【尼爾斯·玻爾】丹麥物理學(xué)家_人物百科

尼爾斯·亨利克·戴維·玻爾（丹麥文：Niels Henrik David Bohr，1885年10月7日—1962年11月18日），丹麥物理學(xué)家，哥本哈根大學(xué)碩士/博士，丹麥皇家科學(xué)院院士，曾獲丹麥皇家科學(xué)文學(xué)院金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)拢?guó)曼徹斯特大學(xué)和劍橋大學(xué)名譽(yù)博士學(xué)位，1922年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。玻爾通過(guò)引入量子化條件，提出了玻爾模型來(lái)解釋氫原子光譜；提出互補(bǔ)原理和哥本哈根詮釋來(lái)解釋量子力學(xué)，他還是哥本哈根學(xué)派的創(chuàng)始人，對(duì)二十世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展有深遠(yuǎn)的影響。

人物生平

1885年10月7日，玻爾生于哥本哈根，父親克里斯丁·玻爾是哥本哈根大學(xué)的生理學(xué)教授，母親出身于一個(gè)富有的猶太人家庭，從小受到良好的家庭教育。玻爾愛(ài)好足球，曾經(jīng)和弟弟哈那德·玻爾共同參加職業(yè)足球比賽。

1903年，18歲進(jìn)入哥本哈根大學(xué)數(shù)學(xué)和自然科學(xué)系，主修物理學(xué)。

1907年，玻爾以有關(guān)水的表面張力的論文獲得丹麥皇家科學(xué)文學(xué)院的金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)拢⑾群笥?909年和1911年分別以關(guān)于金屬電子論的論文獲得哥本哈根大學(xué)的科學(xué)碩士和哲學(xué)博士學(xué)位。隨后去英國(guó)學(xué)習(xí)，先在劍橋J．J．湯姆孫主持的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室，幾個(gè)月后轉(zhuǎn)赴曼徹斯特，參加了曼徹斯特大學(xué)以E．盧瑟福為首的科學(xué)集體，從此和盧瑟福建立了長(zhǎng)期的密切關(guān)系。

1912年，玻爾考察了金屬中的電子運(yùn)動(dòng)，并明確意識(shí)到經(jīng)典理論在闡明微觀現(xiàn)象方面的嚴(yán)重缺陷，贊賞普朗克和愛(ài)因斯坦在電磁理論方面引入的量子學(xué)說(shuō)。創(chuàng)造性地把普朗克的量子說(shuō)和盧瑟福的原子核概念結(jié)合了起來(lái)。

1913年初，玻爾任曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)教時(shí)，在朋友的建議下，開(kāi)始研究原子結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)光譜學(xué)資料的考察，寫(xiě)出了《論原子構(gòu)造和分子構(gòu)造》的長(zhǎng)篇論著，提出了量子不連續(xù)性，成功地解釋了氫原子和類氫原子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。提出了原子結(jié)構(gòu)的玻爾模型。按照這一模型電子環(huán)繞原子核作軌道運(yùn)動(dòng)，外層軌道比內(nèi)層軌道可以容納更多的電子；較外層軌道的電子數(shù)決定了元素的化學(xué)性質(zhì)。如果外層軌道的電子落入內(nèi)層軌道，將釋放出一個(gè)帶固定能量的光子。

1916年任哥本哈根大學(xué)物理學(xué)教授。

1917年當(dāng)選為丹麥皇家科學(xué)院院士。

1920年創(chuàng)建哥本哈根理論物理研究所并任所長(zhǎng)，在此后的四十年他一直擔(dān)任這一職務(wù)。

1921年，玻爾發(fā)表了《各元素的原子結(jié)構(gòu)及其物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)》的長(zhǎng)篇演講，闡述了光譜和原子結(jié)構(gòu)理論的新發(fā)展，詮釋了元素周期表的形成，對(duì)周期表中從氫開(kāi)始的各種元素的原子結(jié)構(gòu)作了說(shuō)明，同時(shí)對(duì)周期表上的第72號(hào)元素的性質(zhì)作了預(yù)言；

