1897年，J.J.汤姆逊在研究阴极射线的时候，发现了原子中电子的存在。这打破了从古希腊人那里流传下来的“原子不可分割”的理念，明确地向人们展示：原子是可以继续分割的，它有着自己的内部结构。那么，这个结构是怎么样的呢？汤姆逊那时完全缺乏实验证据，他于是展开自己的想象，勾勒出这样的图景：原子呈球状，带正电荷。而带负电荷的电子则一粒粒地“镶嵌”在这个圆球上。这样的一幅画面，也就是史称的“葡萄干布丁”模型，电子就像布丁上的葡萄干一样。

但是，1910年，卢瑟福和学生们在他的实验室里进行了一次名留青史的实验。他们用α粒子（带正电的氦核）来轰击一张极薄的金箔，想通过散射来确认那个“葡萄干布丁”的大小和性质。但是，极为不可思议的情况出现了：有少数α粒子的散射角度是如此之大，以致超过90度。对于这个情况，卢瑟福自己描述得非常形象：“这就像你用十五英寸的炮弹向一张纸轰击，结果这炮弹却被反弹了回来，反而击中了你自己一样”。

卢瑟福发扬了亚里士多德前辈“吾爱吾师，但吾更爱真理”的优良品格，决定修改汤姆逊的葡萄干布丁模型。他认识到，α粒子被反弹回来，必定是因为它们和金箔原子中某种极为坚硬密实的核心发生了碰撞。这个核心应该是带正电，而且集中了原子的大部分质量。但是，从α粒子只有很少一部分出现大角度散射这一情况来看，那核心占据的地方是很小的，不到原子半径的万分之一。

于是，卢瑟福在次年（1911）发表了他的这个新模型。在他描述的原子图象中，有一个占据了绝大部分质量的“原子核”在原子的中心。而在这原子核的四周，带负电的电子则沿着特定的轨道绕着它运行。这很像一个行星系统（比如太阳系），所以这个模型被理所当然地称为“行星系统”模型。在这里，原子核就像是我们的太阳，而电子则是围绕太阳运行的行星们。

但是，这个看来完美的模型却有着自身难以克服的严重困难。因为物理学家们很快就指出，带负电的电子绕着带正电的原子核运转，这个体系是不稳定的。两者之间会放射出强烈的电磁辐射，从而导致电子一点点地失去自己的能量。作为代价，它便不得不逐渐缩小运行半径，直到最终“坠毁”在原子核上为止，整个过程用时不过一眨眼的工夫。换句话说，就算世界如同卢瑟福描述的那样，也会在转瞬之间因为原子自身的坍缩而毁于一旦。原子核和电子将不可避免地放出辐射并互相中和，然后把卢瑟福和他的实验室，乃至整个英格兰，整个地球，整个宇宙都变成一团混沌。

不过，当然了，虽然理论家们发出如此阴森恐怖的预言，太阳仍然每天按时升起，大家都活得好好的。电子依然快乐地围绕原子打转，没有一点失去能量的预兆。而丹麦的年轻人尼尔斯.玻尔照样安安全全地抵达了曼彻斯特，并开始谱写物理史上属于他的华彩篇章。

玻尔没有因为卢瑟福模型的困难而放弃这一理论，毕竟它有着α粒子散射实验的强力支持。相反，玻尔对电磁理论能否作用于原子这一人们从未涉足过的层面，倒是抱有相当的怀疑成分。曼彻斯特的生活显然要比剑桥令玻尔舒心许多，虽然他和卢瑟福两个人的性格是如此不同，后者是个急性子，永远精力旺盛，而他玻尔则像个害羞的大男孩，说一句话都显得口齿不清。但他们显然是绝妙的一个团队，玻尔的天才在卢瑟福这个老板的领导下被充分地激发出来，很快就在历史上激起壮观的波澜。

1912年7月，玻尔完成了他在原子结构方面的第一篇论文，历史学家们后来常常把它称作“曼彻斯特备忘录”。玻尔在其中已经开始试图把量子的概念结合到卢瑟福模型中去，以解决经典电磁力学所无法解释的难题。但是，一切都只不过是刚刚开始而已，在那片还没有前人涉足的处女地上，玻尔只能一步步地摸索前进。没有人告诉他方向应该在哪里，而他的动力也不过是对于卢瑟福模型的坚信和年轻人特有的巨大热情。玻尔当时对原子光谱的问题一无所知，当然也看不到它后来对于原子研究的决定性意义，不过，革命的方向已经确定，已经没有什么能够改变量子论即将崭露头角这个事实了。

在浓云密布的天空中，出现了一线微光。虽然后来证明，那只是一颗流星，但是这光芒无疑给已经僵硬而老化的物理世界注入了一种新的生机，一种有着新鲜气息和希望的活力。这光芒点燃了人们手中的火炬，引导他们去寻找真正的永恒的光明。

终于，7月24日，玻尔完成了他在英国的学习，动身返回祖国丹麦。在那里，他可爱的未婚妻玛格丽特正在焦急地等待着他，而物理学的未来也即将要向他敞开心扉。在临走前，玻尔把他的论文交给卢瑟福过目，并得到了热切的鼓励。只是，卢瑟福有没有想到，这个青年将在怎样的一个程度上，改变人们对世界的终极看法呢？

是的，是的，时机已到。伟大的三部曲即将问世，而真正属于量子的时代，也终于到来。

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饭后闲话：诺贝尔奖得主的幼儿园

卢瑟福本人是一位伟大的物理学家，这是无需置疑的。但他同时更是一位伟大的物理导师，他以敏锐的眼光去发现人们的天才，又以伟大的人格去关怀他们，把他们的潜力挖掘出来。在卢瑟福身边的那些助手和学生们，后来绝大多数都出落得非常出色，其中更包括了为数众多的科学大师们。

我们熟悉的尼尔斯.玻尔，20世纪最伟大的物理学家之一，1922年诺贝尔物理奖得主，量子论的奠基人和象征。在曼彻斯特跟随过卢瑟福。

保罗.狄拉克（Paul Dirac），量子论的创始人之一，同样伟大的科学家，1933年诺贝尔物理奖得主。他的主要成就都是在剑桥卡文迪许实验室做出的（那时卢瑟福接替了J.J.汤姆逊成为这个实验室的主任）。狄拉克获奖的时候才31岁，他对卢瑟福说他不想领这个奖，因为他讨厌在公众中的名声。卢瑟福劝道，如果不领奖的话，那么这个名声可就更响了。

中子的发现者，詹姆斯.查德威克（James Chadwick）在曼彻斯特花了两年时间在卢瑟福的实验室里。他于1935年获得诺贝尔物理奖。

布莱克特（Patrick M. S. Blackett）在一次大战后辞去了海军上尉的职务，进入剑桥跟随卢瑟福学习物理。他后来改进了威尔逊云室，并在宇宙线和核物理方面作出了巨大的贡献，为此获得了1948年的诺贝尔物理奖。

1932年，沃尔顿（E.T.S Walton）和考克劳夫特（John Cockcroft）在卢瑟福的卡文迪许实验室里建造了强大的加速器，并以此来研究原子核的内部结构。这两位卢瑟福的弟子在1951年分享了诺贝尔物理奖金。

