Страница 4 из 77
Теперь мы знаем: заряд ядра соответствует номеру элемента в таблице Менделеева. Следовательно, этому же номеру соответствует количество электронов в атоме. Значит, номер, под которым стоит атом в таблице Менделеева, определяет химические свойства этого атома.
Логическая цепочка, которая сегодня всем очевидна. Но путь к пониманию этой взаимосвязи был нелегким. Поначалу модель атома, предложенная Резерфордом, вызвала противоречивую реакцию. С одной стороны, она открывала путь к объяснению физических и химических закономерностей. С другой — явно противоречила теории Максвелла, надежно обоснованной множеством разнообразных экспериментов.
Прежде чем обсудить, в чем заключается это противоречие, следует представить читателю молодого датского физика, который, ответив на этот вопрос, круто изменил плавное развитие классической физики.
Защитив диссертацию в родном Копенгагене, Нильс Бор поехал в Кембридж к Дж. Дж. Томсону, прославившемуся открытием электрона и созданием модели строения атома. Это была дорезерфордовская модель: внутри сферы, равномерно заполненной положительным зарядом, располагались отрицательные электроны. Их суммарный заряд компенсировал положительный заряд, распределенный внутри сферы. Изучая статьи Томсона, Бор увидел огрехи в его модели. И решил поделиться своими мыслями со знаменитым ученым. Но Томсона не заинтересовали идеи Бора. Тщетно в течение нескольких месяцев Бор ждал возможности обстоятельно поговорить с маститым физиком. Встреча не состоялась. Но пребывание Бора в Кембридже прошло не зря. Там он услышал о Резерфорде и его новой модели атома. Ознакомился и сразу поверил в нее.
Бор поехал в Манчестер, чтобы работать с Резерфордом. Шла весна 1912 года — Резерфорд был в отъезде.
К возвращению Резерфорда Бор четко понял: из модели Резерфорда следует, что не атомный вес управляет таблицей Менделеева, а заряд ядра, обнаруженного Резерфордом в атоме. Истекал срок, отпущенный Бору на поездку в Англию. Но он не мог уехать, не рассказав Резерфорду о своей находке. Чтобы не отнимать у Резерфорда много времени, Бор изложил свои мысли в сочинении, которое, возможно следуя дипломатическому этикету, назвал Памятной запиской.
Резерфорд выслушал Бора без энтузиазма, но все же Дал совет не начинать работу с изучения связи между строением сложных атомов и их химическими свойствами, сосредоточиться на атоме водорода. «это был важный и плодотворный совет.
Обдумывая планетарную модель атома, Бор, естественно, натолкнулся на ее противоречие с теорией Максвелла. Противоречие состояло в том, что электрон, вращающийся по орбите вокруг ядра, должен, в соответствии с теорией Максвелла, излучать электромагнитные волны. При этом энергия его движения превращается в энергию электромагнитных волн. В результате орбита электрона не может оставаться эллиптической. Она превращается в спираль, двигаясь по которой электрон неизбежно упадет на ядро, и атом погибнет.
Все предшественники Бора рассуждали так: теория Максвелла подтверждена многими опытами. Она правильна. Атомы устойчивы. Никто не наблюдал гибели атома. Значит, из противоречия между этой теорией и планетарной моделью следует, что модель Резерфорда ошибочна. Но Бор был в восторге от модели Резерфорда. Только она могла объяснить опыт с рассеянием альфа-частиц. Бор был уверен, что модель соответствует реальности. Где же выход из тупика?
Нужно было обладать гениальной интуицией, спокойной верой в свои силы, чтобы найти выход. И Бор нашел его: модель Резерфорда правильна, теория Максвелла безупречна, но она неприменима к изучению строения атома.
Впоследствии Бор писал: «Я пришел к убеждению, что электронное строение атома Резерфорда управляется квантом действия».
Весной следующего, 1913 года Бор возвратился в Манчестер с готовым ответом: атомы существуют потому, что к ним неприменима теория Максвелла. Это была революция, которую предстояло защищать.
Бор утверждал, что орбиты электронов не произвольны. Электроны вращаются вокруг ядра только по вполне определенным орбитам. Вращаясь по ним, электроны не излучают энергии. Не излучают, вопреки теории Максвелла.
Излучение порции — кванта света происходит только тогда, когда электрон перескакивает с одной из «разрешенных» орбит на другую.
Этого было достаточно для объяснения устройства и устойчивости атома Резерфорда и для объяснения строения оптических спектров атомов.
