Title: 尼尔斯·玻尔 (Niels Bohr)
Section: 二战前的工作
Subsection: 玻尔模型

20世紀初期，關於原子及分子模型构造的理论研究绝大部分是在英格兰完成的。1911年，玻尔獲得了卡爾斯伯格基金會的獎學金，成為剑桥大学卡文迪许实验室博士後，跟隨实验室主任约瑟夫·汤姆孙进行研究。按照湯氏的建議，玻爾做了一些有关阴极射线的研究，但並未獲得實質結果。玻爾熟讀湯姆孙的著作，知道其計算在某處有瑕疵，並當面毫不諱言地指出了這些瑕疵。汤姆孙在物理学方面造诣颇深，并且在教育后进方面也是相当热忱，但忙于实验室的种种事务，因而无暇顾及玻爾的工作。而卡文迪许实验室一些看来较有突破性的研究計劃對於玻爾而言並不是那么有吸引力。1911年底，玻爾在曼彻斯特拜訪父親的友人時，遇到曼彻斯特维多利亚大学教授欧内斯特·卢瑟福。曼彻斯特维多利亚大学的物理系当时在諾貝爾獎得主卢瑟福的努力經營下已成為全世界一流的放射現象研究實驗中心。卢瑟福在那年年中提出了原子結構的卢瑟福模型，这一模型與汤姆孙1904年提出的梅子布丁模型相比有较大的改进。玻爾透露很想去曼彻斯特维多利亚大学做博士后研究放射現象，卢瑟福表示歡迎，但需要獲得汤姆孙的首肯。經過一系列程序後，玻爾於翌年年初轉到曼彻斯特维多利亚大学做博士后研究。在那裏，他结识了乔治·德海韦西以及被他稱為“真正的达尔文子孙”的查尔斯·高尔顿·达尔文。1912年8月，玻尔与玛格丽特·内隆德在丹麦完婚。婚礼仪式后，二人环游英格兰和苏格兰度蜜月。回国后，玻尔受聘为哥本哈根大学的无俸讲师，讲授热力学。1913年7月，在马丁·克努森的引荐下，玻尔擢升为讲师。玻尔从那时开始負責給医学生講授物理。同年，他的三篇著名论文相继发表在 《哲学杂志》该年的7月号，9月号以及11月号上。在這三篇後來被人們称為“三部曲”的論文中，玻尔将马克斯·普朗克所提出的量子理论运用于卢瑟福所提出的模型，构建了具有突破性的玻尔模型。他在第一篇論文中利用玻爾模型分析了氫原子，在第二篇論文中論述了其它原子結構與週期表，在第三篇論文中探讨了分子結構。行星模型并不是一种新的构想，但玻尔为构造模型所提出的假设却可称承先啟後、充滿創意。达尔文曾於1912年探讨電子在α粒子与原子核的相互作用中所扮演的角色。玻尔以达尔文的理论为起点。他进一步明确了原子外层的电子的运动特点，并提出每种元素化学性质在很大程度上取决于外层电子的数量。他还引入一個重要概念，即电子自高能轨道躍遷到低能轨道的过程是以釋出能量量子的方式完成。这一点后来成为旧量子论的基礎。约翰·巴耳末於1885年提出描述氢原子光谱中可见光谱线的巴耳末公式：                                          1            λ                          =                  R                                    H                                                (                                                    1                                  2                                      2                                                                        −                                          1                                  n                                      2                                                                                )                        n        =        3        ,        4        ,        5        ,        .        .        .              {\displaystyle {\frac {1}{\lambda }}=R_{\mathrm {H} }\left({\frac {1}{2^{2}}}-{\frac {1}{n^{2}}}\right)\quad n=3,4,5,...}  式中                              λ                      {\displaystyle {\lambda }}  是吸收或辐射出的光的波长，                              R                                    H                                            {\displaystyle R_{\mathrm {H} }}  为里德伯常数。后来做實驗发现的谱线证实了这一公式。但在1885年后近三十年的时间裏，巴耳末公式一直只是一条唯象公式。并没有人能说清它的理论原理。玻尔在他的三部曲中的第一部曲裏，利用他的模型推導出里德伯常数：                              R                      Z                          =                                            2                              π                                  2                                                            m                                  e                                                            Z                                  2                                                            e                                  4                                                                    h                              3                                                          {\displaystyle R_{Z}={2\pi ^{2}m_{e}Z^{2}e^{4} \over h^{3}}}  式中                              m                      e                                {\displaystyle m_{e}}  为电子质量，                    e              {\displaystyle e}  为其所带电荷量，                    h              {\displaystyle h}  是普朗克常数，                    Z              {\displaystyle Z}  为原子序数（对于氢原子来说，其则为1），                              R                      1                                {\displaystyle R_{1}}  就是里德伯常数。玻尔模型所面临的第一个考验是皮克林线系。这一线系的谱线波长并不符合巴耳末公式。当阿尔弗雷德·福勒向其提出这一问题时，玻尔给出的回应是这些谱线是由氦离子产生的，而非氢原子。玻尔模型适用于这种离子。老一辈物理学家，像汤姆孙、瑞利勋爵以及亨德里克·洛伦兹，并不能接受玻尔的三部曲。但是新一代的物理学家，像卢瑟福、大卫·希尔伯特、阿尔伯特·爱因斯坦、马克斯·玻恩以及阿诺·索末菲，却将它们视为一项具有突破性的研究。玻尔模型能解释当时其他模型所不能解释的现象，并且预测了一些之后透過实验证实的结果，因此之后得到科学界普遍接受。它虽然现在已由其他模型取代，但仍是原子最为有名的理论模型之一，经常出现在中学教科书中。玻尔对于担任博士生讲师并不满意，这令他沒有足夠的時間與資源做研究。他打算接受卢瑟福的邀请，回到曼彻斯特填补达尔文留下的讲师职缺。他在向哥本哈根大学请假后，与弟弟哈拉尔和姨母汉娜·阿德勒启程前往蒂罗尔度假。途中，他拜访了哥廷根大学及路德维希-马克西米利安-慕尼黑大学，在那里他结识了索末菲，并举行了關於三部曲的讨论班。當玻尔一行人在蒂罗尔度假时，第一次世界大战爆发，这使他们的归途变得异常艰难。1914年10月，玻尔与妻子玛格丽特动身前往英格兰。1916年7月，在接受哥本哈根大学特意为他设立的理论物理学教授职位後，玻尔回到丹麦。虽然他的讲师职位被同时撤消，但他仍需继续向医学生讲授物理。当时的丹麦国王克里斯蒂安十世按照傳統公开会见了正在履新的玻尔。在会见过程中，国王将玻爾误认为其胞弟，而玻尔则直言不讳地进行澄清。这并不符合与王室成员公开会谈时的规矩，所以当时的气氛因而略显尴尬。