Ирина Радунская - Крушение парадоксов
Впрочем, вскоре Томсон понял, что эта модель слишком сложна и не может описать многие известные свойства атомов.
В игру включился Вильям Томсон. Он заметил, что опыты с лучами Крукса и бэта-частицами свидетельствуют о том, что электроны пролетают не только между атомами, но и сквозь них. Он предполагал, что электрон, находящийся вне атома, притягивается к нему с силой, пропорциональной квадрату расстояний между их центрами. Если же электрон пролетает внутри атома, то притяжение пропорционально первой степени этого расстояния. Так могло быть, только если весь объем атома заполнен чем-то, имеющим положительный заряд, а размеры электронов много меньше размеров атомов.
Кельвин считал, что нейтральность атома обеспечивается тем, что в нем существует ровно столько электронов, сколько нужно для компенсации положительного заряда. Они располагаются по сферическим поверхностям и, возможно, вращаются вокруг центра.
Такая модель, известная под названием «атома Томсона», просуществовала более десятилетия, хотя было ясно, что она не объясняет многих фактов и не отвечает требованиям устойчивости. Так еще раз проявила свою иронию Ее Величество Наука, милостивая к корифеям, покорно несущим ее шлейф, и пренебрегающая провидцами, обгоняющими ее неспешную величественную процессию.
В декабре того же 1903 года, когда оба Томсона, более молодой Джи-Джи и маститый лорд Кельвин, закончили в общих чертах построение своей модели атома, японский физик Нагаока сообщил Токийскому физико-математическому обществу о своей модели атома, построенной наподобие системы Сатурна и его колец. В следующем году это сообщение появилось в лондонском журнале «Природа», но не вызвало особого резонанса среди физиков. Сейчас мы можем лишь удивляться подобному невниманию и пытаться объяснить его гипнотизирующим влиянием авторитета, инерцией ума или традиционной ссылкой на судьбу идей, опередивших свое время.
Нагаока исходил из ясно осознанной необходимости объяснить закономерности спектральных серий и явления радиоактивности. Его статья называлась «О динамической системе, иллюстрирующей спектральные линии и явление радиоактивности». Он писал: «Атом состоит из большого числа частиц одинаковой массы, расположенных по кругу через равные угловые интервалы и взаимно отталкивающихся с силой, обратно пропорциональной расстоянию между ними. В центре круга помещается тяжелая частица, которая притягивает другие частицы, образующие кольцо, по тому же закону... Рассмотренная система будет реализована, если по кольцу разместятся электроны, а положительный заряд в центре».
Модель Нагаоки могла объяснить сильные отклонения альфа-частиц, наблюдавшиеся Гайгером и Мерсоном при прохождении альфа-частиц через тонкие металлические фольги. Модель атома Томсона была здесь бессильна. Несмотря на все это, планетарная модель атома прочно ассоциируется с именем Резерфорда, который возродил ее в 1913 году, когда пришло время, и при его участии были получены опытные факты, превратившие планетарную модель из гипотезы в очевидную необходимость.
Один из решающих доводов в пользу планетарной модели получил ассистент Резерфорда Мозли из наблюдения спектров рентгеновских лучей: «Атому присуща характерная величина, регулярно увеличивающаяся при переходе от атома к атому (в периодической системе). Эта величина не может быть ничем иным, как зарядом внутреннего ядра».
Результат, полученный Мозли, прекрасно сочетается с законом превращения радиоактивных элементов, открытым Соди и Резерфордом за десять лет до того и вызывавшим резкие возражения консервативных сторонников традиционной точки зрения о вечности и неизменности атомов.
В модели Резерфорда все встало на свои места — в положительно заряженном ядре происходят все радиоактивные превращения, вокруг ядра вращаются электроны, ответственные за возникновение спектров и за химические взаимодействия.
Основной слабостью планетарной модели Нагаоки, не устраненной и Резерфордом, была невозможность количественно связать эту модель с явлением излучения и поглощения света и рентгеновских волн. Модель не позволяла рассчитать длины излучаемых и поглощаемых волн, более того, ее нельзя было примирить с фактом существования атомов. Ведь в соответствии с теорией Максвелла вращающийся по орбите электрон должен непрерывно излучать электромагнитные волны, передавая им часть своей кинетической энергии. При этом орбита электрона должна все более сжиматься и он должен быстро упасть на ядро.
