Под знаком кванта

Несмотря на все успехи формальной модели атома, она уже не удовлетворяла тому критерию логической простоты, которая производит впечатление очевидности (и которой так выгодно отличалась исходная модель Бора). Она стала слишком сложна, что вызывало недоверие к ней и некоторое чувство усталости, очень похожее на то, какое владело физиками до схемы Бора. К тому же все попытки распространить модель Бора на более сложные атомы кончались неудачей. Это приводило к тому, что физики стали подвергать сомнению все: справедливость закона Кулона, применимость электродинамики и механики в атомных системах и даже закон сохранения энергии. Все в общем понимали, что кризис этот возникает от формального соединения эмпирических данных с принципами теории квантов и остатками классических представлений, отказаться от которых пока было нельзя, поскольку взамен их не было предложено ничего определенного. Поэтому при изучении квантовых явлений исследователи продолжали пользоваться представлениями классической физики. Но у атомных объектов не было свойств, которые бы этим понятиям соответствовали, и потому природе задавали, в сущности, незаконные вопросы. Или — точнее — вопросы на языке, которого она не понимала. Тогда начались поиски общего принципа, из которого бы логически следовали и формальная модель атома, и другие особенности атомных объектов. «Пусть вначале этот единый принцип будет непонятным, но пусть он будет один» — таково было общее желание.

В ответ на это стремление в 1925 г. возникла квантовая механика — наука о движении электронов в атоме. Ее создало новое поколение физиков. По игре случая все они родились почти одновременно: Вернер Гейзенберг — в 1901 г., Поль Адриен Морис Дирак — в 1902 г., Вольфганг Паули — в 1900 г. Немного старше их были Луи де Бройль (1892 г.) и Эрвин Шрёдингер (1887 г.). Им выпало счастье записать образы и понятия атомной механики на языке формул.

ВОКРУГ КВАНТА

Нильс Хенрик Дэвид Бор

Как и всякое истинно великое открытие, открытие Бора трудно сделать, но легко понять. Сила идей Бора в их простоте и доступности. В главной своей сути они понятны любому грамотному человеку. Бор дал образ, который позволял ориентироваться среди необычных понятий квантовой механики, образ, ставший символом нашего века. Если учесть к тому же, что при всей своей простоте образ этот верно отражает основные свойства атомов, то сразу станет ясна его исключительность.

3 марта 1972 г. космическая станция «Пионер-10» стартовала к Юпитеру. Кроме приборов, на ее борту находится пластинка, на которой выгравировано самое важное, что люди Земли решили сообщить другим цивилизациям: силуэты мужчины и женщины, место Земли в Солнечной системе и схема атома водорода.

Из ста физиков, взятых наугад, сегодня, пожалуй, только один или два читали знаменитые статьи Бора, напечатанные в 1913 г. Однако любой из них подробно объяснит идеи, которые в них изложены. Это означает, что сейчас идеи Бора уже не предмет науки, а необходимый элемент культуры — самое высшее, чего может достичь любая теория.

«Человек, которому было суждено одарить мир великой созидательной идеей, не нуждается в похвале потомства. Его творчество даровало ему более значительное благо». Эти слова Эйнштейна о Планке — в равной мере и о Боре.

На склоне лет Бор приехал в нашу страну и посетил Грузию. В один из дней среди гор в долине Алазани он отдыхал с группой физиков. Неподалеку от них расположились крестьяне из окрестного селения и по старинному обычаю во главе с тамадой пили вино и пели песни. Нильс Бор — человек не только великий, но и любознательный — подошел к ним и был принят с традиционным радушием. «Это знаменитый ученый Нильс Бор...» — начали объяснять физики. Но тамада жестом остановил их и, обращаясь к сотрапезникам, произнес тост: «Друзья! К нам в гости приехал самый большой ученый мира профессор Нильс Бор. Он создал атомную физику. Его труды изучают школьники всех стран. Он приехал к нам из Дании, пожелаем же ему и его спутникам долгих лет жизни, счастья, крепкого здоровья. Пожелаем его стране мира и благополучия». Речь тамады тихо переводили Бору, и когда тот кончил говорить, с земли поднялся старик, взял обеими руками руку Бора и бережно ее поцеловал. Следом за ним поднялся другой горец, наполнил чашу вином и, поклонившись Бору, выпил ее.