Таково начало эпохи квантовой физики.
…Когда Бор второй раз приехал в Манчестерский университет к Резерфорду, там уже год работал выпускник Оксфорда Генри Мозли. Он исследовал спектры рентгеновских лучей, испускаемых различными веществами. Получал то, что называют рентгеновскими спектрами. Уже в следующем году он выявил закон, обессмертивший его имя.
Исследуя рентгеновские спектры химических элементов, он обнаружил связь между частотой спектральных линий рентгеновского излучения исследуемого элемента с его порядковым номером в таблице Менделеева. Этот закон имел большое значение для подтверждения периодического закона химических элементов и установления физического смысла атомного номера элемента.
Свою замечательную работу Мозли выполнил всего за один год. Он не смог пойти дальше — грянула мировая война, он был мобилизован в английскую армию и убит в августе 1915 года в возрасте 27 лет. Но он успел сделать достаточно, чтобы остаться в истории науки.
Бор писал об открытии Мозли: «Этот закон сразу же дал не только убедительное доказательство в пользу атомной модели Резерфорда, но вместе с тем обнаружил потрясающую интуицию Менделеева, который в определенных местах своей таблицы отошел от правильной последовательности возрастания атомных весов».
Резерфорд писал об этой работе: «Открытие Мозли составляет эпоху в истории наших знаний об элементах, оно раз и навсегда закрепляет правильный порядок элементов… от водорода до самого тяжелого элемента — урана».
Работа Мозли имела продолжение, об этом речь впереди.
Колдовство
Идеи Бора воодушевили многих ученых на поиски законов, правящих в микромире атома. Среди них были теоретики американец Чарлз Томсон Рис Вильсон (Нобелевская премия 1927 года за камеру Вильсона для наблюдения космических лучей) и немец Арнольд Иоганн Вильгельм Зоммерфельд, ставший членом многих академий наук.
Их чрезвычайно заинтересовали квантовые числа, предложенные Бором. Казалось бы, Бор использовал формальный прием. Он «перенумеровал» орбиты электронов в атоме, приписав им простые целые числа. Так в науку впервые вошли квантовые числа, характеризующие строение атома.
В действительности этот шаг оказался отнюдь не формальным. В этом убедились прежде всего Вильсон и Зоммерфельд. Они принялись почти одновременно — в 1916 году — на основе модели атома Бора рассчитывать спектры атомов веществ, и прежде всего атома водорода. Поначалу они потерпели фиаско — не получили обещанного Бором оптического спектра водорода. Тем более не удалось рассчитать спектры более сложных атомов. Что же это значило? Неувязка, простая математическая оплошность или трагедия квантовых идей?
Правильно ли они «читают» оптические спектры? Правильно ли учитывают боровские квантовые числа?
Зоммерфельд был одним из тех тонких исследователей, о которых принято говорить, что природа наделила их верной интуицией.
Вначале он был бескомпромиссно предан взглядам Бора, принял их, как видно, полностью, без критики.
Но во всем ли Бор безупречен? Не вкрались ли в постановку задачи ошибки?
Бор считал орбиты электронов в атомах круговыми. Тут он был прямым последователем Коперника, который тоже представлял себе орбиты планет кругами. И ошибался, как мы теперь знаем. Это понял Кеплер. Он смог объяснить тонкие эффекты планетных движений, лишь предположив, что планеты движутся не по окружностям, а по эллипсам.
Обдумывая расхождения между расчетами Бора и спектром водорода, полученным из опыта, Зоммерфельд словно заразился сомнениями Кеплера. И он поначалу исходил из уверенности Бора: орбиты электронов в атоме круговые. Но это привело его к противоречию с опытом. Итак, может быть, они, как и орбиты планет, эллиптические? Может быть, электроны движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых расположено ядро атома? Зоммерфельд, идя по стопам Бора, пошел дальше. Он придал новый смысл квантовому числу. Пусть оно фиксирует не радиус, а среднее расстояние от ядра, вокруг которого электрон движется по эллиптической орбите. Проверка, размышления. Совпадения со спектральными данными не было! И Зоммерфельд вводит еще одно, новое квантовое число — для обозначения угла, характеризующего направление от ядра к электрону. Снова расхождения. Зоммерфельд был вынужден предположить, что плоскость, в которой лежит оптическая орбита электрона, наклонена к некоторой экваториальной плоскости. Он характеризовал такой наклон еще одним, «экваториальным» пантовым числом.