Если и была надежда когда-нибудь в будущем объяснить этим радиоактивные превращения, то совместить такую модель с существованием стабильных атомов было совершенно невозможным.
Модель Резерфорда ждала неизбежная гибель. Но она не успела подвергнуться поруганию и забвению потому, что в лаборатории Резерфорда уже около года работал молодой датский физик Нильс Бор.
Атом бора — это не атом бора, а атом водорода
Бор отчетливо ощущал обширные возможности, содержащиеся в планетарной модели атома, и поставил себе целью спасти ее от анафемы, которой ей грозила классическая физика.
Спасителями могли быть только еретический квант действия, вошедший в науку, несмотря на все опасения его создателя Планка, и не менее крамольный фотон, отец которого — Эйнштейн — потом долгие годы был основным оппонентом Бора по самым сложным и глубоким проблемам современной физики.
Цитата, возможно слишком длинная, лучше всего покажет возникновение наиболее драматического скачка, вознесшего человечество над стройными громадами классической физики.
«Существование элементарного кванта действия выражает новое свойство индивидуальности физических процессов, совершенно чуждое классическим законам механики и электромагнетизма; оно ограничивает их справедливость теми явлениями, в которых величины размерности действий велики по сравнению со значением единичного кванта, даваемым новой атомистической постоянной Планка. Такое условие ни в какой мере не выполняется для электронов в атомах, хотя ему с избытком удовлетворяют явления в обычных физических опытах. И действительно, только существование кванта действия препятствует слиянию электронов с ядром в нейтральную тяжелую частицу практически бесконечно малого размера.
Признание такого положения тотчас же навело на мысль описывать удержание каждого электрона полем вокруг ядра как непрерывный ряд индивидуальных процессов, которые переводят атом из одного, из так называемых его стационарных состояний, в другое такое же состояние с испусканием освобожденной энергии в виде единичного кванта электромагнитного излучения. Эта идея внутренне сродни эйнштейновскому успешному толкованию фотоэлектрического эффекта, столь убедительно подтвержденному прекрасными работами Франка и Герца над возбуждением спектральных линий ударами электронов об атомы. Она дала не только прямое объяснение загадочных законов линейчатых спектров, распутанных Бальмером, Ридбергом и Ритцем, но и постепенно привела к систематической классификации, на основе спектроскопических данных, типов стационарной связи каждого электрона в атоме; это дало полное объяснение замечательным зависимостям между физическими и химическими свойствами элементов, — зависимостям, выраженным в знаменитой таблице Менделеева. Такое толкование свойства материи казалось осуществлением древнего идеала — свести формулирование законов природы к рассмотрению только чисел, — превосходящим даже мечты пифагорейцев. Основное предположение об индивидуальности атомных процессов означало в то же время неизбежный отказ от установления детальной причинной связи между физическими событиями, существование которой было в течение столетий бесспорной основой философии естествознания».
Бор сформулировал свои идеи в виде трех постулатов:
• атом может находиться в ряде определенных стационарных состояний, не теряя энергии на излучение;
• излучение возникает при переходе из одного стационарного состояния в другое;
• частота излучения определяется разностью энергий, соответствующих двум стационарным состояниям, между которыми совершается переход, и постоянной Планка.
Бор применил эти постулаты к простейшему атому, атому водорода, вокруг ядра которого вращается только один электрон. Каждый шаг был триумфом. Радиус орбиты электрона хорошо совпал с радиусом атома водорода, известным из опытов с газами. Подсчет частот, связанных с переходами между простейшими стационарными состояниями, совпал с известными сериями линий Бальмера и Пашена и позволил вычислить постоянную Ридберга, определенную ранее только из опыта.
Бор применил свою теорию к иону гелия — системе, также имеющей только один электрон, но вчетверо более тяжелое ядро, чем ядро атома водорода. Бор получил серию частот, совпавшую с серией спектральных линий, наблюдавшихся в некоторых звездах и в то время приписывавшихся водороду. Впоследствии правота Бора стала еще одним триумфом его теории.
