Виток спирали

Превращения в мире веществ нельзя было понять, пока не установили главное: вещества состоят из минимальных порций — атомов. Превращения в мире излучений тоже невозможно было понять, пока Планк не пришел к гениальной мысли: надо отказаться от представления, будто энергия течет сплошным потоком, а представить себе, что энергия, как и вещество, делится на порции, и что излучение состоит из минимальных порций — Макс Планк назвал их квантами.

Почему теплота, свет, рентгеновы лучи должны обладать зернистым, как говорили в старину — корпускулярным, строением, никто не понимал. Кому и зачем могли понадобиться эти минимальные порции энергии, было неизвестно. Известно было одно: профессор Планк, изучая спектры, не смог свести концы с концами, пока не предположил, что есть такая штука — наименьшая порция излучения — квант.

Альберт Эйнштейн первый объяснил с помощью кванта одно из ранее непонятных явлений. В то время, когда Планк ломал голову над спектрами, Эйнштейн еще учился в институте. А потом стал преподавателем. В школе Эйнштейн проработал всего два года: у него было множество собственных мыслей о природе вещей, и ему хотелось найти такую работу, чтоб голова оставалась более или менее свободной для размышлении. А кому не известно, каково приходится учителям…

В 1902 году скромному двадцатитрехлетнему учителю Эйнштейну из маленького городка Шафгаузен повезло: он получил место в столице Швейцария Берне, в патентном бюро. Там, отработав положенные часы, можно было спокойно раздумывать над устройством мира.

…Когда Альберт Эйнштейн прочел статью Макса Планка о квантах, то, поразмыслив, он нашел этим квантам дело.

Давно было известно, что, облучив металлическую пластинку ультрафиолетовыми лучами, можно возбудить в ней электрический ток. И что лучи меньшей энергии, скажем, фиолетовые, сделать этого не могут. Это был твердо установленный, но совершенно непонятный факт! Казалось бы, не все ли равно — пять минут облучать ультрафиолетовыми лучами или пять часов фиолетовыми? Ведь можем же мы испарить ведро воды и на спиртовке, и на керосинке, и на газовой плите — вся разница только во времени. Но то, что получалось с испарением молекул воды, никак не получалось с электронами. Что-то мешало!

Эйнштейн понял что: кванты. Один электрон выбивается из металла одним квантом… Ультрафиолетовый квант энергичней, чем фиолетовый, вот он и выбивает электрон. А у фиолетового кванта энергии для этого не хватает.

Так в 1905 году появилась физическая теория, объясняющая, что обыкновенный свет состоит из квантов — порций энергии разной величины. Величина энергии зависит от длины волны. Чем короче волна, тем энергичней квант.

Теперь хорошо было бы узнать, откуда эти кванты берутся.

Нильс Бор родился в Копенгагене, в семье профессора филологии, и учился физике. Когда он узнал об атомном ядре, открытом Резерфордом, ему было 26 лет. Он приехал в Англию и вскоре поступил стажером в лабораторию Резерфорда, Этому молодому датскому физику предстояло спасти планетарный атом Резерфорда.

Рассуждение Нильса Бора сводилось, в общем, к отказу считать всеобъемлющим правило Максвелла, отрицающее существование атома с ядром, поскольку опыт свидетельствовал, что такой атом есть. И поскольку, кроме всем известного и понятного правила Максвелла, насчет излучений, уже существовало малоизвестное и не очень понятное правило Планка о квантах. И это непонятное правило неплохо подходило к непонятному атому с ядром…

Если бы электрон непрерывно излучал, он упал бы на ядро. Но он не падает, значит, он не излучает непрерывно. Уже потому не излучает непрерывно, что непрерывное излучение невозможно — оно делится на порции, кванты.

Но каким образом эти кванты излучаются электроном?

Основные, первоначальные, принципы теории строения простейшего атома водорода Бор изложил в статье, опубликованной в 1913 году.

Чтобы более или менее наглядно представить себе обоснованное в этой статье поведение электрона, вращающегося вокруг атомного ядра, попробуем обратиться к аналогии.

Разумеется, нельзя забывать, что наглядное представление о процессах внутри атома вообще не может не быть грубо упрощенным. Аналогия же никогда не соответствует истинной картине — в лучшем случае, она лишь помогает понять ее…

Есть такая игра — один из видов бильярда: наклонная доска с круглыми гнездами, по которой катятся металлические шарики. Чем ниже скатывается шарик, тем трудней ему застрять в каком-нибудь гнезде. Ведь, снижаясь, он катится все быстрей, потому что все большая часть потенциальной энергии превращается в кинетическую, в энергию движения.

Так вот. В определенном смысле атомное ядро ведет себя, как наклонная доска, электроны — как шарики, а гнезда играют роль таких уровней, на которых электрону "разрешено" находиться, не излучая. Попав в гнездо, шарик уже не расходует на движение потенциальную энергию, а лежит себе и лежит. Попав на один из разрешенных уровней, электрон уже не расходует на излучение запасенную на прежнем уровне энергию, а спокойно движется вокруг ядра.

А излучает электрон только при перескоке с одного разрешенного уровня на другой, более близкий к ядру. При этом излучается ровно квант энергии. Электрон не может излучить, скажем, полкванта — ведь он не может прекратить свое "падение" к ядру на полдороге, до следующего разрешенного уровня.

Если же нагревать атом или облучать его, то есть подавать в него энергию извне, то электроны, поглотив эту энергию, перескочат с более близких к ядру уровней на более далекие. Потом такой атом сможет отдавать энергию обратно: электроны соскакивают пониже, и кванты излучаются в пространство. Если это кванты видимого света, вещество начинает фосфоресцировать, светиться.

Как, например, устроен атом водорода? У него есть ядро, несущее один положительный электрический заряд. А вокруг него, как Луна, вращается электрон. Но, в отличие от Луны, он может находиться не на одной-единственной орбите, а на любой из нескольких разрешенных для него орбит. И перескакивая со ступеньки на ступеньку, сверху вниз, с одной разрешенной орбиты на другую, он должен при этом отдавать разные порции энергии, разные кванты.

Вот откуда серия полосок в спектре водорода, обнаруженная некогда Бальмером. У разных порций — разная энергия, значит, это разные фотоны — кванты света: один, например, желтый, другой красный, третий фиолетовый, а четвертый еще энергичней — он попадает в спектре в зону ультрафиолета.

…Люди обычно предпочитают, чтобы непонятные вещи объясняли им с помощью понятных. Поэтому способ, которым никому не ведомый молодой датчанин решил спасти непонятную конструкцию атома Резерфорда, не сразу пришелся по душе даже физикам. Лорду Релею, например.

Но все же не один Резерфорд оценил гениальную идею Бора…

Глава пятая,

в которой Мозли не только спасает естественную систему элементов, но и объясняет ее

Когда лавины новых поразительных открытий проносятся в мире науки, то сперва кажется, что ничто не осталось на месте, все рухнуло. Но вот оседает пыль: и разрушенными оказываются только предрассудки и заблуждения, а очищенный от них мир истин становится еще более незыблемым.

Так получилось и на этот раз.

Раньше других этот новый прекрасный мир увидел сверстник Бора и ученик Резерфорда Генри Гвин Мозли.

О нем не очень много известно. Вероятно, потому, что на занятия наукой судьба отпустила ему считанные годы. Летом 1910 года он окончил Оксфордский университет и явился к Резерфорду. А летом 1915 года погиб от пули на войне — в окопе, на берегу Дарданелл.