М. Рузе - Роберт Оппенгеймер и атомная бомба
С одной стороны, немыслимо отказаться от законов Максвелла, так блестяще подтвержденных результатами ряда экспериментов, например, открытием волн Герца. С другой стороны, модель Резерфорда превосходно объясняла отклонения альфа-частиц вблизи ядра атома. Нильс Бор, попробовал разрешить возникшие противоречия, введя представление о кванте в модель атома Резерфорда. При этом он выдвинул следующие теоретические ограничения.
Юлиус Роберт Оппенгеймер1. Электроны могут перемещаться только по строго определенным орбитам (их радиусы кратны целым числам), образующим прерывистую последовательность. Существует орбита с минимальным радиусом. Радиусы остальных орбит в 4, 9, 16 и т.д. раз больше этого минимального радиуса, иными словами, расстояния дозволенных орбит от ядра возрастают пропорционально квадратам целых чисел. Чем дальше находится электрон от ядра, тем слабее притяжение, которое он испытывает, и тем проще его вырвать из атома.
2. При перемещении по одной и той же орбите электрон не излучает энергию.
3. При перескакивании с одной орбиты на другую электрон поглощает или излучает энергию: при переходе с более близкой на более дальнюю орбиту – поглощает, так как при этом он преодолевает силу притяжения ядра, в случае обратного перехода – излучает.
Переход с одной орбиты на другую соответствует излучениям со строго определенными частотами, которые вычисляются с помощью постоянной Планка. Исходя из этого, можно дать следующее объяснение прерывности спектра излучения светящихся тел: фотоны переносят энергию не непрерывно, а в виде квантов, соответствующих переходам электронов с одной орбиты на другую. Движение электронов внутри атома зависит, конечно, от его структуры, т.е. от природы данного химического элемента; каждое тело, которому сообщается энергия (например, при нагреве), возвращает ее затем в виде излучения со строго определенной частотой, специфичной для данного вещества. Всем известно, какое блестящее применение нашла эта закономерность. При изучении спектра излучения какого-либо тела можно определить его химический состав; именно таким путем удалось астрофизикам определить химические элементы, входящие в состав звездного вещества. Так, например, излучение натрия приходится главным образом на желтую и оранжевую части спектра, неона – на красную и т.д.
Бор предполагал, что орбиты электронов внутри атома представляют собой окружности. Зоммерфельд вывел уравнения движения применительно к эллиптическим орбитам, рассматривая модель атома в виде маленькой планетарной системы. Вооруженные этими уравнениями, физики получили возможность, зная атомное число элемента (т.е. число положительных зарядов ядра и соответственно количество электронов), точно предсказывать дозволенные орбиты электронов и частоты излучений, испускаемых электронами при перескакивании с одной орбиты на другую.
Луи де Бройль и волновая механика
Проверка квантовой механики на атоме водорода, содержащем только один электрон, показала совпадение результатов теории и эксперимента. Спектр излучения оказался точно таким, как предсказывали расчетные данные. Однако это превосходное соответствие было, к сожалению, нарушено, когда теорию попытались применить к спектру атома гелия, содержащего два электрона. Физики были вынуждены снова вернуться к чисто математическому описанию наблюдавшихся явлений, удаляясь все дальше и дальше от классических представлений. Это направление, возглавляемое прежде всего Луи де Бройлем, Гейзенбергом и Шредингером, привело к созданию новой революционной теории – волновой механики. Новая система позволила не только обосновать уже известные факты, но предсказала другие, которые были впоследствии подтверждены опытом; кроме того, она объяснила большую часть химических явлений. Вот к этому периоду развития физики и относится начало работы Роберта Оппенгеймера в европейских университетах. Используя могущественное «Сезам, откройся!» – волновую механику, а также все более мощные приборы для наблюдения, физики ринулись в исследования внутриатомной вселенной с тем пылом и жаждой предпринимательства, которые некогда вели конквистадоров к завоеванию сказочных земель.
Основная идея волновой механики заключается в том, что вещество, как и свет, сочетает в себе одновременно свойства волны и частицы, или, если вернуться к первой формулировке Луи де Бройля, любая частица связана с волной. Это справедливо не только для фотонов, которые составляют природу света, но также и для частиц, входящих в состав вещества, например для электронов. Существование волны, связанной с электронами, позволяет догадываться о причине того, почему в структуре, атома возможны только некоторые квантованные орбиты, расчет которых основан на целых числах: до сих пор в физике целые числа служили характеристикой процесса только при интерференции стоячих волн.
Но в применении к электрону, материальной частице, масса которого была уже измерена, представление о волне принималось весьма нерешительно. В 1927 году, в том самом году, когда молодой Оппенгеймер сдавал экзамены на степень доктора в Геттингене, двое его соотечественников – физики Дэвиссон и Джермер – показали, что пучок электронов, пропускаемый через очень тонкие пленки, подчиняется тем же законам дифракции, что и лучи света. А дифракция, хорошо известное из оптики явление, мыслима только в применении к пучкам волн.
Для волновой механики модель Резерфорда-Бора явилась лишь некоторым приближением, дающим более или менее верное изображение первичной идеи об атоме, связанное с привычной трактовкой результатов точных экспериментов. Действительность же оказывается гораздо сложнее. Ядро атома не похоже на Солнце, а электроны и того менее похожи на планеты. Квантовые числа обозначают не орбиты, а уровни и субуровни энергии. Волновая механика в отличие от классической механики не определяет заранее положения электрона в заданный момент. Более того, она доказывает, что такое предсказание невозможно; можно рассчитать только вероятность присутствия электрона в определенный момент в некоторой конкретной части пространства, окружающего ядро. Эта вероятность пропорциональна интенсивности волны в данной области пространства.
Во всех случаях, когда речь идет об измерениях отдельно взятой частицы, большинство предсказаний волновой механики выражается не конкретно, а в виде вероятностей. Это относится, в частности, к предсказаниям положения и энергии частицы в любой будущий момент времени. Введение понятия вероятности привело к большому смятению умов и по существу означало отказ науки от того, что до сих пор считалось ее незыблемым принципом – от причинности явлений в природе. Правильнее было бы сказать, что здесь речь идет о причинности нового типа: результаты расчетов вероятности не являются ни менее строгими, ни менее точными, чем данные вычислений на основе классической механики. Но они более сложны и содержат математические параметры, физический смысл которых трудно себе представить, пользуясь нашим опытом чувственного восприятия мира.
