在物理和化學之間的尼爾斯

1、在物理和化學之間的尼爾斯（下）/編譯的周期性系統(tǒng)1920 年初，不再分子，但對于化學方面的探索絲毫沒有松懈。他拋棄了之前以單一量子數(shù)并且在平面環(huán)繞原子核移動的電子為基礎的“薄餅模型”，以一個明顯不同的原子結構模型取而代之。根據(jù)新的，一個電子有兩個量子數(shù)，用nk 表示，其中n 是主量子數(shù)，k =1, . . .,n 是角量子數(shù)。電子在三維橢圓軌道移動，其離心率取決于n / k 的值。此外,電子在外層軌道的移動可能穿會躍遷至原子內(nèi)層軌道，從而產(chǎn)生一個耦合的旋轉(zhuǎn)電子。在建立電子結構理論時，是根據(jù)他所謂的構造、施工、原理的順序進行展開的：新增的電子數(shù)p和部分完成p-1電子使得p-1 電子的量子數(shù)不會產(chǎn)

2、生變化，新增電子的n 級量子數(shù)不同于外層的電子，除非原子的形成過程屬于新的周期性系統(tǒng)。在 1921 年至 1923在著作和會議中提出了更復雜原子模型結構，在 1922 年 12 月 11 日獲得獎時他做的中也有提到。在和在其他地區(qū)，他通過解釋各類原子的電子軌道平面向人們闡述了他的新的化學元素周期理論。比如，比較簡單的鋰原子，將它畫成由兩個交叉的 11 軌道組成的氦結構，外層是單電子的橢圓21 軌道。圖4 是畫出的氙原子。鐳原子更復雜一點，也是模型的亮點，所有 88 個軌道都按比例細致的呈現(xiàn)出對稱美。圖 4.詳細的原子插圖，如這個關于氙原子(Z = 54)的結構圖，是尼爾斯在 1921 年至 1

3、923講座的一個內(nèi)容。根據(jù)理論，在原子外部(主量子數(shù)n 3)，每個軌道 41, 42,和 43 含有六個電子，最外層軌道 51 和 52 每個軌道有四個電子。奇主量子數(shù)的軌道是紅色的，偶量子數(shù)的軌道是黑色的。一些簡單的橢圓軌道沒有在圖上顯示，但他們實際上隨著橢圓慢慢的旋進呈現(xiàn)微開的樣子。雖然本圖顯示的是二結構，但實際情況下原子的電子是在三運動的。軌道結構圖讓人覺得電子是一直在既定軌道上運動的，就像行星和彗星一直繞著轉(zhuǎn)一樣。雖然波爾慎重闡明原子結構圖只是參考性內(nèi)容，而不表示具體真正的原子運動情況，但當時他顯然對電子運動軌道的實際狀態(tài)沒有任何質(zhì)疑。盡管這些原子結構圖很吸引E.Pauli）卻發(fā)現(xiàn)，這

4、是一個基于錯誤的電子軌道概念，但年輕的原子模型。泡利（Wolfgang自信已完全理解了電子構造的則，如圖 5，他提出自己關于元素周期表在橫排和豎排安排的原理解釋。更重要的是,這是他首次嘗試從電子構造方面解釋由氫到鈾的完整系統(tǒng)性元素周期。還了第 72 號未知元素，其化學性質(zhì)應該類似于鋯(Z = 40)，這個在 1923 年得到證實，在所通過x 射線光譜分析發(fā)現(xiàn)了這一元素。對他的理論很有信心，他甚至畫出了仍然處于假設中的超鈾元素的電子結構圖。因此他了 118 號元素是惰性氣體，有七個電子層，每層電子數(shù)量分別為 2，8，18，32，32，18 和 8。而且,118 號元素是 2006 年通過重離子碰