这个名单可以继续开下去，一直到长得令人无法忍受为止：英国人索迪（Frederick Soddy），1921年诺贝尔化学奖。瑞典人赫维西（Georg von Hevesy），1943年诺贝尔化学奖。德国人哈恩（Otto Hahn），1944年诺贝尔化学奖。英国人鲍威尔（Cecil Frank Powell），1950年诺贝尔物理奖。美国人贝特（Hans Bethe），1967年诺贝尔物理奖。苏联人卡皮查（P.L.Kapitsa），1978年诺贝尔化学奖。

除去一些稍微疏远一点的case，卢瑟福一生至少培养了10位诺贝尔奖得主（还不算他自己本人）。当然，在他的学生中还有一些没有得到诺奖，但同样出色的名字，比如汉斯.盖革（Hans Geiger，他后来以发明了盖革计数器而著名）、亨利.莫斯里（Henry Mosley，一个被誉为有着无限天才的年轻人，可惜死在了一战的战场上）、恩内斯特.马斯登（Ernest Marsden，他和盖革一起做了α粒子散射实验，后来被封为爵士）……等等，等等。

卢瑟福的实验室被后人称为“诺贝尔奖得主的幼儿园”。他的头像出现在新西兰货币的最大面值——100元上面，作为国家对他最崇高的敬意和纪念。

五

1912年8月1日，玻尔和玛格丽特在离哥本哈根不远的一个小镇上结婚，随后他们前往英国展开蜜月。当然，有一个人是万万不能忘记拜访的，那就是玻尔家最好的朋友之一，卢瑟福教授。

虽然是在蜜月期，原子和量子的图景仍然没有从玻尔的脑海中消失。他和卢瑟福就此再一次认真地交换了看法，并加深了自己的信念。回到丹麦后，他便以百分之二百的热情投入到这一工作中去。揭开原子内部的奥秘，这一梦想具有太大的诱惑力，令玻尔完全无法抗拒。

为了能使大家跟得上我们史话的步伐，我们还是再次描述一下当时玻尔面临的处境。卢瑟福的实验展示了一个全新的原子面貌：有一个致密的核心处在原子的中央，而电子则绕着这个中心运行，像是围绕着太阳的行星。然而，这个模型面临着严重的理论困难，因为经典电磁理论预言，这样的体系将会无可避免地释放出辐射能量，并最终导致体系的崩溃。换句话说，卢瑟福的原子是不可能稳定存在超过1秒钟的。

玻尔面临着选择，要么放弃卢瑟福模型，要么放弃麦克斯韦和他的伟大理论。玻尔勇气十足地选择了放弃后者。他以一种深刻的洞察力预见到，在原子这样小的层次上，经典理论将不再成立，新的革命性思想必须被引入，这个思想就是普朗克的量子以及他的h常数。

应当说这是一个相当困难的任务。如何推翻麦氏理论还在其次，关键是新理论要能够完美地解释原子的一切行为。玻尔在哥本哈根埋头苦干的那个年头，门捷列夫的元素周期律已经被发现了很久，化学键理论也已经被牢固地建立。种种迹象都表明在原子内部，有一种潜在的规律支配着它们的行为，并形成某种特定的模式。原子世界像一座蕴藏了无穷财宝的金字塔，但如何找到进入其内部的通道，却是一个让人挠头不已的难题。

然而，像当年的贝尔佐尼一样，玻尔也有着一个探险家所具备的最宝贵的素质：洞察力和直觉，这使得他能够抓住那个不起眼，但却是唯一的，稍纵即逝的线索，从而打开那扇通往全新世界的大门。1913年初，年轻的丹麦人汉森（Hans Marius Hansen）请教玻尔，在他那量子化的原子模型里如何解释原子的光谱线问题。对于这个问题，玻尔之前并没有太多地考虑过，原子光谱对他来说是陌生和复杂的，成千条谱线和种种奇怪的效应在他看来太杂乱无章，似乎不能从中得出什么有用的信息。然而汉森告诉玻尔，这里面其实是有规律的，比如巴尔末公式就是。他敦促玻尔关心一下巴尔末的工作。

突然间，就像伊翁（Ion）发现了藏在箱子里的绘着戈耳工的麻布，一切都豁然开朗。山重水复疑无路，柳暗花明又一村。在谁也没有想到的地方，量子得到了决定性的突破。1954年，玻尔回忆道：当我一看见巴尔末的公式，一切就都清楚不过了。

要从头回顾光谱学的发展，又得从伟大的本生和基尔霍夫说起，而那势必又是一篇规模宏大的文字。鉴于篇幅，我们只需要简单地了解一下这方面的背景知识，因为本史话原来也没有打算把方方面面都事无巨细地描述完全。概括来说，当时的人们已经知道，任何元素在被加热时都会释放出含有特定波长的光线，比如我们从中学的焰色实验中知道，钠盐放射出明亮的黄光，钾盐则呈紫色，锂是红色，铜是绿色……等等。将这些光线通过分光镜投射到屏幕上，便得到光谱线。各种元素在光谱里一览无余：钠总是表现为一对黄线，锂产生一条明亮的红线和一条较暗的橙线，钾则是一条紫线。总而言之，任何元素都产生特定的唯一谱线。

但是，这些谱线呈现什么规律以及为什么会有这些规律，却是一个大难题。拿氢原子的谱线来说吧，这是最简单的原子谱线了。它就呈现为一组线段，每一条线都代表了一个特定的波长。比如在可见光区间内，氢原子的光谱线依次为：656，484，434，410，397，388，383，380……纳米。这些数据无疑不是杂乱无章的，1885年，瑞士的一位数学教师巴尔末（Johann Balmer）发现了其中的规律，并总结了一个公式来表示这些波长之间的关系，这就是著名的巴尔末公式。将它的原始形式稍微变换一下，用波长的倒数来表示，则显得更加简单明了：

ν＝R（1/2^2 - 1/n^2）

其中的R是一个常数，称为里德伯（Rydberg）常数，n是大于2的正整数（3，4，5……等等）。

在很长一段时间里，这是一个十分有用的经验公式。但没有人可以说明，这个公式背后的意义是什么，以及如何从基本理论将它推导出来。但是在玻尔眼里，这无疑是一个晴天霹雳，它像一个火花，瞬间点燃了玻尔的灵感，所有的疑惑在那一刻变得顺理成章了，玻尔知道，隐藏在原子里的秘密，终于向他嫣然展开笑颜。

我们来看一下巴耳末公式，这里面用到了一个变量n，那是大于2的任何正整数。n可以等于3，可以等于4，但不能等于3.5，这无疑是一种量子化的表述。玻尔深呼了一口气，他的大脑在急速地运转，原子只能放射出波长符合某种量子规律的辐射，这说明了什么呢？我们回忆一下从普朗克引出的那个经典量子公式：E = hν。频率（波长）是能量的量度，原子只释放特定波长的辐射，说明在原子内部，它只能以特定的量吸收或发射能量。而原子怎么会吸收或者释放能量的呢？这在当时已经有了一定的认识，比如斯塔克（J.Stark）就提出，光谱的谱线是由电子在不同势能的位置之间移动而放射出来的，英国人尼科尔森（J.W.Nicholson）也有着类似的想法。玻尔对这些工作无疑都是了解的。

一个大胆的想法在玻尔的脑中浮现出来：原子内部只能释放特定量的能量，说明电子只能在特定的“势能位置”之间转换。也就是说，电子只能按照某些“确定的”轨道运行，这些轨道，必须符合一定的势能条件，从而使得电子在这些轨道间跃迁时，只能释放出符合巴耳末公式的能量来。

