全世界的物理學家碰頭開會，總有個主體，就是討論輻射和量子理論。那很多比如X射線啊、γ射線啊、鈾輻射啊、放射性啊都屬于輻射的理論。當時對原子輻射就是放射性有三個困惑，原子輻射好像源源不斷放出能量這好像違反了熱力學第一定律，就是能量守恒定律，貝克勒爾就發(fā)現(xiàn)一克的鐳元素能在三個鐘頭里能把一克的水燒開，這放射性元素釋放出的能量是驚人的。居里夫人也很困惑啊，放出輻射之后呢元素好像也沒啥太大的變化，是不是可以一直就這么放射下去呢？有人就提出這些能量是不是來自元素外部，那就通過放射性元素把能量收集起來然后再變成熱量，結果他們就這么想啊，那就拿到很深的礦井里試試看，看礦井里是不是外面能量就少一點?。拷Y果他們到了礦井里發(fā)現(xiàn)輻射還是一樣的大。他們就想看來這東西不是外部能量的輸入造成的，看來是元素內部的原因造成的。那么這些能量從哪來的，搞不清啊，這是第一個問題。
元素內部好像能量根本就不受外界影響，那么還得做精確測試。居里夫人就和萊頓實驗室的科學家們把放射性元素冰凍到了液態(tài)氫的溫度范圍，發(fā)現(xiàn)冰到那個溫度下放出的輻射量和常溫下也沒啥差別，盧瑟福就把溴化鐳放到一個炸彈內部然后給它引爆了，發(fā)現(xiàn)在爆炸這么高溫度下它的輻射仍然沒有變化，那可是2500℃啊，那鐳元素發(fā)熱就是不變的，這輻射到底哪來的，一個如今的大家都很熟悉的名次就被提出來了，這就是原子能。不然拿啥東西稱呼它呢，總得起個名字吧，這個詞是盧瑟福發(fā)明的。愛因斯坦就在一邊竊笑不語心想我知道這東西從哪來但是一般人我不告訴他。不過即便愛因斯坦說出來了也沒用，當時他的相對論還沒被大家普遍的接受和承認，因為要解釋原子能來自何處就需要用到他那個大名鼎鼎的的質能方程。愛因斯坦在1905年發(fā)表的相對論的第二篇論文里面就提到過這個東西，這個放射性的能源可能來自于質量的虧損。當然當時看懂相對論的還沒有幾個，更沒人能往原子內部去想。當時有個小朋友才5歲，他日后長大了，21歲的時候就寫了本書來解釋愛因斯坦的相對論，一寫就好幾百頁，這21歲的年輕人一下就把愛因斯坦給嚇到了。即便到這個時候這個神童還是叨念著是不是可以通過放射性來檢驗一下狹義相對論里的質能方程，因為質能方程的做實驗檢驗，那用什么方法檢驗呢？他就在十幾年后還在叨念著做實驗。這個神童叫泡利，這個牛人后面再說。愛因斯坦寫相對論論文的這個時候泡利還是幼兒園的小朋友。
還是瓜娃子的泡利
當時還沒發(fā)現(xiàn)原子核，因此這個原子能是不可以被成為核能的，因為現(xiàn)在一說原子能就說是核能，這其實還是有差別的。到后來美國人就開始研究原子彈，需要寫報告，那在報告里就打算用核能這個詞，但是當時一想生怕大家都搞不懂啥叫核能，最后還是用的原子能這個詞，所以這時候美國人寫原子彈報告時候的原子能跟他們當年提的原子能的含義是不同的。原子能從何而來，這是有關放射性的第一個問題，一度還動搖了大家對能量守恒定律的信心。
第二個問題就是所謂的半衰期問題，早在1900年大家就發(fā)現(xiàn)放射性元素是不穩(wěn)定的，每隔一段時間就會有一半衰變成其他物質。大家就搞不懂啊，那么怎么從一種元素變成另外一種元素，為啥就不是大家一起全變了而是隔一段時間變一半。比如說鐳，它要衰變成氡大概要花1600年，1600年衰變一半，那怎么就會出現(xiàn)這一半鐳原子在1600年內就不衰變，而另外一半鐳原子在1600年內就衰變掉了。
第三個問題就跟第二個有關系了，那就是為啥有的元素有放射性有的元素沒有放射性?；蛘呤遣皇强梢赃@么認為，那些看上去穩(wěn)定的元素其實是半衰期大的嚇人的，大到什么程度呢？大到千年萬年也不會有幾個原子衰變，因此我們看不出來。
