主题：【原创翻译】《量子》----第二部·男孩物理 -- 奔波儿

利用已有的量子物理以及经典物理学理论都无法解释这些额外的谱线，因而这种现象被称为“奇异”塞曼效应；但实际上，这种异常现象相对那些“正常”而言的要更为常见。在泡利看来，这种情况反映出“已有的那些理论定律大败亏输”。泡利给自己确定的任务就是解释这种异常的现象，但是他无法找到答案。“到目前为止，我已经完全步入歧途”，他在1923年6月在写给索末菲的信中说道。这个问题困扰了泡利很久，他后来承认说自己在一段时期甚至彻底陷入绝望。

一天，研究所里的一位物理学家偶遇泡利，当时他正在哥本哈根的大街上溜达。同事说：“你看上去好像不高兴啊”。泡利转头对他说：“一个整日惦记奇异塞曼效应的人怎么高兴得起来呢？”泡利觉得用这些临时性的法则来解释这种复杂的原子谱线结构怕是不够用，他想构建一个更加深入而基础的理论。他认为，导致这种异常的部分原因是玻尔的理论中关于元素周期表的猜测存在问题，该理论对原子内部的电子分布所做的描述真的正确吗？

1922年的时候，人们认同玻尔----索末菲模型中的电子是在三维的“层”中运动的。但在原子内部，实质并不存在这种“层”，而是能级，而电子是簇集在这些能级上的。氦（Helium），氖（Neon），氩（Argon），氪（Krypton），氙（Xenon）和氡（Radon）等所谓的“惰性气体（Noble Gas）”均极有非常稳定的特性，这个关键线索帮助玻尔构建了这种新的电子层原子模型。这些元素的原子数分别为2，10，18，36，54和86，需要极高的能量才能将它们离子化，即驱离其原子核中的一个电子，从而将其变成一个正电子；另外，这些元素的化学性质也很稳定，很难与其它元素一起形成化合物。这说明在这些元素的原子内部，电子的分布状态非常稳定，并形成“闭合壳层（Closed Shell）”。在元素周期表中，这些惰性气体元素的化学性质与那些排名较前的元素，例如氢以及卤族元素（Halogens：氟（Fluorine）、氯（Chlorine），溴（Bromine），碘（Iodine）和砹（Astatine）），形成了鲜明的对比。这些元素的原子数分别为1，9，17，35，53和85，它们都很容易与其它元素结合形成化合物。与那些化学性质稳定的惰性元素不同，在氢和卤族元素的最外侧的电子层中，仅存在单个的空位，它们在化学反应过程中，很容易就能够从其它元素的原子中抢来电子，用来充填这个空位。通过这种方法，这些最终形成的负离子就有了一套完整的或者“闭合的”电子层，从而能够像惰性气体一样拥有高度稳定的电子分布状态。与卤族元素相对应的是碱金属元素族（Alkalis），即锂（Lithium），钠（Sodium），钾（Potassium）， 铷（Rubidium），铯（Caesium）和钫（Francium），这些元素在形成化合物时很容易失去电子，因为其失去电子以后就变成了正电子，其电子分布状态与惰性气体一致。

这三组元素的化学特性在部分程度上为玻尔提供了证据，促使他提出了提出一种观点，即在元素周期表上的同一行上，每一个元素都是在前一个元素的基础上通过在其最外层的电子层上增加一个电子而形成的。每一行终结的位置就是一个惰性元素，因为此时其最外侧的电子层齐装满员。闭合圈层以外的电子被称为“价电子（Valence Eletron）”，只有这种价电子才会参与到化学反应中去，因此这些拥有相同价电子数的元素具有类似的化学性质，并在元素周期表中占据相同的列。卤族元素在其最外侧电子层都具有7个电子，仅需再获得一个电子就能形成闭合电子层，从而拥有和惰性气体一模一样的电子分布状态。另一方面，碱金属元素只需失去一个价电子，也能达到相同的效果。

1922年6月，在哥廷根的学术讲座上，泡利亲耳聆听了玻尔所论述的以上这些观点。索末菲对这一电子层原子模型持欢迎态度，并盛赞该理论是“自1913年以来在原子结构研究领域最伟大的进展”。如果索末菲能够在数学上按照2，8，18，...这种顺序将元素周期表上的元素一行行构建出来，那么这将正如他向玻尔说的那样，会是“物理学上最大胆的一次尝试得以功德圆满”。但说实话，在数学上并不存在严格的推理能够支持这一新的电子层模型。甚至连卢瑟福都对玻尔说他在“琢磨你是如何得到你的这个结论”时，百思不得其解。但是，毫无疑问的是，人们不得不重视玻尔的这一理论，尤其是在他于1922年12月获得了诺贝尔奖之后。而玻尔获奖的原因是因为他指出原子数为72的未知元素，即后来被人们称作“铪（Hafnium）”的这一元素，并不属于“稀土”元素族，而他的这一观点被证实是正确的。然而，在玻尔的电子层模型背后，并没有任何条理清晰的定律或者准则。虽然这一理论在很大程度上能够解释元素周期表上不同元素族的化学特性，但它不过是根据化学和物理数据所做的一次巧妙的即兴发挥而已。这一理论的巅峰之作就是它准确预测了铪元素。

第七章·自旋博士（5）

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