我们可以这样来打比方。如果你在中学里好好地听讲过物理课，你应该知道势能的转化。一个体重100公斤的人从1米高的台阶上跳下来，他/她会获得1000焦耳的能量，当然，这些能量会转化为落下时的动能。但如果情况是这样的，我们通过某种方法得知，一个体重100公斤的人跳下了若干级高度相同的台阶后，总共释放出了1000焦耳的能量，那么我们关于每一级台阶的高度可以说些什么呢？

明显而直接的计算就是，这个人总共下落了1米，这就为我们台阶的高度加上了一个严格的限制。如果在平时，我们会承认，一个台阶可以有任意的高度，完全看建造者的兴趣而已。但如果加上了我们的这个条件，每一级台阶的高度就不再是任意的了。我们可以假设，总共只有一级台阶，那么它的高度就是1米。或者这个人总共跳了两级台阶，那么每级台阶的高度是0.5米。如果跳了3次，那么每级就是1/3米。如果你是间谍片的爱好者，那么大概你会推测每级台阶高1/39米。但是无论如何，我们不可能得到这样的结论，即每级台阶高0.6米。道理是明显的：高0.6米的台阶不符合我们的观测（总共释放了1000焦耳能量）。如果只有一级这样的台阶，那么它带来的能量就不够，如果有两级，那么总高度就达到了1.2米，导致释放的能量超过了观测值。如果要符合我们的观测，那么必须假定总共有一又三分之二级台阶，而这无疑是荒谬的，因为小孩子都知道，台阶只能有整数级。

在这里，台阶数“必须”是整数，就是我们的量子化条件。这个条件就限制了每级台阶的高度只能是1米，或者1/2米，而不能是这其间的任何一个数字。

原子和电子的故事在道理上基本和这个差不多。我们还记得，在卢瑟福模型里，电子像行星一样绕着原子核打转。当电子离核最近的时候，它的能量最低，可以看成是在“平地”上的状态。但是，一旦电子获得了特定的能量，它就获得了动力，向上“攀登”一个或几个台阶，到达一个新的轨道。当然，如果没有了能量的补充，它又将从那个高处的轨道上掉落下来，一直回到“平地”状态为止，同时把当初的能量再次以辐射的形式释放出来。

关键是，我们现在知道，在这一过程中，电子只能释放或吸收特定的能量（由光谱的巴尔末公式给出），而不是连续不断的。玻尔做出了合理的推断：这说明电子所攀登的“台阶”，它们必须符合一定的高度条件，而不能像经典理论所假设的那样，是连续而任意的。连续性被破坏，量子化条件必须成为原子理论的主宰。

我们不得不再一次用到量子公式E = hν，还请各位多多包涵。史蒂芬.霍金在他那畅销书《时间简史》的Acknowledgements里面说，插入任何一个数学公式都会使作品的销量减半，所以他考虑再三，只用了一个公式E = mc2。我们的史话本是戏作，也不考虑那么多，但就算列出公式，也不强求各位看客理解其数学意义。唯有这个E = hν，笔者觉得还是有必要清楚它的含义，这对于整部史话的理解也是有好处的，从科学意义上来说，它也决不亚于爱因斯坦的那个E = mc2。所以还是不厌其烦地重复一下这个方程的描述：E代表能量，h是普朗克常数，ν是频率。

回到正题，玻尔现在清楚了，氢原子的光谱线代表了电子从一个特定的台阶跳跃到另外一个台阶所释放的能量。因为观测到的光谱线是量子化的，所以电子的“台阶”（或者轨道）必定也是量子化的，它不能连续而取任意值，而必须分成“底楼”，“一楼”，“二楼”等，在两层“楼”之间，是电子的禁区，它不可能出现在那里。正如一个人不能悬在两级台阶之间漂浮一样。如果现在电子在“三楼”，它的能量用W3表示，那么当这个电子突发奇想，决定跳到“一楼”（能量W1）的期间，它便释放出了W3-W1的能量。我们要求大家记住的那个公式再一次发挥作用，W3-W1 = hν。所以这一举动的直接结果就是，一条频率为ν的谱线出现在该原子的光谱上。

玻尔所有的这些思想，转化成理论推导和数学表达，并以三篇论文的形式最终发表。这三篇论文（或者也可以说，一篇大论文的三个部分），分别题名为《论原子和分子的构造》（On the Constitution of Atoms and Molecules），《单原子核体系》（Systems Containing Only a Single Nucleus）和《多原子核体系》（Systems Containing Several Nuclei），于1913年3月到9月陆续寄给了远在曼彻斯特的卢瑟福，并由后者推荐发表在《哲学杂志》（Philosophical Magazine）上。这就是在量子物理历史上划时代的文献，亦即伟大的“三部曲”。

这确确实实是一个新时代的到来。如果把量子力学的发展史分为三部分，1900年的普朗克宣告了量子的诞生，那么1913年的玻尔则宣告了它进入了青年时代。一个完整的关于量子的理论体系第一次被建造起来，虽然我们将会看到，这个体系还留有浓重的旧世界的痕迹，但它的意义却是无论如何不能低估的。量子第一次使全世界震惊于它的力量，虽然它的意识还有一半仍在沉睡中，虽然它自己仍然置身于旧的物理大厦之内，但它的怒吼已经无疑地使整个旧世界摇摇欲坠，并动摇了延绵几百年的经典物理根基。神话中的巨人已经开始苏醒，那些藏在古老城堡里的贵族们，颤抖吧！

钝化现象与金属和酸的性质有关,铁.铝.锌都能被浓硫酸和硝酸钝化.这是因为这些金属都能形成一层致密的氧化薄膜.而浓硫酸和硝酸都有很强的氧化性.浓硫酸的性质跟稀硫酸不同的原因是,浓硫酸主要以分子存在,分子中的正六价硫表现出的强氧化性,而稀硫酸中硫酸分子全部发生了电离,在稀硫酸中全部以氢离子和硫酸根离子存在,跟金属反应主要是氢离子发生反应.

浓硫酸的化学性质和稀硫酸不一样，它具有强氧化性、吸水性和脱水性。吸水性是指浓硫酸极易吸收水分，所以可用来作为某些气体的干燥剂。脱水性是指浓硫酸将某些含碳、氢、氧元素的化合物按个数比2:1将氢氧元素脱去（可认为脱H2O）。强氧化性是指金属和浓硫酸反应时不能置换出氢气，而是生成二氧化硫和水等。铁和浓硫酸在常温下接触时，在表面反应形成一层致密的氧化物保护膜，防止浓硫酸继续和铁反应，故常用铁桶来运装浓酸酸。实际上，铁和浓硫酸在加热的条件下反应速度较快。反应方程式为：

2Fe+6H2SO4（浓）Fe2(SO4)3+3SO2↑+6H2O

四氧化三铁是不溶解于硫酸的，所以才可以起到保护作用！

铝也能被浓硫酸钝化.