1922年，第72號(hào)元素鉿的發(fā)現(xiàn)證明了玻爾的理論，玻爾由于對(duì)于原子結(jié)構(gòu)理論的貢獻(xiàn)獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他所在的理論物理研究所也在二三十年代成為物理學(xué)研究的中心。

1923年，玻爾接受英國(guó)曼徹斯特大學(xué)和劍橋大學(xué)名譽(yù)博士學(xué)位。

1930年代中期，研究發(fā)現(xiàn)了許多中子誘發(fā)的核反應(yīng)。玻爾提出了原子核的液滴模型，很好地解釋了重核的裂變。

玻爾認(rèn)識(shí)到他的理論并不是一個(gè)完整的理論體系，還只是經(jīng)典理論和量子理論的混合。他的目標(biāo)是建立一個(gè)能夠描述微觀尺度的量子過(guò)程的基本力學(xué)。為此，玻爾提出了著名的“互補(bǔ)原理”，即宏觀與微觀理論，以及不同領(lǐng)域相似問(wèn)題之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。互補(bǔ)原理指出經(jīng)典理論是量子理論的極限近似，而且按照互補(bǔ)原理指出的方向，可以由舊理論推導(dǎo)出新理論。這在后來(lái)量子力學(xué)的建立發(fā)展過(guò)程中得到了充分的驗(yàn)證。玻爾的學(xué)生海森堡在互補(bǔ)原理的指導(dǎo)下，尋求與經(jīng)典力學(xué)相對(duì)應(yīng)的量子力學(xué)的各種具體對(duì)應(yīng)關(guān)系和對(duì)應(yīng)量，由此建立了矩陣力學(xué)。互補(bǔ)理論在狄拉克、薛定諤發(fā)展波動(dòng)力學(xué)和量子力學(xué)的過(guò)程中起到了指導(dǎo)作用。

在對(duì)于量子力學(xué)的解釋上，玻爾等人提出了哥本哈根詮釋，但遭到了堅(jiān)持決定論的愛(ài)因斯坦及薛定諤等人的反對(duì)。從此玻爾與愛(ài)因斯坦開(kāi)始了玻爾-愛(ài)因斯坦論戰(zhàn)，最有名的一次爭(zhēng)論發(fā)生在第六次索爾維會(huì)議上，愛(ài)因斯坦提出了后來(lái)知名為愛(ài)因斯坦光盒的問(wèn)題，以求駁倒不確定性原理。玻爾當(dāng)時(shí)無(wú)言以對(duì)，但冥思一晚之后發(fā)現(xiàn)巧妙的進(jìn)行了反駁，使得愛(ài)因斯坦只得承認(rèn)不確定性原理是自洽的。 這一爭(zhēng)論一直持續(xù)至愛(ài)因斯坦去世。

1937年5、6月間，玻爾曾經(jīng)到過(guò)中國(guó)訪問(wèn)和講學(xué)。期間，玻爾和束星北等中國(guó)學(xué)者有過(guò)深度學(xué)術(shù)交流，玻爾稱束星北是愛(ài)因斯坦一樣的大師。束星北的文章《引力與電磁合論》《愛(ài)因斯坦引力理論的非靜力場(chǎng)解》是相對(duì)論早期的重要論述。

1939年，玻爾任丹麥皇家科學(xué)院院長(zhǎng)。第二次世界大戰(zhàn)開(kāi)始，丹麥被德國(guó)法西斯占領(lǐng)。1943年玻爾為躲避納粹的迫害，逃往瑞典。

1944年，玻爾在美國(guó)參加了和原子彈有關(guān)的理論研究。

1945年，玻爾回到丹麥，此后致力于推動(dòng)原子能的和平利用。

1947年，丹麥政府為了表彰玻爾的功績(jī)，封他為“騎象勛爵”。

1952年，玻爾倡議建立歐洲原子核研究中心(CERN)，并且自任主席。

1955年，玻爾參加創(chuàng)建北歐理論原子物理學(xué)研究所，擔(dān)任管委會(huì)主任。同年丹麥成立原子能委員會(huì)，玻爾被任命為主席。