這幾個問題從第一屆索爾維會議一直到第二屆索爾維會議，都在困擾大家，這是原子放射性的問題。剩下的就是有關量子的話題了，量子論也從德國科學家那飛向全世界了。說是全世界其實就是當時歐洲一些物理學大佬坐一起討論，當時盧瑟福也參加了。他這一年夏天剛搞出他的原子模型，居里夫人是搞實驗的，她也覺得放射性應該與原子核內部結構是有關系的?，F(xiàn)在湯姆遜的西瓜模型還不是很好用，在這個問題上它解決不了。盧瑟福也沉得住氣，他自己的研究成果一個字也沒提。大家都感覺進了20世紀，經典物理就有點大事不好，過去的理論好多問題都解決不了。物理學家來開會也要給化學家留點時間，那就是老爺子索爾維，一開會他就從懷里掏出一大堆稿子發(fā)言，長篇大論講他對引力的感受和有關宇宙的設想。下面的科學家也就賣他個面子，裝作很給力的樣子在下面聽。1911年愛因斯坦正在想他的廣義相對論，他對索爾維老爺子肯定是最有意見的一個，他覺得這老爺子搶他飯碗啊。但沒辦法畢竟別人是金主，所以面子還是要留給人家，最后大家一起合影，索爾維有事沒來，所以現(xiàn)在網上流傳的網上第一屆索爾維會議的照片就不應該有索爾維的人，所以現(xiàn)在有索爾維的照片那都是合成的。不過那時候沒有電腦，只有暗房技術，在暗房沖洗照片的時候把底片剪下來貼上去就可以玩二次曝光，只不過效果不是特別完美而已。
盧瑟福的行星模型
索爾維會議開完了，盧瑟福就回了英國，他屁股還沒坐熱，波爾就找來打聽消息了。盧瑟福就把會議的情況跟波爾講了。放射性問題波爾知道，有關量子的東西波爾也感興趣，而且他下決心要搞清原子內部結構。盧瑟福當然也想搞清楚，那師徒二人想到一起去了。盧瑟福提出行星模型，波爾肯定知道，盧瑟福這個模型是個有核模型，而且是有個微小的核，原子內部其實很空曠。行星模型以前也不是沒人想過，也有人想過，要不就不會有長岡半太郎的土星模型，因為那個模型也是有核的，說明大伙都在往那邊想只是沒敢提出來。盧瑟福的學生做了α粒子散射實驗，盧瑟福心里有底才敢把這個模型提出來，后來證明盧瑟福他們的運氣非常好，因為原子核之間的強相互作用沒顯示出來，要知道α粒子也是原子核啊，要是跟金屬原子核相撞那距離足夠近的情況下強相互作用就會體現(xiàn)出來，一定會給盧瑟福找出一堆麻煩。當時大家普遍對盧瑟福這個文章沒啥興趣，因為盧瑟福的行星模型很好的符合α粒子的散射，但是有兩個先天缺陷。首先不能解釋元素光譜從何而來，算不出光譜線，而且也不能解釋元素周期率。還有為啥電子圍著原子核轉能一直穩(wěn)定持續(xù)下去而不會墜毀在原子核上呢？另外這放射性是怎么出來的也沒法解釋。盧瑟福相信自己的直覺，他相信這個方向上大差不差，大方向是正確的。
α粒子散射實驗
先不說這師徒倆，說回1911年索爾維會議后，巴黎新聞界就出大事了。寡婦門前是非多，20世紀有兩位物理學宗師，愛因斯坦是個生活方面一團糟的人，他第一次婚姻也是以離婚收場的，而且鬧的很不愉快。而波爾剛好相反，他是個生活非常幸福的人，不過跟他們倆比呢，最慘的是居里夫人。首先她丈夫因為車禍意外去世了，這是第一次打擊，后來跟她丈夫的學生郎之萬關系有點不清楚，郎之萬比她還小5歲，后來因為他老婆各種粗暴，郎之萬想跟他老婆離婚，他老婆一生氣就把郎之萬和居里夫人之間的通信就公布到了報紙上，鬧的滿城風雨，這是1911年11月4號的事，報紙上就添油加醋的給登了出來。索爾維會議是10月30號，這是前后腳的事。這對居里夫人的精神打擊就非常大，鬧的她躲在醫(yī)院里悶在里面就不出來了。有好多人就罵她，只有愛因斯坦寫信鼓勵她，為啥呢，愛因斯坦認為這都不是事，這只是個人私事，不要在意外人說三道四。不過后來有個安慰，就是當年的12月居里夫人就獲得了諾貝爾化學獎，因為什么呢，是獎勵她在鐳元素的發(fā)現(xiàn)方面有貢獻。她提取鐳的方法是獨創(chuàng)的，而且她放棄了專利權。當年獲諾貝爾物理學獎的是我們前面屢次說的維恩。居里夫人不簡單，作為女性在當年的環(huán)境下能兩次獲得諾貝爾獎而且是物理化學兩個方向上，作為科學家那是出類拔萃，因為歷史上能拿兩次諾貝爾獎的人并不多，居里夫人是第一個。接下來數(shù)數(shù)還有幾個拿兩個諾貝爾獎的，一個美國的巴丁，他參與發(fā)明了晶體三極管，后來又提出低溫超導理論，這兩個其實還是在同一個方向上的。