（呵呵，有些长，请您耐心看。好么？） (1) 原子研究发展史
BC400年希腊哲学家德谟克列特提出原子的概念。
1803年道尔顿提出原子说。
1833年法拉第提出电解定律,此暗示原子带电,且电可能以不连续的粒子存在。
1874年司通内建议电解过程被交换的粒子叫做「电子」。
1879年克鲁克斯从放电管(高电压低气压的真空管)中发现阴极射线。
1886年哥德斯坦从放电管中发现阳极射线。
1897年汤姆生证实阴极射线即阴极材料上释放出的高速电子流,并测量出电子的荷质比。e/m=1.7588 × 108 库仑 / 克
1909年米立坎的油滴实验测出电子之带电量,并强化了「电子是粒子」的概念。
1911年拉塞福的α粒子散射实验,发现原子有核,且原子核带正电、质量极大、体积很小。其条利用(粒子(即氦核)来撞击金箔，发现大部分(99.9％)粒子直穿金箔，其中少数成大角度偏折，甚至极少数被反向折回(十万分之一)。
1913年莫士勒从 X 一射线光谱波长的关系,建立原子序概念。
1913年汤姆生之质谱仪测量质量数 , 并发现同位素。
1919年拉塞褔发现质子。其利用α粒子撞击氮原子核与发现质子 接著又用α粒子撞击棚 (B) 、氟 (F) 、铝 (A1) 、磷 (P) 核等也都能产生质子,故推论「质子」为元素之原子核共有成分。
1932年查兑克发现中子。其利用α粒子撞击铍原子核
1935年汤川秀树发现介子理论，这种介子使原子核稳定。1897年，J.J.汤姆逊在研究阴极射线的时候，发现了原子中电子的存在。这打破了从古希腊人那里流传下来的“原子不可分割”的理念，明确地向人们展示：原子是可以继续分割的，它有着自己的内部结构。那么，这个结构是怎么样的呢？汤姆逊那时完全缺乏实验证据，他于是展开自己的想象，勾勒出这样的图景：原子呈球状，带正电荷。而带负电荷的电子则一粒粒地“镶嵌”在这个圆球上。这样的一幅画面，也就是史称的“葡萄干布丁”模型，电子就像布丁上的葡萄干一样。
1910年，卢瑟福和学生们在他的实验室里进行了一次名留青史的实验。他们用α粒子（带正电的氦核）来轰击一张极薄的金箔，想通过散射来确认那个“葡萄干布丁”的大小和性质。但是，极为不可思议的情况出现了：有少数α粒子的散射角度是如此之大，以致超过90度。对于这个情况，卢瑟福自己描述得非常形象：“这就像你用十五英寸的炮弹向一张纸轰击，结果这炮弹却被反弹了回来，反而击中了你自己一样”。

卢瑟福发扬了亚里士多德前辈“吾爱吾师，但吾更爱真理”的优良品格，决定修改汤姆逊的葡萄干布丁模型。他认识到，α粒子被反弹回来，必定是因为它们和金箔原子中某种极为坚硬密实的核心发生了碰撞。这个核心应该是带正电，而且集中了原子的大部分质量。但是，从α粒子只有很少一部分出现大角度散射这一情况来看，那核心占据的地方是很小的，不到原子半径的万分之一。

于是，卢瑟福在次年（1911）发表了他的这个新模型。在他描述的原子图象中，有一个占据了绝大部分质量的“原子核”在原子的中心。而在这原子核的四周，带负电的电子则沿着特定的轨道绕着它运行。这很像一个行星系统（比如太阳系），所以这个模型被理所当然地称为“行星系统”模型。在这里，原子核就像是我们的太阳，而电子则是围绕太阳运行的行星们。

但是，这个看来完美的模型却有着自身难以克服的严重困难。因为物理学家们很快就指出，带负电的电子绕着带正电的原子核运转，这个体系是不稳定的。两者之间会放射出强烈的电磁辐射，从而导致电子一点点地失去自己的能量。作为代价，它便不得不逐渐缩小运行半径，直到最终“坠毁”在原子核上为止，整个过程用时不过一眨眼的工夫。换句话说，就算世界如同卢瑟福描述的那样，也会在转瞬之间因为原子自身的坍缩而毁于一旦。原子核和电子将不可避免地放出辐射并互相中和，然后把卢瑟福和他的实验室，乃至整个英格兰，整个地球，整个宇宙都变成一团混沌。

不过，当然了，虽然理论家们发出如此阴森恐怖的预言，太阳仍然每天按时升起，大家都活得好好的。电子依然快乐地围绕原子打转，没有一点失去能量的预兆。而丹麦的年轻人尼尔斯.玻尔照样安安全全地抵达了曼彻斯特，并开始谱写物理史上属于他的华彩篇章。

玻尔没有因为卢瑟福模型的困难而放弃这一理论，毕竟它有着α粒子散射实验的强力支持。相反，玻尔对电磁理论能否作用于原子这一人们从未涉足过的层面，倒是抱有相当的怀疑成分。曼彻斯特的生活显然要比剑桥令玻尔舒心许多，虽然他和卢瑟福两个人的性格是如此不同，后者是个急性子，永远精力旺盛，而他玻尔则像个害羞的大男孩，说一句话都显得口齿不清。但他们显然是绝妙的一个团队，玻尔的天才在卢瑟福这个老板的领导下被充分地激发出来，很快就在历史上激起壮观的波澜。

1912年7月，玻尔完成了他在原子结构方面的第一篇论文，历史学家们后来常常把它称作“曼彻斯特备忘录”。玻尔在其中已经开始试图把量子的概念结合到卢瑟福模型中去，以解决经典电磁力学所无法解释的难题。但是，一切都只不过是刚刚开始而已，在那片还没有前人涉足的处女地上，玻尔只能一步步地摸索前进。没有人告诉他方向应该在哪里，而他的动力也不过是对于卢瑟福模型的坚信和年轻人特有的巨大热情。玻尔当时对原子光谱的问题一无所知，当然也看不到它后来对于原子研究的决定性意义，不过，革命的方向已经确定，已经没有什么能够改变量子论即将崭露头角这个事实了。

在浓云密布的天空中，出现了一线微光。虽然后来证明，那只是一颗流星，但是这光芒无疑给已经僵硬而老化的物理世界注入了一种新的生机，一种有着新鲜气息和希望的活力。这光芒点燃了人们手中的火炬，引导他们去寻找真正的永恒的光明。

终于，7月24日，玻尔完成了他在英国的学习，动身返回祖国丹麦。在那里，他可爱的未婚妻玛格丽特正在焦急地等待着他，而物理学的未来也即将要向他敞开心扉。在临走前，玻尔把他的论文交给卢瑟福过目，并得到了热切的鼓励。只是，卢瑟福有没有想到，这个青年将在怎样的一个程度上，改变人们对世界的终极看法呢？

是的，是的，时机已到。伟大的三部曲即将问世，而真正属于量子的时代，也终于到来。 1912年8月1日，玻尔和玛格丽特在离哥本哈根不远的一个小镇上结婚，随后他们前往英国展开蜜月。当然，有一个人是万万不能忘记拜访的，那就是玻尔家最好的朋友之一，卢瑟福教授。

虽然是在蜜月期，原子和量子的图景仍然没有从玻尔的脑海中消失。他和卢瑟福就此再一次认真地交换了看法，并加深了自己的信念。回到丹麦后，他便以百分之二百的热情投入到这一工作中去。揭开原子内部的奥秘，这一梦想具有太大的诱惑力，令玻尔完全无法抗拒。