1962年11月18日，玻爾因心臟病突發(fā)在丹麥的卡爾斯堡寓所逝世，享年77歲。去世前一天，他還在工作室的黑板上畫(huà)了當(dāng)年愛(ài)因斯坦那個(gè)光子盒的草圖。

1965年玻爾去世三周年時(shí)，哥本哈根大學(xué)物理研究所被命名為尼爾斯·玻爾研究所。1997年IUPAC正式通過(guò)將第107號(hào)元素命名為Bohrium，以紀(jì)念玻爾。

其子奧格·尼爾斯·玻爾也是物理學(xué)家，于1975年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

主要成就

科研成就

原子輻射理論

1922年，玻爾因?qū)ρ芯吭拥慕Y(jié)構(gòu)和原子的輻射所做得重大貢獻(xiàn)而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。為此，整個(gè)丹麥都沉浸在喜悅之中，舉國(guó)上下都為之慶賀，玻爾成了最著名的丹麥公民。為了支持正義與和平，玻爾將自己的諾貝爾金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)戮杞o了芬蘭戰(zhàn)爭(zhēng)。后來(lái)，人們又為他募集黃金重鑄了一枚，永遠(yuǎn)陳列在丹麥博物館里。

1924年6月，玻爾被英國(guó)劍橋大學(xué)和曼徹斯特大學(xué)授予科學(xué)博士名譽(yù)學(xué)位，劍橋哲學(xué)學(xué)會(huì)接受他為正式會(huì)員，12月又被選為俄羅斯科學(xué)院的外國(guó)通訊院士。

1927年初，海森堡、玻爾、約爾丹、薛定諤、狄拉克等成功地創(chuàng)立了原子內(nèi)部過(guò)程的全新理論量子力學(xué)，玻爾對(duì)量子力學(xué)的創(chuàng)立起了巨大的促進(jìn)作用。　1927年9月，玻爾首次提出了"互補(bǔ)原理"，奠定了哥本哈根學(xué)派對(duì)量子力學(xué)解釋的基礎(chǔ)，并從此開(kāi)始了與愛(ài)因斯坦持續(xù)多年的關(guān)于量子力學(xué)意義的論戰(zhàn)。愛(ài)因斯坦提出一個(gè)又一個(gè)的想像實(shí)驗(yàn)，力求證明新理論的矛盾和錯(cuò)誤，但玻爾每次都巧妙地反駁了愛(ài)因斯坦的反對(duì)意見(jiàn)。這場(chǎng)長(zhǎng)期的論戰(zhàn)從許多方面促進(jìn)了玻爾觀點(diǎn)的完善，使他在以后對(duì)互補(bǔ)原理的研究中，不僅運(yùn)用到物理學(xué)，而且運(yùn)用到其他學(xué)科。

1933年，希特勒奪取了政權(quán)，德國(guó)成了法西斯國(guó)家，這對(duì)于丹麥來(lái)說(shuō)是一個(gè)危險(xiǎn)的鄰邦。玻爾不是一個(gè)對(duì)什么都不關(guān)心的人，他既關(guān)心政治時(shí)事、國(guó)家生活，也關(guān)心國(guó)際事件。他對(duì)當(dāng)時(shí)法西斯政權(quán)實(shí)行的種族迫害和政治迫害深感憂愁和憤怒，積極創(chuàng)立和參加了丹麥救援移民委員會(huì)，對(duì)從德國(guó)逃難到哥本哈根的科學(xué)家及其他難民，給予了盡力的支持相幫助。

1940年4月，德國(guó)侵占了丹麥，丹麥政府宣布投降。美國(guó)、英國(guó)等許多國(guó)家的大學(xué)打電報(bào)給玻爾，邀請(qǐng)玻爾全家到他們那里去避難和工作。玻爾非常不安，友好的關(guān)心和對(duì)自己命運(yùn)的焦慮打動(dòng)著他的心。但是，這一切都沒(méi)能動(dòng)搖他留在自己的崗位哥本哈根理論物理研究所的決心。