5、撞產(chǎn)生，暫時命名為 ununoctium。現(xiàn)代計算結果顯示的電子結構與的完全一致!圖 5.是 1923 年尼爾斯關于元素周期表的設想。71 號元素(Cp、镥)即今日的镥(Lu),86 號元素(Nt,氡)即氡。缺失的 75 號元素(Re,錸)在 1925 年通過x 射線光譜分析被發(fā)現(xiàn),運用同樣方法，也發(fā)現(xiàn)了 1923 年初鉿的存在。的顯著成就并不是靠詳細的計算得來。那么，他是怎樣獲得成功的呢?本人強調(diào),他的理論都是基于物理原理的一般特性，如構造學原理以及他最喜歡的理論工具對應原理。他認為,理論的建立不能僅僅通過對經(jīng)驗數(shù)據(jù)的歸納得來。但事實上，的元素周期系統(tǒng)理論很大程度上是基于化學和物理的經(jīng)驗數(shù)據(jù)

6、和事實；包括元素的原子體積、磁性和電化學性質(zhì),電離能、光學數(shù)據(jù),和x 射線光譜數(shù)據(jù)。如果他沒有扎實的無機化學基礎，可能也無法建立起原子模型。當時許多物理學家和化學家認為通過量子理論已經(jīng)推導出了元素的原子結構，但畢竟從量子理論。又經(jīng)過一段時間，的理論才被認可為藝術精品，盡管其中含糊的存在一般物理學的原理和一些經(jīng)驗數(shù)據(jù),而且后者占比不少于前者。荷蘭物理學家亨(Hendrik Kramers)，他是在1916 年至 1926的助理，他寫道,“在國外，許多物理學家認為當時的元素周期性理論是根據(jù)單個原子構造一個個計算得來的，而事實上,已經(jīng)創(chuàng)建并闡述出了高端的光譜性質(zhì)和化學性質(zhì)的一角。”但不管怎么說,的理

7、論只是短暫存在的,很快就被 Edmund Stoner 和泡利的優(yōu)越理論取代了。在化學上解釋得通，在物理上卻無法解釋試圖將他的原子理論延伸到化學反應領域，收到許多化學家的不同回應。在理論建立后的第一年,大多數(shù)化學家都忽略它，可能他們覺得這個理論難以理解，而且對解決化學問題幫助不大。這個理論無法解釋碳原子的四面體構型原子中電子的雜化軌道，甚至對于簡單的氫分子也無法適用，這就更讓他們覺得這個理論在化學問題上沒什么作用。盡管如此，大約從 1920 年開始，許多無機和物理化學教科書上還是會簡要提到這個新原子理論。但是， 1919 年英國化學家在他的一本叫物理化學體系的書中，詳細介紹了化學家們對寫于 1

8、913 年中的理論內(nèi)容。的原子理論沒有任何好感，尤其是在 1921 年底（Richard Dolman）多的中，稱的原子理論只是“所謂的量子理論”。作為一位杰出的物理化學家和理論物理學家(后來是相對論宇宙學中的)，深諳原子的量子理論技術，但從化學家的角度來看，他認為這個理論仍缺乏說服力?！皼]有化學家會認為碳原子是由帶正電的原子核和單軌道運動的核外電子組成,”他顯然沒有的理論又做了新的拓展。在更基礎的層面上,他不贊同的理論基礎，特別是其對狀態(tài)和量子跳躍的光譜發(fā)射機理的假設。如果電子不以相應頻率進行振動，原子又是怎樣發(fā)出單色光的呢?他代表化學家，表達了他們對理論的一致觀點“物理學家，他們荒謬的認為

9、電子像在煎餅一樣的平面軌道運動的原子理論，鄙視他們按照自己的意愿去修改理論，想方設法讓維生素“h”進入了他們自己的重要，完全滿意，原子”。一些意見被其它物理化學家一再重復和放大，最有力的者當屬加州大學伯分校的（Gilbert Lewis），他認為的理論與基本能量守恒原理相悖。盡管他如此批評的理論，他對于的想法還是非常感的。早在 1916 年當時在化學界還沒有什么名氣，化學家就邀請他來做講座。遺憾的是，當時不得不謝絕邀請。主要是因為當時的化學家們覺得模型無法解釋分子的化合價和結構，在這方面他們認為還是不如朗（Langmuir）、和其他一些人化學模型?；瘜W家們非常推崇立方原子模型，電子固定在立方體