为了能使大家跟得上我们史话的步伐，我们还是再次描述一下当时玻尔面临的处境。卢瑟福的实验展示了一个全新的原子面貌：有一个致密的核心处在原子的中央，而电子则绕着这个中心运行，像是围绕着太阳的行星。然而，这个模型面临着严重的理论困难，因为经典电磁理论预言，这样的体系将会无可避免地释放出辐射能量，并最终导致体系的崩溃。换句话说，卢瑟福的原子是不可能稳定存在超过1秒钟的。

玻尔面临着选择，要么放弃卢瑟福模型，要么放弃麦克斯韦和他的伟大理论。玻尔勇气十足地选择了放弃后者。他以一种深刻的洞察力预见到，在原子这样小的层次上，经典理论将不再成立，新的革命性思想必须被引入，这个思想就是普朗克的量子以及他的h常数。

应当说这是一个相当困难的任务。如何推翻麦氏理论还在其次，关键是新理论要能够完美地解释原子的一切行为。玻尔在哥本哈根埋头苦干的那个年头，门捷列夫的元素周期律已经被发现了很久，化学键理论也已经被牢固地建立。种种迹象都表明在原子内部，有一种潜在的规律支配着它们的行为，并形成某种特定的模式。原子世界像一座蕴藏了无穷财宝的金字塔，但如何找到进入其内部的通道，却是一个让人挠头不已的难题。

然而，像当年的贝尔佐尼一样，玻尔也有着一个探险家所具备的最宝贵的素质：洞察力和直觉，这使得他能够抓住那个不起眼，但却是唯一的，稍纵即逝的线索，从而打开那扇通往全新世界的大门。1913年初，年轻的丹麦人汉森（Hans Marius Hansen）请教玻尔，在他那量子化的原子模型里如何解释原子的光谱线问题。对于这个问题，玻尔之前并没有太多地考虑过，原子光谱对他来说是陌生和复杂的，成千条谱线和种种奇怪的效应在他看来太杂乱无章，似乎不能从中得出什么有用的信息。然而汉森告诉玻尔，这里面其实是有规律的，比如巴尔末公式就是。他敦促玻尔关心一下巴尔末的工作。

突然间，就像伊翁（Ion）发现了藏在箱子里的绘着戈耳工的麻布，一切都豁然开朗。山重水复疑无路，柳暗花明又一村。在谁也没有想到的地方，量子得到了决定性的突破。1954年，玻尔回忆道：当我一看见巴尔末的公式，一切就都清楚不过了。

要从头回顾光谱学的发展，又得从伟大的本生和基尔霍夫说起，而那势必又是一篇规模宏大的文字。鉴于篇幅，我们只需要简单地了解一下这方面的背景知识，因为本史话原来也没有打算把方方面面都事无巨细地描述完全。概括来说，当时的人们已经知道，任何元素在被加热时都会释放出含有特定波长的光线，比如我们从中学的焰色实验中知道，钠盐放射出明亮的黄光，钾盐则呈紫色，锂是红色，铜是绿色……等等。将这些光线通过分光镜投射到屏幕上，便得到光谱线。各种元素在光谱里一览无余：钠总是表现为一对黄线，锂产生一条明亮的红线和一条较暗的橙线，钾则是一条紫线。总而言之，任何元素都产生特定的唯一谱线。

但是，这些谱线呈现什么规律以及为什么会有这些规律，却是一个大难题。拿氢原子的谱线来说吧，这是最简单的原子谱线了。它就呈现为一组线段，每一条线都代表了一个特定的波长。比如在可见光区间内，氢原子的光谱线依次为：656，484，434，410，397，388，383，380……纳米。这些数据无疑不是杂乱无章的，1885年，瑞士的一位数学教师巴尔末（Johann Balmer）发现了其中的规律，并总结了一个公式来表示这些波长之间的关系，这就是著名的巴尔末公式。将它的原始形式稍微变换一下，用波长的倒数来表示，则显得更加简单明了：

ν＝R（1/2^2 - 1/n^2）

其中的R是一个常数，称为里德伯（Rydberg）常数，n是大于2的正整数（3，4，5……等等）。

在很长一段时间里，这是一个十分有用的经验公式。但没有人可以说明，这个公式背后的意义是什么，以及如何从基本理论将它推导出来。但是在玻尔眼里，这无疑是一个晴天霹雳，它像一个火花，瞬间点燃了玻尔的灵感，所有的疑惑在那一刻变得顺理成章了，玻尔知道，隐藏在原子里的秘密，终于向他嫣然展开笑颜。

我们来看一下巴耳末公式，这里面用到了一个变量n，那是大于2的任何正整数。n可以等于3，可以等于4，但不能等于3.5，这无疑是一种量子化的表述。玻尔深呼了一口气，他的大脑在急速地运转，原子只能放射出波长符合某种量子规律的辐射，这说明了什么呢？我们回忆一下从普朗克引出的那个经典量子公式：E = hν。频率（波长）是能量的量度，原子只释放特定波长的辐射，说明在原子内部，它只能以特定的量吸收或发射能量。而原子怎么会吸收或者释放能量的呢？这在当时已经有了一定的认识，比如斯塔克（J.Stark）就提出，光谱的谱线是由电子在不同势能的位置之间移动而放射出来的，英国人尼科尔森（J.W.Nicholson）也有着类似的想法。玻尔对这些工作无疑都是了解的。

一个大胆的想法在玻尔的脑中浮现出来：原子内部只能释放特定量的能量，说明电子只能在特定的“势能位置”之间转换。也就是说，电子只能按照某些“确定的”轨道运行，这些轨道，必须符合一定的势能条件，从而使得电子在这些轨道间跃迁时，只能释放出符合巴耳末公式的能量来。

我们可以这样来打比方。如果你在中学里好好地听讲过物理课，你应该知道势能的转化。一个体重100公斤的人从1米高的台阶上跳下来，他/她会获得1000焦耳的能量，当然，这些能量会转化为落下时的动能。但如果情况是这样的，我们通过某种方法得知，一个体重100公斤的人跳下了若干级高度相同的台阶后，总共释放出了1000焦耳的能量，那么我们关于每一级台阶的高度可以说些什么呢？

明显而直接的计算就是，这个人总共下落了1米，这就为我们台阶的高度加上了一个严格的限制。如果在平时，我们会承认，一个台阶可以有任意的高度，完全看建造者的兴趣而已。但如果加上了我们的这个条件，每一级台阶的高度就不再是任意的了。我们可以假设，总共只有一级台阶，那么它的高度就是1米。或者这个人总共跳了两级台阶，那么每级台阶的高度是0.5米。如果跳了3次，那么每级就是1/3米。如果你是间谍片的爱好者，那么大概你会推测每级台阶高1/39米。但是无论如何，我们不可能得到这样的结论，即每级台阶高0.6米。道理是明显的：高0.6米的台阶不符合我们的观测（总共释放了1000焦耳能量）。如果只有一级这样的台阶，那么它带来的能量就不够，如果有两级，那么总高度就达到了1.2米，导致释放的能量超过了观测值。如果要符合我们的观测，那么必须假定总共有一又三分之二级台阶，而这无疑是荒谬的，因为小孩子都知道，台阶只能有整数级。

