Марио Бертолотти - История лазера
Мы можем сказать, что эта модель атома подобна системе планет, вращающихся вокруг Солнца под действием сил всемирного тяготения, с важным отличием, которым нельзя пренебрегать. Электроны, которые вращаются вокруг ядра, несут электрический заряд и поэтому должны, согласно законам электромагнетизма Максвелла, испускать электромагнитные волны подобно антенне радиовещательной станции. Но поскольку эти «атомные антенны» много меньше, электромагнитные волны, испускаемые атомами, в миллиарды раз меньше тех, что испускаются обычной антенной. Эти волны лежат в видимом диапазоне, и их испускание делает тела светящимися.
Таким образом, согласно модели Резерфорда, электроны, которые вращаются вокруг ядра, должны испускать световые волны, и поскольку эти волны несут энергию, электроны будут терять свою кинетическую энергию из-за испускания ими излучения. Легко рассчитать, что если это так, то все электроны атома полностью потеряют свою кинетическую энергию за пренебрежимо малую долю секунды и должны упасть на поверхность ядра.
Однако наблюдения показывают, что это не так, и атомные электроны бесконечно долго вращаются вокруг ядра на относительно большом расстоянии от них. Вдобавок к этому противоречию с фундаментальной природой атома, имеется ряд других несоответствий между теоретическими предсказаниями и экспериментальными результатами. Например, опыт говорит, что атомы излучают свет только определенных цветов или длин волн (спектральные линии, которые обсуждались в главе 2), в то время как движение электрона в модели Резерфорда должно приводить к излучению всех цветов (т.е. всех длин волн).
Нильс Бор
Команда молодых людей, собравшихся в Манчестере вокруг Резерфорда, были в основном физиками-экспериментаторами. Они были похоже на самого Резерфорда, который, несмотря на свою образование, не предавал большой важности теории и был, по существу, экспериментатором. Он заявил однажды: «Когда молодой человек в моей лаборатории использует слово "вселенная", я говорю, что самое время ему убираться вон». «А почему же вы доверяете Бору?» — спросили его. «Ну, он же футболист!» — ответил Резерфорд.
Кафедра в Манчестере, в одном из провинциальных английских университетов, была занята Резерфордом, когда спектроскопист сэр Артур Шустер решил уйти в отставку. Шустер, немецкого происхождения, унаследовал состояние, которое он частично использовал для обеспечения своего института прекрасной лабораторией, поддерживая таких физиков-теоретиков как Г. Бейтмен (1882—1946), Ч. Г. Дарвин и молодой датский физик Нильс Бор (1885-1962).
Нильс родился в Копенгагене в состоятельной семье. Его отец был хорошо известный профессор физиологии, мать происходила из семьи английских банкиров еврейского происхождения.
В то время Дания была культурным водоразделом между английскими и германскими традициями, что давало удачный синтез английской экспериментальной науки с более формальным теоретическим подходом германских университетов. Во многих отношениях характер Бора сочетал британское влияние, происходящее от эмпиризма здравого смысла Локка с типичными германскими подходами Канта относительно субъективных и объективных аспектов опыта.
У Бора была старшая сестра, Дженни, и старший на полтора года брат, Харальд (1887—1951). Между братьями всегда были замечательные отношение, и это имело важное влияние на метод работы Бора. С детства братья старались выражать свои мысли в форме оживленного диалога, тем самым развивая содержательный и диалектически обмен мнениями. Их непрерывный диалог приучил Бора к необходимости вырабатывать свои идеи путем обсуждения их с собеседником. Такая форма общения с Харальдом, который позднее стал знаменитым математиком и директором Института математики, расположенным, кстати, рядом с Институтом теоретической физики Нильса, дала ему математические данные необходимые в его работе.
Весной 1911 г. Нильс закончил и защитил свою докторскую диссертацию по электронной теории металлов. На рубеже столетий несколько выдающихся физиков, основываясь на доказательствах существования электронов во всех веществах, данных Дж. Дж. Томсоном, и на теории поведения электронов, данной X. А. Лоренцем, старались объяснить все физические явления, как следствия взаимодействия электронов друг с другом и с окружающими атомами и молекулами.
