Избранные научные труды

1 Чтобы обойти это кажущееся противоречие с результатами опытов по столкновениям электронов, Гендерсон (Phil. Mag., 1922, 44, 680) предложил при расчётах тормозного действия пренебречь соударениями, при которых отдаваемая частицами энергия меньше работы возбуждения или ионизации атома. Если сохранить механическое описание взаимодействия при остальных соударениях, получаем для водорода и гелия торможение, составляющее лишь половину наблюдаемого на опыте (ср.: R. Н. Fоwlеr. Camb. Phil. Soc., 1923, 21, 521). Как мы пытались показать в тексте, вряд ли можно считать оправданным подход Гендерсона к пределам применимости механики при вычислении реакции при соударении. Если мы будем придерживаться иного, чем в тексте, толкования квантовой теории и примем существование нижнего предела для реакции атома на частицу, то для совпадения с опытом мы вынуждены будем допустить значительные отклонения от механики уже раньше, чем эта граница будет достигнута. Принимая во внимание вполне допускаемую асимптотическую справедливость механики для изучения соударений, при которых переносимая энергия велика по сравнению с работой отрыва электрона, мы получаем, что, согласно этому толкованию, наблюдаемому тормозному действию должна соответствовать частота передачи энергии вблизи границы, во много раз большая вычисленной из законов механики.

С одной стороны, указанная выше независимость, вероятно, находит свою полную аналогию в классической теории. С другой стороны, она одновременно в поучительной форме вскрывает глубокую недостаточность этой теории, ибо неоспоримым следствием постулата стабильности стационарных состояний был бы возврат атома из возбуждённого состояния, вызванного пролетевшей частицей, в стационарное состояние, соответствующее одному из невозмущённых движений электронов. В этом отношении наша задача обладает очевидной аналогией с реакцией атома на внешнее излучение, и так же, как и в вопросах излучения, при современном состоянии науки допустимо только дуалистическое описание. В действительности описание оптических явлений на основе волновой теории требует, чтобы реакция атома на падающее излучение описывалось как существенно непрерывный процесс, тогда как требование стабильности стационарных состояний атома в свою очередь приводит к тому, что вполне определённые изменения состояния атома должны рассматриваться как дискретные процессы перехода. Связь этих процессов о полями излучения в настоящее время, по-видимому, можно описать только путём введения вероятностных законов, как это было впервые указано Эйнштейном. Это приводит к тому, что общие законы сохранения энергии и импульса, насколько эти понятия могут быть определены с точки зрения классической теории, выступают лишь как статистические 1. В рассматриваемой нами проблеме взаимодействия между атомами и быстро пролетающими электрическими частицами следовало бы аналогичным образом рассматривать реакцию атома на частицу, как существенно подчиняющуюся континуальным законам, тогда как изменение состояния в атоме, согласно нашему пониманию, должно описываться вероятностными законами.

1 Ср.: N. Воhr, Zs. f. Phys., 1923, 13, 117 (статья 24.— Ред.), где можно найти общую дискуссию о следствиях постулатов квантовой теории и, в особенности [Bohr, Kramers, Slater, Zs. f. Phys. 1924, 24, 69 (статья 25.— Ред.)], где, руководствуясь введённой Слэтером (Nature, 1924, 118, 307), гипотезой об активности излучения в возбуждённых стационарных состояниях была сделана попытка наметить общее атомистическое описание оптических явлений.