在这里，台阶数“必须”是整数，就是我们的量子化条件。这个条件就限制了每级台阶的高度只能是1米，或者1/2米，而不能是这其间的任何一个数字。

原子和电子的故事在道理上基本和这个差不多。我们还记得，在卢瑟福模型里，电子像行星一样绕着原子核打转。当电子离核最近的时候，它的能量最低，可以看成是在“平地”上的状态。但是，一旦电子获得了特定的能量，它就获得了动力，向上“攀登”一个或几个台阶，到达一个新的轨道。当然，如果没有了能量的补充，它又将从那个高处的轨道上掉落下来，一直回到“平地”状态为止，同时把当初的能量再次以辐射的形式释放出来。

关键是，我们现在知道，在这一过程中，电子只能释放或吸收特定的能量（由光谱的巴尔末公式给出），而不是连续不断的。玻尔做出了合理的推断：这说明电子所攀登的“台阶”，它们必须符合一定的高度条件，而不能像经典理论所假设的那样，是连续而任意的。连续性被破坏，量子化条件必须成为原子理论的主宰。

我们不得不再一次用到量子公式E = hν，还请各位多多包涵。史蒂芬.霍金在他那畅销书《时间简史》的Acknowledgements里面说，插入任何一个数学公式都会使作品的销量减半，所以他考虑再三，只用了一个公式E = mc2。我们的史话本是戏作，也不考虑那么多，但就算列出公式，也不强求各位看客理解其数学意义。唯有这个E = hν，笔者觉得还是有必要清楚它的含义，这对于整部史话的理解也是有好处的，从科学意义上来说，它也决不亚于爱因斯坦的那个E = mc2。所以还是不厌其烦地重复一下这个方程的描述：E代表能量，h是普朗克常数，ν是频率。

回到正题，玻尔现在清楚了，氢原子的光谱线代表了电子从一个特定的台阶跳跃到另外一个台阶所释放的能量。因为观测到的光谱线是量子化的，所以电子的“台阶”（或者轨道）必定也是量子化的，它不能连续而取任意值，而必须分成“底楼”，“一楼”，“二楼”等，在两层“楼”之间，是电子的禁区，它不可能出现在那里。正如一个人不能悬在两级台阶之间漂浮一样。如果现在电子在“三楼”，它的能量用W3表示，那么当这个电子突发奇想，决定跳到“一楼”（能量W1）的期间，它便释放出了W3-W1的能量。我们要求大家记住的那个公式再一次发挥作用，W3-W1 = hν。所以这一举动的直接结果就是，一条频率为ν的谱线出现在该原子的光谱上。

玻尔所有的这些思想，转化成理论推导和数学表达，并以三篇论文的形式最终发表。这三篇论文（或者也可以说，一篇大论文的三个部分），分别题名为《论原子和分子的构造》（On the Constitution of Atoms and Molecules），《单原子核体系》（Systems Containing Only a Single Nucleus）和《多原子核体系》（Systems Containing Several Nuclei），于1913年3月到9月陆续寄给了远在曼彻斯特的卢瑟福，并由后者推荐发表在《哲学杂志》（Philosophical Magazine）上。这就是在量子物理历史上划时代的文献，亦即伟大的“三部曲”。

这确确实实是一个新时代的到来。如果把量子力学的发展史分为三部分，1900年的普朗克宣告了量子的诞生，那么1913年的玻尔则宣告了它进入了青年时代。一个完整的关于量子的理论体系第一次被建造起来，虽然我们将会看到，这个体系还留有浓重的旧世界的痕迹，但它的意义却是无论如何不能低估的。量子第一次使全世界震惊于它的力量，虽然它的意识还有一半仍在沉睡中，虽然它自己仍然置身于旧的物理大厦之内，但它的怒吼已经无疑地使整个旧世界摇摇欲坠，并动摇了延绵几百年的经典物理根基。神话中的巨人已经开始苏醒，那些藏在古老城堡里的贵族们，颤抖吧！
(2)美国研制出能够看见原子的电子显微镜 据美联社报道，美国橡树岭国家实验室的研究人员正在以创记录的分辨率清楚地观察原子世界，因为他们研究出的电子显微镜能够能分辨出硅晶体的单个、哑铃形状的原子。 　　橡树岭国家实验室电子显微镜研究小组的负责人斯蒂芬·彭尼库克说：“每当你能更加清楚地看到某种东西的时候，那么你便能了解一些秘密。”彭尼库克及其同事在《科学》杂志上的一篇文章中说，他们观察原子的图像分辨率已达到0.6埃，打破了橡树岭国家实验室今年早些时候刚刚创立的0.7埃图像辨析率的记录。 　　埃是光谱线波长的最小单位。一埃大约仅仅是人头发丝直径的五十万分之一。大多数原子的直径大约只有1埃。彭尼库克说：“我们正跨进一道原本无法企及的门槛，在里面我们有史以来第一次真正清楚地看到了原子。”彭尼库克表示，具备观测材料在原子水平下结合过程的能力可能会极大促进半导体产业、化学以及新材料开发的发展。 　　橡树岭国家实验室使用电子显微镜看见了以红色哑铃形状出现的硅原子图像，图像的分辨率达到了0.78埃。彭尼库克说：“这是我们首次获得低于埃的分辨率的明确证据。”橡树岭国家实验室是美国能源部下属的一个实验室。由彭尼库克领导的研究小组使用过一种30万伏的尖端电子显微镜，再辅以美国尼昂公司开发的一种称为像差修正的新型计算机化成像技术，对原子进行研究。 　　彭尼库克称这种分辨率修正技术能够同时给26块透镜调焦。彭尼库克说：“这项研究真正是一项具有历史意义的成果，因为过去50年科学家一直在进行这方面的研究，只是在最近几年才真正证明这种技术是可行的。”5年前，橡树岭国家实验室在没有使用像差修正技术的情况下创造了1.3埃图像分辨率的世界记录。而在今年早些时候，该实验室使用像差修正技术再次创造了0.7埃图像分辨率的世界记录。研究人员称他们下一个目标将是在三维空间下观察原子。

生活在17世纪的惠更斯提出光的波动说，认为光像水波一样传播，两个波峰之间的距离叫波长，单位时间内的波动次数叫频率。不同波长（频率）的光颜色不同，各种不同波长（频率）的光构成光谱。

1800年，赫歇尔在测量太阳光谱不同区域的温度时，发现在光的红端（波长较长的一端）以外没有阳光照射的地方，其温度比阳光照射的地方还高，他因此断定那里有“看不见的光线”，现在叫作“红外线”。

1801年，德国物理学家约翰·里特尔又发现“紫外线”（它使氯化银变黑）。

1870年，英国物理学家麦克斯韦尔创建电磁理论，证明电和磁是电磁场的不同表现形式，电磁场的周期性变化会产生电磁辐射。根据他的理论，电磁辐射除可见光、红外线和紫外线以外，还有比红外线波长更长和比紫外线波长更短的任意波长的看不见的光线。到20世纪初，科学家在实验室相继发现比红外线波长更长的无线电波，比紫外线波长更短的X射线和g射线。后来又陆续探测到天体发射的各种电磁辐射。

将各种电磁辐射按波长依次排列起来，我们就得到了一幅完整的电磁辐射谱。

波长最短的是g射线，其波长小于0.01纳米（10亿分之一米），每个g射线光子的能量是可见光光子的100万倍，是能量最大的电磁辐射。中子星（脉冲星）、类星体、遥远星系大爆炸和物质、反物质湮灭等会产生g射线；

