Пионеры атомного века (Великие исследователи от Максвелла до Гейзенберга) - Гернек Фридрих (читать бесплатно полные книги .TXT) 📗
Против резерфордовской модели атома можно было выдвинуть еще одно возражение, которое Гейзенберг сформулировал так: "Никакая планетная система, которая подчиняется законам механики Ньютона, никогда после столкновения с другой подобной системой не возвратится в свое исходное состояние. В то время как, например, атом углерода остается атомом углерода и после столкновения с другими атомами или после того, как он, вступив во взаимодействие с другими атомами, образовал химическое соединение".
Заслуга Бора в том, что он устранил коренные недостатки, присущие модели, предложенной Резерфордом, введя учение о квантах света в теорию строения атома. Его "портрет атома" - это чисто механическая модель с ядром и электронами, которые вращаются вокруг ядра по оптимальным, жестко фиксированным орбитам, представляющая собой, по словам Бора, "маленькую механическую систему, которая в известных главных чертах напоминает нашу планетную систему". Однако ведет себя эта атомная система не так, как классическое механическое образование, которое может принимать и отдавать любое количество энергии, а совершенно по-иному, в соответствии с законами квантового учения.
Десять лет спустя Планк говорил, что смелость теории атомного механизма Бора и полнота его разрыва с укоренившимися и якобы надежными воззрениями не имеет себе равных в истории физической науки. Теория Бора блестяще согласовалась с фактами, что как раз и является важнейшей задачей теории. Наряду с несомненным дарованием в "искусстве синтеза" он обнаружил также отчетливое понимание действительности.
Ставшая всемирно известной атомная модель Бора построена на двух требованиях - "квантовых условиях".
Первое: электроны в атоме вращаются под влиянием кулоновских сил по известным свободным от излучения "квантовым орбитам", соответствующим определенным энергетическим уровням.
Движение электронов при этом определяется константой Планка и последовательностью целых чисел.
Второе: электроны совершают внезапные скачкообразные переходы, "квантовые скачки", между своими свободными от излучения орбитами. Частота колебаний испускаемого при этом света регулируется также квантом действия.
В результате того, что он ввел во внутриатомную динамику эти два кажущиеся произвольными постулата о квантах, точное математическое изложение которых было дано Зоммерфельдом, Бор смог построить удовлетворительную модель атома водорода как самого простого атома. "Тогда как первый постулат подчеркивает общую устойчивость атома, второй прежде всего имеет в виду существование спектров, состоящих из резких линий". Так объяснял Бор оба квантовых условия в своем нобелевском докладе.
Действительно, таким образом могли быть объяснены многие основополагающие результаты спектроскопических исследований. Бор смог расшифровать оптическое явление, которое до того не было разгадано: расположение спектральных линий атома водорода, закономерность которого установил в 1885 году швейцарский физик Иоганн Якоб Бальмер.
Бальмер, имевший значительные заслуги в разработке основанного Бунзеном и Кирхгофом спектрального анализа, был первым, кто в эмпирически найденной формуле математически описал расположение спектральных линий, которые испускаются атомом водорода при электрическом разряде или при тепловом движении. Под непосредственным влиянием исследований Штарка по динамике атома Бору удалось убедительно, с точки зрения физики объяснить "серию Бальмера" и с помощью своей атомной модели вывести предложенную Бальмером формулу.
Из факта четких эмиссионных и абсорбционных линий Бор сделал в духе эйнштейновского учения о квантах света вывод о том, что атом водорода может существовать только при совершенно определенных энергетических состояниях: при энергетических уровнях, которые соответствуют этим состояниям. Если атом при добавлении энергии поднимается на более высокий энергетический уровень, что соответствует переходу его электрона на более далекую от ядра орбиту, то при возвращении в прежнее состояние, то есть обратном переходе электрона на близкую к ядру орбиту, полученная энергия отдается обратно. При этом атом излучает квант света, энергетическое содержание которого определяется из разницы между энергией возбужденного состояния и основного состояния. Под "возбуждением" понимается добавление энергии.
Посредством применения понятия кванта в атомном учении стало возможным решить загадку спектральных линий и по крайней мере в общих чертах объяснить поразительную устойчивость атомов, строение их электронных оболочек и периодическую систему элементов. Теория спектральных линий Бора открыла новую область исследований.
"Большое количество экспериментального материала, полученное спектроскопией в течение нескольких десятилетий, - писал Гейзенберг, теперь, при изучении квантовых законов движения электронов, стало источником информации. Для той же самой цели могли быть использованы многие эксперименты химиков. Имея дело с этим экспериментальным материалом, физики постепенно научились ставить правильные вопросы. А ведь часто правильно поставленный вопрос означает больше чем наполовину решение проблемы".
Научное достижение 27-летнего датчанина было преобразующим, революционным. Он смог совершить его только потому, что ему не мешала идти вперед консервативная направленность ума, излишнее благоговение перед классическими преданиями. Поэтому Бор, а не Планк стал творцом атомной механики и истинным вождем "квантовых теоретиков".
При этом нельзя, конечно, забывать, что основополагающая идея квантования энергии принадлежит не Бору, а Планку. Бор воспринял ее у Планка: в форме эйнштейновского квантового учения, которое уже в основном выходило за рамки гипотезы Планка. Итак, путь идеи проходил от Планка через Эйнштейна к Бору.
"Полвека спустя введение дискретных квантовых состояний электронной системы атома может показаться чем-то само собой разумеющимся, - говорил Джеймс Франк. - Казалось, если бы Бор не ввел эту идею, то вскоре кто-нибудь другой пришел бы к тому же выводу. Такое мнение в корне ошибочно. Сколько мужества, независимости и сосредоточенности на существенном было необходимо, показывает та медлительность, с которой эта идея находила признание у огромной массы физиков".
Так как планковская квантовая гипотеза в то время еще считалась спорной, не удивительно, что попытка Бора основать модель атома на понятии квантов не имела сначала у физиков большого успеха. Некоторым теория Бора казалась "поразительным гибридом, полученным с помощью прививки некоторых черт квантовой теории, исходящей из представлений о прерывности материи, к теории планетных орбит - типичной классической теории, рассматривающей мир как нечто непрерывное", как писал в автобиографии Норберт Винер, основатель кибернетики.
Резерфорд, несмотря на некоторые сомнения, воспринял модель атома Бора с одобрением; но другие известные физики-атомщики решительно отклонили ее. К их числу относился и английский лауреат Нобелевской премии Дж.Дж. Томсон, который приобрел мировую славу благодаря открытию электрона, а также благодаря другим основополагающим достижениям в области исследования атома и который выдвигал свою модель атома.
Арнольд Зоммерфельд, посвятивший впоследствии все свои силы разработке теории атома Бора, вначале также не хотел ничего знать о применении объяснения "серии Бальмера" к модели атома. В дальнейшем фундаментальные исследования Зоммерфельдом тонкой структуры линий водорода и его расчет возможных орбит электронов с учетом моментов теории относительности способствовали тому грандиозному подъему атомизма, который в значительной степени привел к стиранию границы между физикой и химией. Его труд "Строение атома и спектральные линии" считается классической монографией раннего периода современной теории атома.
С точки зрения история науки следует также отметить, что даже Джеймс Франк и Густав Герц, два немецких исследователя, которые в 1913 году внесли важный вклад в атомную физику, вначале не признавали ценности работы своего датского коллеги.
