下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
玻尔具有一种特别的天赋，这正是在此后10～15年中研究原子物理所需要的。他并不关心解释完整理论的所有细节，但是他更愿意将不同想法拼在一起形成一个至少是与观察到的真实原子相一致的理想“模型”。一旦他对要做的工作有个粗略想法，他就能将它们拼补起来形成一个更完善的图像。因此，他将原子视为小的太阳系，电子照着经典力学及电磁学规律做圆周运动。他还说电子不会因辐射旋转陷于坍入而离开其圆周轨道。因为电子只允许放出整块的能量——一整块的量子，而不是像经典理论所说的连续的辐射。电子的“稳定”轨道对应于某个特定大小的能量，每一个都是基本量子的整数倍，没有能量处于其间的轨道，因为这样的轨道的能量将是分数倍的。拿太阳系作比方有点合适，这就像是说地球绕太阳的轨道是稳定的，火星的轨道也是稳定的，在特定的轨道之间不存在其他轨道。
玻尔做的不应该是对的。整个轨道的想法依赖于经典物理；固定能量的电子态（后来称为能级）却来源于量子理论。将一点经典理论与一点量子理论拼在一起给出的原子模型并不能给出原子构成的深入认识，但它确实足够玻尔依其模型作出成就。后来发现这模型从哪个方面看都是不对的，但是它提供了向真正的原子的量子理论的一种过渡。不幸的是，由于它将量子与经典结合得极其优美以及原子作为小太阳系的图像直观明了，此模型不仅在刊物上，而且在中学乃至大学的教科书中都受到喜爱。如果你在中学学一些原子知识，我敢肯定你会学习玻尔的原子模型，不管在课堂上是否这样叫的。我要告诉你，你要忘记一切你所听到的，而且准备好被说服这不全是真理。你应该想办法忘记电子是绕原子核运动的“小行星”的想法，这也是玻尔最初的看法，它确实是误人的。一个电子就是简单地在核外，具有特定的能量及其他性质。我们将会看到，它以一种神秘的方式运行。
1913年，玻尔早期工作取得了胜利，那就是它成功地解释了最简单的原子——氢原子的光谱。光谱学可追溯到19世纪早期，那时威廉·沃拉斯顿（William Wollaston）发现了来自太阳的光谱中有一些黑线。但是直到玻尔的工作产生后光谱学才成为探索原子结构的工具。如同玻尔将经典与量子混在一起取得成就，爱因斯坦光量子也能解释光谱，可是在这之前，先让我们后退一步去看看光谱是如何工作的。在这类工作中，除了将光看作电磁波外没有任何意义。
据牛顿创立的学说，白光是由所有彩虹上的彩色光合在一起的，它们构成了光谱。每一种颜色对应特定的波长的光。用棱镜将白光分成七色光，我们就能将光谱展开以使不同频率的波落在屏幕或感光胶片的不同位置。短波的兰、紫光在光谱的这一头，长波长的红光则在光谱的另一头，在这两头的外面，光谱可以扩展到我们眼睛看不到的波长范围。对太阳光作这样的展开时，会发现光谱中特定位置处标着明显的黑线，它们对应着精确的频率位置。在还不知道这些黑线是怎么形成的时候，19世纪的研究者们，如约瑟夫·弗劳恩霍夫（Joseph Fraunhofer）、罗伯特·本生（其名用以命名标准实验室灯即本生灯）以及哥斯塔发·基尔霍夫（Gustav Kirchhoff）就在实验中证实了每种元素都形成各自的一套谱线。一种元素（如钠）在本生灯的火苗中加热时，会发出特定颜色的光（对应钠的是黄光），它来自强的光辐射，在光谱中呈一条或多条明线。当白光通过包含这种元素的流体或气体时（即使以一种化合物的形式存在时），在光谱中呈现出一条或几条吸引暗线，像来自太阳的光线一样，光谱暗线的特定频率标志着特定的元素。
这解释了太阳光谱中出现暗线的道理。它们肯定是太阳气层中的较冷的气团物质，在光线从很热的太阳表面发出后经过它们时吸收掉了特定频率的光。这套技术为化学家们鉴别化合物中所包含的元素提供了一种有用的方法。例如将普通的盐放入火中，火焰呈现出特有的钠黄光（这种颜色在今天也常见于钠黄色的街灯中）。在实验室中，用小金属丝蘸取待测的物质，然后放在本生灯上就能看到特别的光谱。每一种元素给出自己的特定谱线图，即使在光强及火焰温度有所变化时，谱线图是不变的。谱线的规律清楚地表明元素的原子仅发射和吸收特定频率的光，绝不越雷池一步。通过与火焰实验比较，光谱学家解释了太阳谱线中的大多数暗线。它们得以解释是因为地球上存在并知道这些元素。著名的倒过程是，英国天文学家诺曼·劳克耶（Norman Lockyer）（他创立了科学杂志《自然》）发现太阳光谱中一些谱线无法用已知元素作解释，说这一定是由一种原来不知道的元素组成的，他称之为氦。后来以另外方式在地球上找到了氦，发现其谱线恰好能补充太阳谱线中的几条暗线。