X射线，波长在0.01~10纳米之间。恒星、星系、类星体和黑洞附近的温度100万~1亿°C的热气体会发射X射线；

紫外线，波长在10~390纳米之间。炽热的恒星发射紫外线，正是紫外线将它们的大部分能量辐射出来；

可见光，波长在390~700纳米之间，是肉眼唯一能看到的电磁辐射，绝大多数恒星都发射可见光，叫光辐射；

红外线，波长在700纳米～1毫米之间，温度在1000°C以下、绝对零度以上的物体都发射红外线，又叫热辐射；

射电波（即无线电波），又叫射频电波，波长在1毫米～1000米之间，许多恒星（包括脉冲星）、活动星系、超新星遗迹，以及宇宙大爆炸本身都发射射电波。

光谱其实没有终端，波长越来越短、能量越来越高的g射线，只是越来越少，而不会嘎然而止；波长越来越长的射电波也一样。

宇宙中的电磁辐射，有如一首乐曲，每种辐射代表一个乐符、一个节拍，只有欣赏到每个节拍，才能完整地领会到宇宙的和谐和美妙。

光谱、物质成分和温度

不同物质辐射不同波长的电磁光谱，不同波长的电磁光谱反映物质的不同温度。因而分析天体的电磁光谱，可以知道天体的物质成分和温度。

这里我们先以可见光为例来说明不同波长对应不同的物质元素。

我们知道，可见光是不同波长的混合光，波长从390纳米到700纳米，每一种波长对应一种颜色，波长最短的是紫色，最长的是红色，两者之间以紫、青、蓝、绿、黄、橙、红的次序过渡。因而，可见光也是不同颜色的混合光。

通过棱镜或衍射光栅，可把可见光分解成从紫到红连续排列的光谱。

研究发现，不同元素可在1~3个波长上发出可见光。举例如下：
铁：373、375和382纳米；
镁：383、384和518纳米；
硅：390纳米；
钙：393和397纳米；
铝：394纳米；
氢：434、486和656纳米；
氦：467和588纳米；
氧：510和630纳米；
钠：589和590纳米；
……

在实验室里我们可获得这些标准光谱。然后将望远镜收集到的恒星或星际气体的光谱与其对照，就可知道它们是由哪些元素组成的，如一颗恒星在434、486、656和467、588纳米的波长上发光，则这颗恒星由氢和氦组成；一种星际气体在589、590纳米波长上发光，则它是钠气云。

以上是通过发射光谱分析天体成分。也可通过吸收光谱分析天体成分。如望远镜收集到的某恒星光谱，在434、486、589、590、656纳米波长上为暗线，这是因为该恒星发出的可见光在穿过它的大气层时，被氢和钠吸收了，表示它的大气中有氢和钠的成分。

理论和实验使我们知道，电磁辐射的频率越高，则它所携带的能量越大；天体的温度越高，能量越大，其电磁辐射的频率越高。温度在绝对零度（0K）以上的物体都有电磁辐射，稍高于0K的物体辐射射电波，宇宙背景的温度为2.7K，所以辐射微波；温度再高一些的物体辐射红外线，如人体温度为309K左右，所以辐射红外线，辐射红外线的高峰温度在1000K左右；温度9000K左右的物体辐射可见光，大多数恒星的表面温度为几千K，所以发射可见光；温度在2万K左右的物体辐射紫外线；温度在几百万K到1亿K的物体辐射X射线；温度几十亿K以上的物体辐射g射线。

望远镜收集到天体的电磁波后，它的摄谱仪将其按波长分解，以显示其辐射强度，而它的电子计算机则分析天体的温度和组成成分。

其二：
任何物体表现出的颜色，都是可见光颜色的体现。只有有光存在的前提下，物体才能呈现出颜色，如果没有光，所有的物体全是黑色的。到了晚上，任何鲜艳的色彩都失去了魅力，我们只能看到漆黑一团。

地球上唯一的自然光源是太阳，太阳光到达地球表面时有一个很广泛的光谱，其宽度在290纳米到1100纳米之间，我们人类的肉眼只能看到其中的一部分，我们把它称为可见光，其波长范围在440纳米到700纳米之间，按照从长到短的顺序依次为赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫。波长长于红光的叫红外光，短于紫光的叫紫外光。红外光和紫外光是我们人类的肉眼感知不到的。

物体为什么会呈现出不同的颜色？这是由于物体吸收哪部分可见光所决定的。如果一个物体吸收所有的可见光，我们看到的这个物体是黑色，如果这个物体反射出所有的光线，我们看到的就是白色，如果这个物体只吸收一部分光线，而反射另外一部分光线，我们看到这个物体的颜色就是它反射出来的那部分光线的颜色。

当太阳光照射到物体上时，物体中的原子就会根据频率条件，有选择地吸收具有某些能量的光子，而不符合频率条件的那些光子，就被物体里的原子“弹”了回去，物体的颜色就是它“弹”回去的色光，这是大部分物质颜色的成因。就拿红花为什么是红的来说吧，红花之所以是红的，是因为这种花把一阳光中的红色光“弹”了回去，把剩余的光都吸收了。

当太阳光照到透明物体上时，一部分光会透过它，透过来的光的颜色就是这种透明物体的颜色。比如，黄色滤色镜只让黄色光透过去，把其他颜色的光都反射掉了。

但是并不能说，只有太阳光或灯光等光源照射物体，物体才会有颜色。物理学家告诉我们，物体在加热、燃烧的时候，常常也会发出光来。干柴在燃烧时发光，灯泡里的钨丝被电流加热到2800摄氏度左右的时候就会发出白色的光……，这些都是物体直接发出光的例子。

但是，物体并不是一定要在高温下才开始发光，实际上，物体在任何温度下都在发光，只不过温度低的物体发出的光是我们眼睛看不见的红外光。当温度升高到500 摄氏度的时候，物体才反射出一部分暗红色的可见光来。

如果温度继续升高，物体反射的各种波长的可见光就丰富起来。温度不同，物体发光的颜色也不同。物理学家的研究成果表明，物体的温度越高，它所辐射的光波波长就越短。所以天文学家根据太阳的颜色，就能推算出太阳的表面温度。

其三：

激光是光学原理的一种应用，但是究竟要怎么样才能从普通的光线变成激光？这就得先了解原子发光的原理。一个原子从高能阶降到低能阶时，会放出一个光子，叫做自发放光。原子在高能阶时受到一个光子的撞击，就会受激而放出另外一个相同的光子，变成两个光子，叫做受激放光。如果受激放光的过程持续产生，则所发出来的光子便会越来越多。只要我们把高能阶的原子数量控制在高于低能阶的原子数量，那么受激放光的过程就会持续产生，这种控制原子受激放光的装置我们称它为“光放大器”。

我们也知道，光线发射出去时是以光速朝各个方向前进的，为了让产生的光线能够被收集起来并持续放大加以利用，则必须利用叫做「共振腔」的设备，把由光放大器所产生的光线用反射镜局限在一个特定的范围内，让光线可以来回反射，且由于光放大器所产生的光子是相同的，所以行进的方向也会相当一致。透过共振腔的作用，能让光线行进的方向完全相同，也就是说拥有跟共振腔相同方向的光线才会被放大，其余不同方向的光线都不会放大，这是产生激光的首要条件。