Первый успех был достигнут в теории металлов. Томсон, Лоренц, Поль Друде (1863—1906) и другие получили многообещающие данные из экспериментов на основе предположения, что электроны движутся в металлах подобно молекулам в идеальном газе. В 1990 г. Друде заключил, что отношение теплопроводности к электропроводности должно быть одно и то же для всех металлов и прямо пропорционально абсолютной температуре. Его выражение, однако, отличалось в два раза от экспериментально полученного значения. Лоренц в 1905 г. получил результаты, лучше согласующиеся с экспериментом, рассматривая свободные электроны в металле с помощью статистических методов, применимых в случае газов. Даже излучение, испускаемое при нагревании металлов, было в 1903 г. рассчитано Лоренцем, а Поль Ланжевен (1872— 1946) представил в 1905 г. теорию магнитного поведения.
Бор в своей диссертации рассмотрел все эти разные проблемы и пришел к заключению, что электронную теорию металлов можно модифицировать так, чтобы дать результаты, согласующиеся с экспериментами, причем внутренняя структура атомов не принимается во внимание. Напротив, проблема излучения и объяснение магнитного поведения требуют новых радикальных гипотез, относительно которых у него нет идей.
В то время докторская степень давала возможность провести постдокторское исследование за границей, и поскольку в диссертации обсуждалось поведение электронов в металлах, то вполне понятно, что Бор выбрал поездку в Кембридж, чтобы работать с Дж. Дж. Томсоном.
Первая встреча с Томсоном не установила хороших отношений между ними. Бор вошел в кабинет Томсона с книгой, открыл ее и вежливо сказал: «Этот пункт неверен». Надо сказать, что в то время Бор не очень хорошо владел английским языком и поэтому выражал свои мысли в виде коротких фраз. Во всяком случае в октябре 1911 г. он писал своему брату Харальду:
«...с Томсоном пока нелегко иметь дело, как я думал в первый день. Он прекрасный человек, исключительно умен и полон воображениями (ты бы послушал одну из его элементарных лекций) и весьма приветлив; но он так сильно занят многими вещами и настолько погружен в свою работу, что очень трудно поговорить с ним. Он до сих пор не нашел времени прочесть мою работу (его диссертацию), и я не знаю примет ли он мой критицизм».
Фактически Томсон прекратил работу по теории металлов, и более того, импульсивно отверг тесное сотрудничество и постоянные разговоры с Бором, нужные ему для развития идей. Тем не менее во время своего пребывания в Кембридже Бор познакомился с работой Томсона о моделях атомов и пришел к пониманию их фундаментальной несостоятельности, но в целом он был неудовлетворен.
Атом Бора и Резерфорда
За год до прибытия Бора в Англию Резерфорд сделал открытие атомного ядра, и осенью 1911 г. эти два человека встретились и, несомненно, понравились друг другу. Поэтому в марте 1912 г. Бор отправился из Кембриджа в Манчестер с намерением проводить эксперименты в области радиоактивности. Здесь он стал изучать замедление альфа-частиц при прохождении их через вещество, затем после нескольких недель он начал концентрироваться на теоретических аспектах, рассматривая взаимодействие альфа-частиц с электронами атома. Так он улучшил теорию одного из сотрудников Резерфорда, Ч.Г. Дарвина (1887—1962) — внука отца теории эволюции Ч.Р. Дарвина. Его Бор называл «внук настоящего Дарвина». Ч.Г. Дарвин предположил, что альфа-частицы, проходящие через вещество, теряют свою энергию в основном за счет столкновений между альфа-частицами и электронами в атомах. В своей модели Дарвин рассматривал электроны как свободные (не подверженные каким-либо силам), и Бор уточнил эту модель, рассматривая электроны, которые окружают ядро как «гармонические осцилляторы», т.е. предполагая, что они связаны с ядром упругими силами и что их энергии квантованы согласно квантовым правилам Планка. Бор окончил эту работу только после отъезда из Манчестера, и результат был опубликован в 1913 г. Это исследование пробудило интерес Бора к проблеме строения атома. Уже в Манчестере он стал набрасывать идеи о стабильности атома; совершенно новые идеи, о которых он предварительно сообщил Резерфорду.
Бор оставил Манчестер 24 июля 1912 г., чтобы возвратиться в Данию, где он 1 августа женился на Маргрете Норлунд. В течение весны и лета он осознал, что открытие Резерфордом атомного ядра было ключевым камнем конструкции модели атома, и никакой атом Резерфорда нельзя представить как механически стабильную систему, согласующуюся с законами классической физики. В то же время он убедился, что выдвижение квантов могло бы сыграть роль в разработке любой атомной теории.
