量子这个词无处不在，随之而来的还有量子跃迁这个词。根据马克斯普朗克的开创性想法，原子可能以离散的数量发射和吸收能量，总是相同数量的倍数。这些小块的辐射被称为量子。
本文将讨论量子革命中的一个关键思想：尼尔斯·玻尔 (Niels Bohr) 1913 年的原子模型，它让我们实现了量子跃迁。如果说普朗克的想法需要勇气和丰富的想象力，那么玻尔的想法就是冒险的壮举。玻尔将一堆新想法装在一个袋子里，将它们与经典物理学中的旧概念混合，并提出了原子中量子化轨道的概念。该模型简直令人惊叹。玻尔看到了当时没有人能看到的东西：原子与人们在至少2000年里所认为的完全不同。事实上，它们完全不像任何人能想象的那样。我想除了玻尔。
从最简单的粒子开始的革命
玻尔的原子模型有点疯狂。他糅合新旧概念的想法是玻尔惊人直觉的结晶。玻尔只观察所有原子中最简单的氢，就形成了一个微型太阳系的图像，质子在中心，电子围绕着它旋转。
按照物理学家的工作方式，他想用最简单的模型来解释他观察到的一些数据。但有一个问题。带负电的电子被带正电的质子吸引。根据经典电磁学，即描述带电粒子如何相互吸引和排斥的理论，电子会螺旋下降到原子核。当它围绕质子旋转时，它会辐射掉它的能量并落入其中。没有轨道是稳定的，原子也不可能存在。显然，需要一些新的和革命性的东西。太阳系只能做一个类比。
为了挽救原子，玻尔不得不发明与经典物理学相冲突的新规则。他勇敢地提出了一个令人难以置信的想法：如果电子只能在某些轨道上绕原子核旋转，在空间中彼此分开，就像梯子的台阶或洋葱的层一样彼此分离，那该怎么办呢？就像你不能站在台阶之间一样，电子也不能停留在两个轨道之间的任何地方。它只能从一个轨道跳到另一个轨道，就像我们可以在台阶之间跳跃一样。玻尔刚刚描述了量子跃迁。
量子化角动量
但是这些量子轨道是如何确定的呢？再一次，我们将屈服于玻尔惊人的直觉。首先，我们来看角动量。
如果电子绕着质子转，它们就有我们所说的角动量，这是一个衡量圆周运动强度和方向的量。如果你把一块石头系在一根绳子上旋转，它就会有角动量：你旋转得越快，绳子越长，或者石头越重，这个动量就越大。如果旋转速度或弦的长度没有变化，则角动量守恒。在实践中，由于摩擦，它永远不会对旋转的岩石守恒。当一个旋转的滑冰者通过将她伸展的手臂放在胸前旋转起来时，她正在使用她几乎守恒的角动量：较短的手臂和更多的旋转与较长的手臂和较慢的旋转产生相同的角动量。
波尔提出电子的角动量应该被量子化。换句话说，它应该只有特定的值，由整数给出（ ）。如果 是电子的轨道角动量，则玻尔公式为 ，其中 是普朗克常数。量子化的角动量意味着电子的轨道在空间中像梯子的台阶一样分开。电子可以从一个轨道（比如 轨道）跳到另一个轨道（比如 ），要么向下跳跃，靠近质子；要么向上跳跃，远离质子。
彩色量子指纹
玻尔将经典物理学的概念与全新的量子物理学巧妙结合，产生了原子的混合模型。他意识到，微观世界需要一种新的方式来思考物质及其性质。
在此过程中，玻尔解决了物理学中一个古老的谜团，即化学元素在受热时发出的颜色，即它的发射光谱。钠灯中的强黄色是发射光谱中主色的常见例子。事实证明，从氢到铀，每种化学元素都有自己的光谱，以一组独特的颜色为特征。它们是元素的光谱指纹。19 世纪的科学家知道化学光谱的存在，但没人知道为什么。玻尔建议，当电子在轨道之间跳跃时，它会发射或吸收大量光。这些光量称为光子，它们是爱因斯坦对量子物理学的重要贡献。
由于负电子被正原子核吸引，它需要能量才能跃迁到更高的轨道上。这种能量是通过吸收光子获得的。这是吸收光谱的基础，你每次爬梯子的时候都要做同样的事情。重力想要把你压下去，但你利用储存在肌肉中的能量向上移动。
另一方面，元素的发射光谱由电子从较高轨道跳到较低轨道时释放的光子（或辐射）组成。光子带走了电子在向下跳跃时失去的角动量。玻尔认为，发射光子的能量与两条轨道之间的能量差相匹配。
为什么不同的元素有不同的发射光谱？每个原子在其原子核中都有唯一数量的质子，因此其电子被特定强度吸引。每个原子的每个允许轨道都有自己的特定能量。当电子在两个轨道之间跳跃时，发射的光子将具有精确的能量，而没有其他能量。回到梯子的比喻，就好像每种化学元素都有自己的梯子，每个台阶之间的距离不同。
玻尔由此解释了氢的发射光谱，这是他的混合模型的胜利。当电子处于最低能级 时会发生什么？玻尔认为这是它能得到的最低值。他不知道怎么回事，但是电子被卡住了。它不会撞向原子核。他的学生维尔纳·海森堡 (Werner Heisenberg) 将在大约 13 年后给出答案：不确定性原理。
原文链接：https://bigthink.com/13-8/quantum-jumps-niels-bohr-atom/
---煤油灯科技victorlamp.com翻译整理---