Нильс Бор всю жизнь провел среди парадоксов квантовой механики. Но даже его поразила нереальность происходящего: он заплакал от удивления и благодарности.

Опытное доказательство постулатов Бора

Опыт Франка и Герца, по существу, очень похож на опыт Кирхгофа и Бунзена, только атомы натрия в нем они заменили атомами ртути, а вместо солнечного луча направили на них пучок электронов, энергию которых можно было изменять. При этом Франк и Герц наблюдали интересное явление: пока энергия электронов была произвольной, число электронов, прошедших через атомы ртути, было равно числу электронов исходного пучка. Однако когда энергия их достигала определенного значения (в опытах она равнялась 4,9 эВ, или 7,84-10'12 эрг), число электронов в прошедшем пучке резко падало — они рассеивались атомами ртути. Одновременно с этим в парах ртути вспыхивала яркая фиолетовая линия с длиной волны X = 253,6 нм, то есть с частотой v = с/Х = = 1,18-1015 с”1. Энергию кванта с такой частотой легко вычислить:

hv= (6,62-10“27 эрг.с). (1,18-Ю15 с'1) =7,82.10'12 эрг,

то есть она почти точно равна затраченной энергии электрона. Очевидно, это излучение возникает при обратном переходе атома ртути из возбужденного состояния в основное.

Легко видеть, что наблюдаемая картина — прямое опытное доказательство обоих постулатов Бора: в атоме реально существуют стационарные состояния, и поэтому он неспособен поглощать произвольные порции энергии. Переходы электрона между уровнями в атоме возможны только скачками, а частота излучаемых квантов определяется разностью энергий уровней и вычисляется по формуле Эйнштейна x — E/h. Конечно, «легко видеть» это только сейчас, а в 1913 г. даже сами Франк и Герц объяснили свой опыт совсем по-другому.

50 лет спустя Джеймс Франк вспоминал: «...Поскольку в то время среди физиков господствовало откровенное недоверие к попыткам сконструировать модель атома при тогдашнем уровне знаний, то мало кто давал себе труд внимательно прочитать посвященную этому работу. Особо следует отметить, что Густав Герц и я вначале были неспособны понять огромное значение работы Бора...»

ГЛАВА 5

Тот ***

Представьте, что вы решили изучить жизнь клетки. Вы ставите над нею всевозможные опыты: нагреваете, облучаете, разрушаете и тщательно рассматриваете в микроскоп. Однако все ваши знания о ней будут неполными, пока вы не вспомните, что клетка — это часть живого организма и только в нем проявляет всю полноту своих свойств.

Нечто похожее произошло и в науке об атоме. До сих пор мы намеренно пытались изолировать атом и отбирали только те опыты, которые могут прояснить свойства отдельного атома. Однако задолго до опытов, доказавших сложную структуру атома, Дмитрий Иванович Менделеев (1834—1907) установил, что атомы различных элементов образуют единый организм — естественную систему элементов.

Свое название «элементы» получили по буквам /, т, п латинского алфавита. Все слова состоят из букв, а их совокупность образует алфавит. Точно так же все вещества в природе построены из небольшого числа химических элементов, а сами они являются членами единой системы — алфавита элементов.

Надо сказать, что химиков никогда не могла удовлетворить мысль о независимом множестве качественно различных элементов. Поэтому они всегда стремились представить себе элементы как различные скопления частиц одного и того же рода. Такие попытки предпринимались уже в древности и в дальнейшем развивались по двум направлениям.

Демокрит верил, что все вещества в природе построены из атомов, а свойства веществ зависят от различных сочетаний атомов. Аристотель утверждал, что все сущее состоит из элементов, которые являются носителями определенных качеств.

Отголосок этого давнего спора дошел даже до наших дней: при слове «атом» у нас невольно возникает зрительный образ чего-то твердого, имеющего форму и размеры; при словах «химический элемент» мы пытаемся представить себе некое чистое качество безотносительно к его носителю. Быть может, поэтому учение о химических элементах вначале развивалось совершенно независимо от идеи об атомах. Впоследствии эти два учения так переплелись, что их перестали различать, но и поныне не удалось преодолеть психологический барьер, разделяющий их в нашем сознании. Пока что мы подробно проследили «физические истоки» науки об атоме. Теперь пришло время отыскать ее «химические истоки».