Как было показано выше, кажется приемлемым допущение, что для взаимодействий, при которых время столкновения мало по сравнению с периодами обращения электронов, реакция атома на частицу может быть вычислена по законам классической механики. От законов классической механики требуется, чтобы они асимптотически выполнялись в области энергий, где, согласно этим законам, ожидаемая передаваемая энергия была бы велика по сравнению с работой отрыва электрона из атома. Кроме того, от законов, которым подчиняются изменения, вызванные в тормозящем атоме, требуется только то, чтобы они не противоречили статистическому толкованию законов сохранения энергии и импульса 2. Мы встречаемся здесь с нового рода проблемой, при рассмотрении которой статистические законы по сути дела неприменимы непосредственно для объяснения вызванных излучением изменений состояния в атоме. Фактически использовавшаяся до сих пор формулировка квантово-теоретических законов реакции атома на поле излучения существенно базируется на предположении, что вычисленное на основе классической теории воздействие электромагнитных сил излучения на движение электронов так мало, что это действие не меняет существенно характера движения. Это предположение означает, что реакция атома на поле излучения находится в тесной связи со свойствами стационарных состояний, соответствующих невозмущенным движениям электронов 1. Однако в нашем случае подобное условие не выполнено, поскольку здесь идёт речь о реакции атома, которая, согласно понятиям классической механики, связана со значительным влиянием невозмущённого движения электрона. В противоположность законам, справедливым для реакции излучения, рассматриваемое здесь толкование исходит из того, что реакция атома на имеющие место при торможении соударения проявляет далеко идущую независимость от свойств невозмущённого движения электронов.

2 Действие частиц на атомы обнаруживается прежде всего при ионизации газа. В теории Томсона число электронов, выбитых из атома, рассчитывается исходя из предположения, что взаимодействие между электронами и частицами подчиняется законам механики. Кроме того, делается предположение, что влиянием внутриатомных сил можно пренебречь до тех пор, пока передаваемая энергия больше работы отрыва электрона. Эта теория отражает результаты опыта в основном до тех пор, пока дело касается зависимости ионизации от скорости быстрых частиц. Абсолютное число ионов оказывается сначала значительно меньшим, чем наблюдаемое; однако можно получить правильные по порядку величины результаты, если учесть, что выбитые вначале электроны часто в состоянии вызвать вторичную ионизацию [ср.: N. Bohr. Phil. Mag. 1915, 30, 581 (статья 13.— Ред.), а также: R. Н. Fоwlеr. Proc. Cambr. Phil. Soc., 1923, 21, 31]. Согласно новейшим опытам Гэрнн (Proc. Roy. Soc., 1925, 107, 331), ионизация газов так велика, особенно у гелия, что этого объяснения уже недостаточно. Однако не исключено, что именно у гелия значительная часть ионизации может быть вызвана небольшими примесями, которые ионизируются вторичными электронами или излучением самого гелия. Для более подробного рассмотрения вопроса о ионизации в связи с явлениями торможения кроме приведенных здесь соображений о балансе энергии следует также учитывать, что значительная доля той энергии α-частиц, которая по классическим представлениям отдается непосредственно атомам в количествах, меньших чем работа отрыва, может вновь обнаруживаться в первичной ионизации.

Отказ от механического способа рассмотрения подобных вопросов существен и для вопроса о захвате электронов α-лучами, проходящими через атом. Как указал Фаулер (Phil. Mag., 1924, 47, 416), повторный захват и потеря электронов α-частицами проявляет определённую аналогию с термодинамическим равновесием при диссоциации. Он сделал попытку построить на основе этой аналогии количественную теорию захвата электронов. Если частота потери электрона и вызванная частицей ионизация, хотя бы по порядку величины, поддается механическому описанию, то наблюдаемая частота захвата не может быть даже приближенно оценена на основе механики, во всяком случае для атомов с малым зарядом ядра. Механическое описание захвата потребовало бы учета кроме взаимодействия между α-частицей и электроном также и сильного влияния на них со стороны остальных частиц атома. Простая оценка показывает, что вероятность такого совпадения обоих взаимодействий весьма мала. Более детальное рассмотрение процесса захвата могло бы выявить связь именно с теми особенностями процесса ионизации, описание которых в рамках механики приводит к значительным расхождениям. Следует еще указать, что исходя из принятого здесь толкования в вопросе об общем термодинамическом равновесии между свободными и связанными в атоме частицами нельзя опираться на ту же самую общую обратимость отдельных процессов, которые в классической механической теории играют столь значительную роль при рассмотрении статистических проблем. Подобная обратимость в квантово-теоретических задачах имела бы место лишь при соударениях, которые мы назвали здесь «взаимными». Как известно, эта «взаимность» служила исходным пунктом для важных выводов именно при рассмотрении статистических задач. При статистическом рассмотрении «невзаимных» явлений сравнение с данными анализа равновесного излучения могло бы быть весьма поучительным.