借助于光谱，天文学家可以探测到遥远星体及银河系是由什么东西构成的。而原子物理学家则可以用同一工具探索原子的内部结构。氢原子光谱极其简单。现在我们知道，这是由于氢是最简单的元素，氢原子包含一个带正电的质子及与之相对应的一个带负电的电子。提供氢原子“指纹”标志的谱线称为巴尔末线，这个名字来自约翰·巴尔末（Johann Balmer）。他是一位瑞士的中学教师，在1885年得出了描述氢原子谱线的一个公式，这年正巧是尼尔斯·玻尔出生的时候。巴尔末公式标志着氢原子的这条或那条谱线。从氢原子第一条谱线起，即光谱中的红光部分，巴尔末公式给出的另一条氢谱线是绿色的。从绿色谱线开始，将公式用上可得到下一条谱线在紫色区，以此类推 1 。巴尔末在推导他的公式时仅知道在可见光区的四条谱线，可是其他的谱线也被发现并被拟合出来了；当更多的氢原子谱线在紫外和红外被识别出来后，它们也符合这种简单的数字关系。很明显巴尔末公式说明了氢原子结构中有一些有意义的东西，可又是什么呢？
巴尔末公式在物理学家中已成为公认的常识，到玻尔开始他的工作时，也成了物理大学生的教课内容。可是这仅是复杂的光谱数据的一部分，而玻尔又不是光谱学家。当他开始解答氢原子结构之谜时，没有马上想到巴尔末的谱线序列很明显是解开这个迷的钥匙。可是当一个专长光谱学的同事给他指出巴尔末公式是那么的简单时（不管其他原子的是多么复杂），他马上看到了它的价值。此时，早在1913年，玻尔已经肯定答案存在于将普朗克常数h引入描述原子的公式中。卢瑟福原子仅包含两种基本数，电子的电荷e及粒子的质量m。无论怎么拼凑，你都不能得到一个具有从质量和能量组合在一起的长度量单位的量，因此，卢瑟福的模型不具有自然长度单位。但是一个作用量如h加入后就可以构造出以长度为量纲的数，大体上说它应反映出原子的尺寸来。表达式h 2 /me 2 具有尺寸单位，大小约为20×10 -8 厘米，它应符合散射实验及其他方面的研究。对玻尔来说，很明显h属于原子理论。巴尔末的级数给出了它的所在。
原子怎么会形成很清晰的谱线呢？通过吸收或发射精确频率v的能量，能量通过普朗克常数与频率关联着（E=hυ），如果原子中的电子发射出量子能量hυ，那么电子的能量变化必须精确地等于E。玻尔说绕原子核作“轨道”转动的电子会待在“轨道”上是因为它们不能连续地辐射能量，但是可以允许发射（或吸收）整个的量子能量——单个光子，电子从某一能级（图像的原本轨道）跳到另一能级。这似乎是简单的想法，实际上标志着经典思路的另一突破。这好像是火星从它的轨道上突然消失而又在地球轨道上突然出现，同时辐射到空间中一个能量脉冲（在这种情况下可能是引力辐射）。你马上看到在解释这种行为时，太阳系原子模型是多少的差劲，而将原子中的电子简单地视为处于不同态对应着不同的能级又是多么的好。
从能的某一态到另一态的跃迁是双向的，可跃向高能级，也可跃向低能级。如果一个原子吸收光，则光量子hv被用于将电子移向高能级（台阶上更上层的阶）；如果电子落回到原来的态，原子会辐射出同样的能量hv。巴尔末公式中神奇的常数36.456×10
-5
，可以由普朗克常数自然地表示出来。也就是说，玻尔以氢原子中的单电子允许的能级，测量到的谱线的频率，现在可解释为不同的能级间的能量差。
1 简单地讲氢原子光谱中前四个谱线可由分数9/5，16/12，25/21和36/32乘以一个常数得到（36.456×10 -5 ）在这个公式中每个分数的分子由平方数序列给出（3 2 ，4 2 ，5 2 ，6 2 ……）分母是平方数之差即3 2 -2 2 ，4 2 -2 2 等等。