美國化學家萊納斯·鮑林就拿了兩次諾貝爾獎，第一次拿了個化學獎，解釋了化學鍵的本質。第二次拿的是諾貝爾和平獎，因為他反對核武器，呼吁世界和平。和平獎就不如科學獎那么硬，該得不該得就兩說。然后就是英國的桑格爾，他發(fā)明了胰島素的測序方法，說白了就是蛋白質的測序方法。后來又發(fā)明了基因測序方法，拿了兩次諾貝爾獎。他說白了還是在同一個領域拿的獎?？梢娋永锓蛉嗽趦蓚€不同的學術方向都有突破是多么難，不過也有人說居里夫人拿獎是有著復雜的背后因素，因為諾貝爾獎要照顧到各個國家間的平衡，并不單純。比如說諾貝爾獎委員會死活都不想把獎發(fā)給龐加萊，理由就是龐加萊是數(shù)學家，物理學是他玩玩而已，不算。法國人就很失望，就說照你這意思就好比龐加萊沒開過槍因此不能算軍人，但人家不開槍人家是將軍啊，人家不需要開槍啊。所以到1910年龐加萊得獎的呼聲非常高，但就是拿不到獎，結果第二年為了平復法國人情緒才給了居里夫人化學獎，雖然居里夫人波蘭裔，但也算法國籍。
亨利·龐加萊
波爾離這些事遠遠的，剛好不受干擾，在曼徹斯特有一個同事也在研究原子模型，那說起來他的姓氏大家是如雷貫耳，他姓達爾文，他就是那個提出進化論的大科學家的孫子。現(xiàn)在他也在盧瑟福門下，他根據(jù)盧瑟福的原子模型來推算，一個原子里面電子的分布情況到底是怎么樣的，比如說氫原子，到底容得下幾個電子呢？他發(fā)現(xiàn)大概也就容的下一個，波爾就很受啟發(fā)，看來氫原子的電子就只能有一個。轉過年1912年，波爾就迎來了自己的人生大事，他結婚了，他的婚姻可是標準的美滿婚姻，跟妻子白頭偕老。當時大多數(shù)丹麥人結婚都是去教堂，但波爾去了市政廳，再過來就是1913年了，到了波爾爆發(fā)的年份了，有了家庭之后波爾小宇宙就爆發(fā)了。他就把量子概念引入到了原子中，說白了就是采用了普朗克的辦法。假如電子并不能在任意的軌道上運動，它只能在某些固定的軌道上運行，那么就可以解決許多難題了。比如為啥電子就不會墜毀在原子核上呢？按照經典理論，電子繞著核轉會有電磁波輻射出來，那根據(jù)能量守恒能量都輻射出去了，電子的動能就越來越少，最后繞圈就越來越小，就墜毀在原子核上了?，F(xiàn)在波爾提出，必須拋開麥克斯韋和洛倫茲的經典電磁學理論了，在微觀世界里它們是不適用的。電子并不會一圈一圈越來越低最后墜毀，它只能在固定的軌道上運動，想掉下去門都沒有，它有個能量最低態(tài)叫基態(tài)。假如電子從一個軌道跳到另一個軌道，比如說從高能態(tài)跳到低能態(tài)，那就會發(fā)出光輻射，能量是固定的，頻率就可以算出來了，看看能不能算出光譜線。波爾就開始悶頭算，這時候就有人問他你這算的什么東西自己看著好眼熟啊，波爾就納悶他在哪見過。那人就說我看你算的怎么越看越像巴爾末公式，波爾一聽一頭霧水，巴爾末公式是啥。
氫光譜中的各系譜線
搞半天波爾連巴爾末公式都不知道，根據(jù)他自己后來回憶當時他自己的確不知道巴爾末公式，經過后來人家提醒才知道。這時候巴爾末公式都出了好幾十年了，各種論文書籍提到的地方并不少，那波爾怎么就沒看見呢，這就奇怪了。同樣愛因斯坦也沒見過洛倫茲公式，他自己悶頭倒推了一遍，后來也有類似的事，比如說海森堡就沒見過矩陣，他自己悶頭發(fā)明了一個。這說明當時科學界交流不充分，不像現(xiàn)在有網絡了這么方便快捷。簡而言之就是根據(jù)他自己的原子模型波爾自己推導出了巴爾末公式，然后他就發(fā)表了他的成果，物理學界就開始交頭接耳議論紛紛。有兩個物理學家也在談論這個事，他們在蘇黎世郊外的小山上爬山散步溜達，然后就聊到波爾的這個瘋狂的原子模型，他倆一拍大腿咬牙發(fā)狠心說要是波爾這個理論是正確的那我們倆就辭職，就不搞物理了。這倆人是誰呢？請看下回分解。
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