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波爾 (Neils Bohr)的生平事蹟

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波爾 (Neils Bohr)的生平事蹟

1885 年,波爾 (Neils Bohr) 出生於丹麥.哥本哈根。他的父親是哥本哈根大 學一名傑出的生理學教授,母親出生於一個在銀行、政治和教育各界中均很活躍 的富有猶太人家庭。他的哥哥(Harald Bohr) 比他更為聰明外向(而且是奧 運銀牌足球隊的主將),後來也成為著名的數學家。父母從小便很關心波爾,使 他的天賦得以充分發揮。 他的好友都叫他「尼克叔叔」,公認為 20 世紀最偉大 的科學家之ㄧ。波爾早期的思想深受 19 世紀宗教哲學家,也是存在主義哲學之 父索倫 ‧ 齊克果(Søren Kierkegaard; 1813-1855)的影響。雖然波爾不盡然 完全同意齊克果的看法,他的確熟讀齊克果 1845 出版的書《生命道路的各個階 段》(Stages on Life's Way)。

1903 年,波爾入讀哥本哈根大學,主修物理學。波爾尚未畢業時,便已經鋒芒 畢露,他通過觀察噴射的水流就能精密測量出水的表面張力。1909 年,波爾獲 理科碩士學位,1911 年獲哲學博士學位。他的博士論文《金屬電子論的研究》

定性地說明了金屬的各種性質。他察覺到經典理論的缺陷,並證明了金屬的磁性 決不能用這些原理解釋。

結束在哥本哈根大學的學習後,波爾前往英國劍橋大學,想在湯姆遜的指導下繼 續研究電子論,但是湯姆遜已經對這個問題失去了興趣。於是波爾隨即轉往曼徹 斯特大學,在盧瑟福的實驗室工作。1913 年,他發表了三篇論文,把當時的原 子結構模型與量子論結合起來,揭開了物理學嶄新的一頁。

1912 年,波爾開始了他幸福的婚姻生活。1913 年,他發表了他的量子原子模型。

其後他主持了理論物理研究所(一半的經費是出自丹麥有名的啤酒廠

Carlsburg),成為量子論中舉足輕重的「哥本哈根學派」的創始者。他不拘小節,

但對研究十分投入。常常一面打乒乓(他的球技甚高,在物理學家中幾無敵手),

一面爭辯物理到深夜。──這與愛因斯坦喜好的獨自瞑想的工作習慣完全不同。

波爾的設想:原子中電子的,必然有一種「穩定狀態」,不必放射電磁波,

故能量不減,也不「掉進」原子核之內。這種「穩定狀態」之存在,非用蒲朗克 的量子論不可──簡而言之,他要用蒲朗克,來規避麥克斯威。但如何計算這種

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「穩定狀態」,他苦思不得其解。1913 年,他的一位老同學(H.M.Hansen)來看 他,提醒他,當年他們一起上課學過氫原子光譜的巴默公式。波爾多年後回憶說:

立刻一切都清楚了。

他很快就做成了他的氫原子模型:一個電子以圓形軌道繞原子核而轉。但只 有滿足以下條件的才是「穩定狀態」,不必放射電磁波:

J≣mvr=nħ;其中 J為角動量,n為正整數,ħ≣h/2π。

這又「量子化」了角動量,不符牛頓力學。但他用牛頓力學,加上庫倫定律計算 出「穩定狀態」的能量:

En=-constant/n2;其中 constant=13.6 eV

他又大膽地假定:電子放射電磁波,不按照麥克斯威的電磁學,而是在兩個「穩 定狀態」的「能階」之間作「量子躍遷」。其放出電磁波的波長之計算,則是把 蒲朗克的量子公式倒過來用:

hν=Em-En

這樣,波爾「導出」了巴默的公式,與觀測十分符合。

盧瑟福看到這結果後,將信將疑,想不到他的原子模型竟然動搖了牛頓與麥 克斯威兩大「古典」學說。愛因斯坦卻十分欣賞這結果,稱讚這是:「物理中最 高的音樂性。」( 希臘的「世界和諧」觀。)蒲朗克終於放棄了從古典物理解釋 h 之可能性。

1916 年,他擔任哥本哈根大學教授。1921 年,他創立了哥本哈根大學理論物理 研究所。波爾在 1939 年訪問美國時,說哥本哈根實驗室已經證明了鈾核裂變可 釋放出能量。波爾最厲害的學生是海森堡 (Werner Heisenberg) 。他是建立量 子動力學 ( Quantum Mechanics) 的最重要人物。1941 年波爾和海森堡討論原 子彈的可能性。海森堡後來成為德國納粹原子彈計畫的主持人。日本也於 1941 年開始研製原子彈,計畫的負責人則是波爾的另一個學生仁科芳雄 (Yoshio Nishina)。仁科芳雄指導了日本第一位諾貝爾物理獎得主湯川秀樹 (Hideki Yukawa)。

由於波爾教出懂原子彈理論的德國及日本徒弟,因此於1943 年,在盟軍的安排 下,波爾一家乘飛機逃出本國,先到瑞典,再到英國,最後到達美國,就急忙加 入曼哈頓計畫 (The Manhattan Project),在新墨西哥州的羅斯阿拉摩斯實驗室 指導美國科學家研製原子彈。為了保密,每個在該實驗室的科學家都必須化名。

而重要的人物更有多個化名。例如康普頓 (Arthur H. Compton),美國國防部規

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定在美東他叫科馬斯,在美西則是康思達克。有一次他由紐約飛到加州,在飛機 上睡著,被空中小姐叫醒,問他的名字。康普頓向窗外看,不知身處何地,只好 反問空中小姐,飛機是在美東或美西。波爾的化名是尼可拉斯‧巴克。不過認識 他的好友都叫不習慣,就叫他以前的暱稱「尼克叔叔」。1945 年,波爾回到哥 本哈根,從事發展原子能和平用途的工作。

波爾於 1922 年獲諾貝爾物理學獎,1957 年獲首屆原子能和平應用獎。他從 1939 年起被選為丹麥皇家科學院的主席。每屆任滿,人們總是一致地重選他,

直至 1962 年 11 月 18 日,他在哥本哈根與世長辭。

波爾一生身體健康,年少時是一位優秀的足球員。他的家庭生活也非常美滿,和 太太的感情很好。他們生了五個兒子,第四子艾吉是著名的核子物理學家,並和 另外兩位科學家聯合獲得 1957 年的諾貝爾物理學獎。

參考文獻

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