1922年諾貝爾物理獎：尼爾斯．波耳

1922年諾貝爾物理獎得主又是另一個鼎鼎大名的科學家，他就是量子力學教父尼爾斯．波耳（Niels Bohr）。波耳的電子能階原子結構模型，相信每位理科生都必定學過。

 
原子結構的演化史很有趣。湯姆生（Joseph Thomson）提出的原子模型好像提子包，一團球狀帶正電的麵包之中藏有一粒一粒帶負電的電子。因為正負電互相抵消，這個模型能很好地解釋為什麼原子不帶電。不過，當貝克和居禮夫婦發現了放射性現象（1903年諾貝爾物理獎得主），科學家開始用放射出來的alpha 粒子做各種實驗。

Alpha 粒子帶有正電，我們現在知道它其實是氦原子核。當物理學家用它來射擊金箔時，因為正電荷分散佈於整個提子包狀的金原子裡，alpha 粒子感受到的靜電力應該不強，所以我們預期alpha 粒子會直接穿過金箔。意外地，物理學家發現除了金箔後面，環繞金箔的所有角度都深測到被金原子散射的alpha 粒子，有些甚至被180 度反彈回來。

根據計算，分散的電荷密度不足夠反彈alpha 粒子，最多只能使alpha 粒子輕微偏轉。盧瑟福（Ernest Rutherford，1908年諾貝爾化學獎得主）就提出了新的原子模型，把正電荷全部放在原子中心，稱為原子核。因為原子核的電荷密度很高，就能產生足夠強的靜電力把alpha 粒子反彈。而帶負電的電子就環繞原子核以圓形或楕圓形軌道轉動，好像微型太陽系一樣。

 

然而，這個看似合理的模型卻有個重大缺憾。與萬有引力不同，加速中的電荷會釋放電磁輻射，即電磁波。其實，加速中的質量也會釋放重力輻射，即是2016年人類首次直接深測到的重力波。但因為電磁力比萬有引力強非常非常之多，所以加速電荷輻射的電磁波比加速質量的重力波強非常非常多倍。這也是2016年探測到的重力波這麼微弱的原因。

當電子開始輻射電磁波，它的軌道就會慢慢跌落原子核，而在跌落的過程中又繼續釋放更多波長越來越短的電磁波。這就會造成一個連續光譜，可是氣體所釋放出來的光譜都是一條條譜線，我們從未在氣體中觀察到任何連續光譜。更麻煩的是，電子會在很短時間裡就失去所有軌道能量，撞上原子核。

波耳在原子結構模型中加入了新的限制：只有距離原子核特定距離的軌道才能存在，稱之為能階，而電子只會在能階之間跳躍時才會釋放電磁波。這些條件意味著電子只會特定能量的電磁波，而如果這些電磁波滿足普朗克的光量子關係——能量正比於頻率，那個波耳就可以推導出在實驗中觀察到的氫原子光譜。他的理論計算結果與實際觀測數值相差不到百分之一。

 

 
波耳的電子能階原子模型能夠解釋大部分實驗結果，但也不是完美無缺的。例如，當年科學已經發現，在電場或磁場的影響下，有些譜線會分裂成兩條或多條譜線。波耳和其他人嘗試以楕圓軌道解釋這些現象，可是都沒有成功。現在我們知道，這是因為波耳的原子模型是錯的。電子根本不在「軌道」（orbit）中運行，而是有著所謂的不同「軌態」（orbital）。相對於平面的軌道，軌態是立體的一個空間，電子有著不同的機率出現在軌態的不同地方。我們會在以後介紹薛丁格的時候，回到軌態的討論之上。