共振腔还有另外一个作用，那就是限制激光的频率。光线要在共振腔产生共振必须符合 L = nλ／2 的关系（L 是共振腔长度，λ 是波长，n 是固定倍数），所以并非所有频率的光线都可以在共振腔中产生共振，而是只有符合这规则的才会产生共振。不过，共振腔的长度（L）可以长达数公尺，而光的波长（λ）却是以微米为单位，这两者之间相差了 100 万倍，也就是说符合条件的 n 范围相当大，而非只有单一频率。可以同时发出这么多频率的光，就给了我们建造脉冲激光的条件。

其四：

物体为什么会发光？参见以下地址：
http://www.physicsfans.org/viewthread.php?tid=179485

其五：
一、光与色
光是一种电磁波，它由不同的波长组成。通常的白光，如太阳光，是由来400-700纳米不同波长的连续光波混合而成的，它也是我们常说的可见光。在可见光范围内，不同波长的光波，使人产生不同的色感。在光谱中，一种颜色向另一种颜色转变是逐渐过渡的，在光谱上看到的颜色叫光谱色，不能分解的光谱色称为单光，由两种以上单色混合而成的色叫复色。

二、物体的色
物体的色是人的视觉器官受光后在大脑的一种反映。
物体的色取决于物体对各种波长光线的吸收、反射和透视能力。物体分消色物体和有色物体。

1、消色物体的色

消色物体指黑、白、灰色物体，它对照明光线具有非选择性吸收的特性，即光线照射到消色物体上时，被吸收的入射光中的各种波长的色光是等量的；被反射或透射的光线，其光谱成分也与入射光的光谱成分相同。当白光照射到消色物体上时，反光率在前75%以上，即呈白色；反光率在10%以下，即呈黑色；反光率介于两者之间，就呈深浅不同的灰色。

2、有色物体的色

有色物体对照明光线具有选择性吸收的特性，即光线照射到有色物体上时，入射光中被吸收的各种波长的色光是不等到量的，有的被多吸收，有的被少吸收。白光照射到有色物体上，其反射或透射的光线与入射光线相比，不仅亮度有所减弱，光谱成分也改变了，因而呈现出各种不同的颜色。

3、光源的光谱成分对物体颜色的影响

当有色光照射到消色物体时，物体反射光颜色与入射光颜色相同。两种以上有色光同时照射到消色物体上时，物体颜色呈加色法效应。如红光和绿光同时照射白色物体，该物体就呈黄色。

当有色光照射到有色物体上时，物体的颜色呈减色法效应。如黄色物体在品红光照射下呈现红色，在青色光照射下呈现绿色，在蓝色光照射下呈现灰色或黑色。

三、原色光与补色光

1、原色光

等量的红光、绿光、蓝光相加即产生白光，而不等量的红绿、蓝光相加，便会产生其他色光。在摄影中，把红光、绿光、蓝光称为三原色光。

2、补色光

任何两种色光相加后如能产生白光，这两种色光就互称为补色光。红、绿、蓝三原色光的补色光分别为青、品、黄色光。红光与青光、绿光与品红光、蓝光与黄光互为补色光。

3、六星图

图中表明：每一种色光都是同它相邻的两种色光组成，如红光由黄光和品红光组成，黄光由红光和绿光组成，绿光由黄光和青光组成，青光由绿光和蓝光组成，蓝光由青光品红光组成，品红光由蓝光和红光组成。

由此可见，每种原色光是由两种补色光组成，每种补色光则由两种原色光组成。此外，该图还表明了每一种原色光所对应的补色光，即红与青、蓝与黄、绿与品红互为补色光。

四、彩色摄影的减色法原理

现代彩色摄影是采用减色法原理来获取彩色影像的，所谓减色法原理就是运用青、品、黄三种颜色的单色影像来叠合成各种色彩。等量的红光与绿光混合产生黄光，等量的红光与蓝光混合产生品光，等量的绿光与蓝光混合产生青光；等量的黄光与品光相叠产生红光，等量的青光与吕光相叠产生蓝光，同样，等量的青光与黄光相垒产生绿光。而当等量的黄、品、青三色相垒则产生灰色或黑色。如果黄、品、青三色的密度不等，那么，它们相垒后就会出现各种不同的颜色。

其他参考地址：http://resource.ahedu.cn/statics/tbfd/gzpdx/tbfd/g2wl/g2wl07/zstz-1.htm#3

通常人眼所见到的光线,是由7种色光的光谱所组成.但其中有些光线偏蓝,有些则偏红,色温就是专门用来量度光线的颜色成分的.
用以计算光线颜色成分的方法,是19世纪末由英国物理学家洛德·开尔文所创立的,他制定出了一整套色温计算法,而其具体厦定的标准是基于以一黑体辐射器所发出来的波长.
开尔文认为,假定某一纯黑物体,能够将落在其上的所有热量吸收,而没有损失,同时又能够将热量生成的能量全部以“光”的形式释放出来的话,它便会因受到热力的高低而变成不同的颜色.例如,当黑体受到的热力相当于500—550摄氏度时,就会变成暗红色,
到1050一1150摄氏度时
,就变成黄色……因而,光源的颜色成分是与该黑体所受的热力温度相对应的.只不过色温是用开尔文(.K)色温单位来表示,而不是用摄氏温度单位.打铁过程中,黑色的铁在炉温中逐渐变成红色,这便是黑体理论的最好例子.当黑体受到的热力使它能够放出光谱中的全部可见光波时,它就变成白色,通常我们所用灯泡内的钨丝就相当于这个黑体.色温计算法就是根据以上原理,用.K来表示受热钨丝所放射出光线的色温.根据这一原理,任何光线的色温是相当于上述黑体散发出同样颜色时所受到的“温度”.
色温：光源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射光色相同时,黑体的温度称为该光源的色温.
因为在部分光源所发出的光通称为白光,故光源的色表温度或相关色温度即用以指称其光色相对白的程度,以量化光源的光色表现.根据Max Planck的理论,将一具完全吸收与放射能力的标准黑体加热,温度逐渐升高光度亦随之改变；CIE色座标上的黑体曲线显示黑体由红枣橙红枣黄枣黄白枣白枣蓝白的过程.黑体加温到出现与光源相同或接近光色时的温度,定义为该光源的相关色温度,称色温,以绝对温度K（Kelvin,或称开氏温度）为单位（K=℃+273.15）.因此,黑体加热至呈现红色时温度约为527℃即800K,其他温度影响光色变化.
光色愈偏蓝,色温愈高；偏红则色温愈低.一天当中光的光色亦随时间变化；日出后40分钟光色较黄,色温3000K；下午阳光雪白,上升至4800-5800K；阴天正午时分则约6500K；日落前光色偏红,色温又降至2200K.
因相关色温度事实上是以黑体辐射接近光源光色时,对该光源光色表现的评价值,并非一种精确的颜色对比,故具相同色温值的二光源,可能在光色外观上仍有些许差异.仅凭色温无法了解光源对物体的显色能力,或在该光源下特体颜色的再现如何.

有温度的物体都会发射电磁波，温度越高物体内能越大，发出的辐射能量也越大。常温下物体发出的电磁波频率在红外线范围，故眼睛看不到。当温度上升电磁波频率增大达到可见光时人眼即可见。可见光中红光频率最小，故最先看见。温度继续上升时电磁波频率继续变短，颜色逐渐变为橙、黄、蓝、白等。最后频率超过可见光范围，则人眼不可见。

红到白~一般物体都是这样

红橙黄蓝白