現在正迅速發展，就在1904 年湯姆森發表他的模型五年後，該理論就被一位出生於新西蘭的科學家主持的實驗推翻了，這位科學家被稱為核能之父。

該實驗涉及向金箔發射帶正電的阿爾法粒子，並觀察它們去了哪裡。根據李子佈丁模型，大多數應該基本上是筆直通過，最多偏轉幾度。但在實踐中，雖然大多數粒子確實直線傳播，但只有極少數粒子以大角度偏轉，有時幾乎會沿著它們來時的方向彈回。

對盧瑟福來說，這個結果「是我一生中發生過的最令人難以置信的事件。這簡直令人難以置信，就好像你向一張薄紙發射一枚 15 英寸砲彈，而它卻反彈回來擊中你。他得出的結論是，每個原子大部分都是空的，有一個微小但密集的“中心電荷”，後來被稱為原子核。

玻爾將量子理論應用於原子

尼爾斯·玻爾獲得丹麥哥本哈根大學物理學博士學位，並獲得海外留學獎學金。由於他專注於金屬中的電子，因此他加入了湯姆森在英國劍橋的研究小組。玻爾期待與湯姆森會面並討論他的理論中的一些明顯錯誤，但據報道發現他對此類討論不感興趣。很快，玻爾轉而在英國曼徹斯特與盧瑟福一起度過了短暫的時光。

基於金箔實驗，盧瑟福提出原子就像微型太陽系，電子繞著原子核旋轉。但這並不符合經典理論，根據經典理論，帶電電子應該會不斷輻射能量並最終螺旋進入原子核。

回到丹麥後，玻爾開始研究理論，包括探索原子結構是否可以用最近引入的量子理論來解釋。德國物理學家馬克斯·普朗克在研究輻射熱的材料時發現，能量總是以離散單位形式存在，他稱之為量子。

1913 年初，一位同事讓玻爾注意到巴爾默級數，這是一個眾所周知但無法解釋的公式，描述了氫原子發出的光譜中一系列波長的光。對玻爾來說，很明顯這個公式與他的新原子理論相符。

玻爾假設電子可以遵循圍繞氫核的某些穩定軌道，並且在這些軌道中電子不會釋放能量。它也可能從較高的水平下降到較低的水平，並且在轉變過程中釋放能量。他提出了一個與巴爾默系列完全一致的公式。

2013 年，玻爾發表了三篇論文，其中包括他的新原子模型。他還有更宏偉的目標，指出“給出了元素原子構成和化學組合分子形成理論的輪廓”，但事實證明，即使是他的原子也很難讓任何人接受。

理論很難理解——但它確實有效！

儘管盧瑟福思想開放，但他認為該理論“很難形成物理概念”，並表示一個嚴重的困難在於，它意味著電子在從一種靜止狀態轉變為另一種靜止狀態時知道自己要去哪裡。

但不可忽視的事實是，玻爾的理論適用於巴爾默級數，甚至解釋了氦光譜中出現了一組神秘的伴隨線。梅子佈丁的想法已經消失了；量子理論已成為原子研究不可或缺的一部分。

玻爾出版三部曲時年僅 27 歲，成為傑出的科學家，獲得了諾貝爾物理學獎，並在量子理論發展前沿的知名人士中享有盛名。在一次會議上，德國天才阿爾伯特愛因斯坦評論道：“上帝不會擲骰子”，因為他不喜歡物理學中現在固有的不確定性。玻爾回答說：「愛因斯坦，別再告訴上帝該做什麼了」。

但玻爾和愛因斯坦是共同的崇拜者，愛因斯坦在自傳中回憶說，玻爾的原子理論「對我來說就像一個奇蹟」。

原子模型迅速發展，玻爾認識到圓形軌道的想法是不正確的，後來描述了電子分佈機率的複雜方程式——僅與軌道大致對應。這些模型使得形成原子的物理概念變得非常非常困難。

如果你發現這些概念有點令人困惑，尤其是在周日，你可能會從玻爾的一句話中得到安慰：「如果有人說他可以思考量子理論而不感到頭暈，那隻能表明他還沒有理解第一個量子理論。