10、的角落，兩個原子之間有一對共用的電子，形成共價鍵。這樣，化學家可以初步通過化學事實來建立分子化合物的結構模型，但這樣也是有悖于原子和量子物理學的基本原理的?，F(xiàn)在的關鍵問題是，那些在化學上說得通的原理在物理上卻說不通。在立方原子模型中，原子是處于靜態(tài)的，但在原子模型中，原子是動態(tài)的。化學家們認為，一個電子在其軌道上高速運動，是不可能保持固定位置的。總之，大多數(shù)化學家認為有用的原子模型與和他同事在量子理論中覺得必要的標準相悖。雖然這樣的理由足夠讓物理學家們拋棄靜態(tài)模型，但是化學家們根據(jù)自己的在物理學界被奉為的原子結構標準。在某種程度上，二十世紀二十年代早期，需要，不愿意接受的動態(tài)原子論和化學界的靜

11、態(tài)原子論的本質(zhì)上是基于兩種不同的科學文化：物理學家和化學家關于科學理論制定的標準沒有。在這種大環(huán)境下，盡管和朗的模型對解釋一些化學方面的問題可能很有幫助，沒有再花耐心去進行。他認為他們的模型只是一些描述性理論，缺乏物理根據(jù)。二十世紀二十年代初期了人們試圖協(xié)調(diào)靜態(tài)和動態(tài)模型的努力，特別是希望能把原子模型能對應運用到靜態(tài)原子中去。這期間出現(xiàn)了一些混合模型，共價鍵模型就是其中之一兩個或多個原子共同使用它們的外層電子。雖然所謂的 “朗原子”是比較受化學家認可的，但他依舊不愿意為化學方面而改變量子理論框架的相關內(nèi)容。即將來臨的量子化學然而絕大部分的化學家認為的模型在原子價和分子領域是沒有價值的，他們更傾

12、向于他有關周期性的理論。據(jù)物理化學的開拓者和 1920 年將得主瓦爾特奈(Walther Nernst)所述，鉿元素的發(fā)現(xiàn)證明了理論在本質(zhì)上是正確的。此外，的量子理論也證明了化學的分支分子光譜的價值所在，這個分支也被認為是化學物理學。這類交叉學科領域后來慢慢變成二十世紀二十年代年早期的一個重要的分支，這在很大程度上歸功于的原子和分子結構量子物理學。雖然最開始和最富抱負的工程是想要確立關于原子和分子一般性理論這對物理和化學都具有同樣重要的意義最終失敗了，但這不無意義。從某些方面看，量子力學的出現(xiàn)和其后來二十世紀二十年代晚期發(fā)展成的量子化學也算實現(xiàn)了他的雄心壯志。另一方面，物理學家們和化學家們之間

13、的由于量子力學的出現(xiàn)而被加劇了。這個新理論不僅因為它的抽象性和數(shù)學復雜性讓化學家們感到費解，而且似乎也和以前的理論一樣在化學應用方面毫無建樹。量子化學的第一次突破性進展由（Walter Heitler）和倫敦（Fritz先進的理論物理的文London）的關于 H2（重氫）鍵的完整的量力力學形式的描述是物理學家化的產(chǎn)物，當時他們對結構化學的問題一無所知或者說毫不關心。倫敦對化學中的原子價模型嗤之以鼻。正如他給蹈矩?！钡哪欠輲е谅男派纤鶎憽盎瘜W家都是榆木腦袋，即使讓他感到很費解，他也需要循規(guī)直到二十世紀三十年代，（Linus Pauling）的重要工作才清楚的表明了化學事實和推理模式對量子化學的成功有著的作用。新一代的量