玻爾相信，這一切都是暫時(shí)的，不久都會(huì)過(guò)去。因此，不應(yīng)該陷入苦悶，要堅(jiān)持下去繼續(xù)工作，抵抗侵略者，為共同的斗爭(zhēng)做出貢獻(xiàn)。在以后的一段時(shí)間里，玻爾日見(jiàn)消瘦，然而他卻勇敢地和毫不妥協(xié)地堅(jiān)持著。玻爾不隱瞞自己的好惡愛(ài)憎，拒絕與侵略者合作并不與支持侵略者的人來(lái)往。

1943年9月，希特勒政權(quán)準(zhǔn)備逮捕玻爾，為了避免遭到迫害，玻爾在反抗運(yùn)動(dòng)參加者的幫助下冒著極大的危險(xiǎn)逃到了瑞典。在瑞典，他幫助安排了幾乎所有的丹麥籍猶太人逃出了希特勒毒氣室的虎口。過(guò)了不久，林德曼來(lái)電報(bào)邀請(qǐng)玻爾到英國(guó)工作，玻爾在乘坐一架小型飛機(jī)飛往英國(guó)的途中幾乎因缺氧而喪生。在英國(guó)待了兩個(gè)月后，根據(jù)美國(guó)總統(tǒng)羅斯福和英國(guó)首相丘吉爾簽署的魁北克協(xié)議，美國(guó)和英國(guó)物理學(xué)家應(yīng)密切合作共同工作。于是玻爾被任命為英國(guó)的顧問(wèn)與查德威克等一批英國(guó)原子物理學(xué)家遠(yuǎn)涉重洋去了美國(guó)，參加了制造原子彈的曼哈頓計(jì)劃。玻爾由于擔(dān)心德國(guó)率先造出原子彈，給世界造成更大的威脅，所以也和愛(ài)因斯坦一樣，以科學(xué)顧問(wèn)的身分積極推動(dòng)了原子彈的研制工作。

但他堅(jiān)決反對(duì)在對(duì)日戰(zhàn)爭(zhēng)中使用原子彈，也堅(jiān)決反對(duì)在今后的戰(zhàn)爭(zhēng)中使用原子彈，始終堅(jiān)持和平利用原子能的觀點(diǎn)。他積極與美國(guó)和英國(guó)的國(guó)務(wù)活動(dòng)家取得聯(lián)系，參加了禁止核實(shí)驗(yàn)，爭(zhēng)取和平、民主和各民族團(tuán)結(jié)的斗爭(zhēng)。對(duì)于原子彈給日本造成的巨大損失，他感到非常內(nèi)疚，并為此發(fā)表了《科學(xué)與文明》和《文明的召喚》兩篇文章，呼吁各國(guó)科學(xué)家加強(qiáng)合作，和平利用原子能，對(duì)那些可能威脅世界安全的任何步驟進(jìn)行國(guó)際監(jiān)督，為各民族今后無(wú)憂無(wú)慮地發(fā)展自己的科學(xué)文化而斗爭(zhēng)。

玻爾原子模型

玻爾于1913年在原子結(jié)構(gòu)問(wèn)題上邁出了革命性的一步，提出了定態(tài)假設(shè)和頻率法則，從而奠定了這一研究方向的基礎(chǔ)。玻爾指出：

在原子系統(tǒng)的設(shè)想的狀態(tài)中存在著所謂的"穩(wěn)定態(tài)"。在這些狀態(tài)中，粒子的運(yùn)動(dòng)雖然在很大程度上遵守經(jīng)典力學(xué)規(guī)律，但這些狀態(tài)穩(wěn)定性不能用經(jīng)典力學(xué)來(lái)解釋，原子系統(tǒng)的每個(gè)變化只能從一個(gè)穩(wěn)定態(tài)完全躍遷到另一個(gè)穩(wěn)定態(tài)。

與電磁理論相反，穩(wěn)定原子不會(huì)發(fā)生電磁輻射，只有在兩個(gè)定態(tài)之間躍遷才會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。輻射的特性相當(dāng)于以恒定頻率作諧振動(dòng)的帶電粒子按經(jīng)典規(guī)律產(chǎn)生的輻射，但頻率u與原子的運(yùn)動(dòng)并不是單一關(guān)系，而是由下面的關(guān)系來(lái)決定 h = E'-E"。這就是玻爾原子模型。