Трудности теории бора. Теория Бора с самого начала вызывала многие вопросы, остававшиеся без ответа.
Эти вопросы были поставлены Резерфордом еще при обсуждении рукописи его первой статьи. Как понимать сочетание идей Бора и классической механики, в которой нет места для квантовых скачков, и откуда электрон знает, на какую орбиту ему следует перескакивать В 1896 г. голландский физик Питер Зееман 1865 1943 произвел опыт, который пытался осуществить еще Фарадей.
Пламя натриевой горелки он помещал между полюсами электромагнита и наблюдал в спектроскоп ее спектр. По оси электромагнита был просверлен канал, так что явление можно было наблюдать не только перпендикулярно силовым линиям поля поперечный эффект, но и вдоль поля продольный эффект. При наблюдении поперек поля, кроме линии с частотой колебаний vo, равной частоте колебаний в отсутствие поля, наблюдались две линии с частотами v1v0-v и v2v0-v. Все три линии линейно поляризованы.
Несмещенная линия соответствует колебаниям вдоль силовых линий, смещенные колебаниям, перпендикулярным силовым линиям. При наблюдении вдоль поля несмещенная компонента отсутствует, смещенные линии поляризованы по кругу в противоположных направлениях. Лоренц в 1897 г. дал простую теорию эффекта, исходя из представлений, что в атомах электроны совершают круговые движения с циклической частотой w0. В магнитном поле на них действует сила Лоренца и частота обращения изменяется на величину w, равную приближенно Лармор 1857-1942 в 1899 г. интерпретировал действие магнитного поля как действие поля тяжести на волчок.
Волчок прецессирует вокруг направления силы тяжести с угловой частотой w. Точно так же вращающиеся электроны в атоме прецессируют вокруг силовых линий магнитного поля с круговой частотой. Зоммерфельд, развивая теорию Бора, ввел идею пространственного квантования. Движение электрона по орбите определяется радиальным и азимутальным квантовыми числами или главным квантовым числом п, определяющим энергию электрона, и побочным квантовым числом k, определяющим форму орбиты.
Положение орбиты в пространстве определяется третьим магнитным квантовым числом т. Введение этого числа и квантование направлений оси по отношению к магнитному полю позволяет дать объяснение эффекта Зеемана. Однако это объяснение в известном смысле было хуже объяснения, данного Лоренцем. Оно ничего не говорило о поляризации линий. Вообще теория спектров, по Бору и Зоммерфельду, говорила лишь о частотах линий и не могла объяснить их интенсивность и поляризацию.
Чтобы теория могла что-то сказать об этом, Бор ввел принцип соответствия. Согласно этому принципу существует далеко идущее соответствие между квантовым и классическим описанием излучения. В квантовом описании линии спектра излучения обусловлены переходами из одного состояния в другое, в классическом эти линии определяются разложением движения электрона в ряд Фурье. При этом, как указывает Н. Бор, частота излучения, испускаемого при переходе между стационарными состояниями, характеризуемыми числами п и п, большим по сравнению с их разностью, совпадает с частотой одной из компонент излучения, которую можно ожидать при избранном движении электрона в стационарном состоянии на основании обычных представлений.
Далее Бор пишет Задаваясь вопросом о более глубоком значении найденного соответствия, мы вправе, естественно, ожидать, что соответствие не ограничивается совпадением частот спектральных линий, вычисленных тем и другим методом, но простирается и на их интенсивности.
Такое ожидание равносильно тому, что вероятность определенного перехода между двумя стационарными состояниями связана известным образом с амплитудой, соответствующей гармонической компоненте. Применение принципа соответствия позволило определить и поляризацию в нормальном эффекте Зеемана. Квантовый переход, соответствующий изменению магнитного квантового числа на 1, дает круговую поляризацию в плоскости, перпендикулярной к силовым линиям.
Квантовый переход Am 0 соответствует линейной поляризации, параллельной силовым линиям. Но нормальный эффект Зеемана представляет скорее исключение, чем норму. На опыте встречается более сложный эффект расчленение на несколько компонентов мультиплетов. Мультиплетами оказываются и линии спектров элементов. Аномальный эффект и мультиплетная структура спектров не укладывались в рамки обычной теории Бора. С вопросом о сложной структуре линий был тесно связан вопрос о магнитных свойствах атома. Еще Д. С. Рождественский в своем докладе 15 декабря 1919 г. предполагал, что дублеты п триплеты спектральных линий обусловлены действием магнитных сил, вы званных движением электронов.
Магнитная задача должна лежать в основе задачи об атомах, говорил Рождественский. О.Штерн 1888-1969 и В. Герлах род. в 1889 г. в 1921 г. пропустили молекулярный пучок через неоднородное магнитное поле и неопровержимо доказали наличие у атомов магнитного момента. Но детали опыта расщепление пучка на два опять не укладывались в теорию Бора Зоммерфельда.
В том же, 1921 г. А.Ланде 1888-1975 дал формальную схему описания мультиплетов с помощью векторной модели и ввел связанный с квантовыми числами k и s множитель Ланде. Он также получил двойной магнетизм отношение между магнитным и вращательным моментом атомного остова т.е. ядра и всех электронов, кроме оптического оказалось вдвое больше того, который следует из теории Бора Зоммерфельда.
Противоречия с теорией Бора в ее первоначальном варианте накапливались на каждом шагу, и квантовое описание спектроскопических фактов все более и более усложнялось. Особенно тягостное положение создалось в теории света. Эйнштейн в своей классической работе 1917 г. о световых квантах сделал дальнейший шаг в сторону корпускулярной теории света. Он предположил, что атом излучает, выстреливая квант света в том или ином направлении игольчатое излучение. При этом квант света обладает всеми свойствами материальной частицы энергией Е hv, массой m. Эта идея нашла блестящее подтверждение в открытии, сделанном американским физиком Артуром Комптоном.
В 1922 г. Комптон, изучая рассеяние рентгеновских лучей веществом, содержащим слабо связанные электроны графитом, установил, что частота длина волны рассеянных рентгеновских лучей изменяется в зависимости от угла рассеяния. С увеличением угла рассеяния она уменьшается длина волны увеличивается, излучение становится более мягким. В 1923 г. А. Комптон и независимо от него П.Дебай дали теорию эффекта Комптона.
Теория была основана на идее Эйнштейна квант света сталкивается с электроном по закону упругого удара. Применяя законы сохранения энергии и импульса, Комптон и Дебай получили формулу для изменения длины волны рассеянного излучения Дебай написал эту формулу в несколько измененном виде. Это простое и наглядное объяснение эффекта в сильной степени способствовало укреплению представления о кванте света как частице, для которой Комптоном был предложен термин фотон, ставший общеупотребительным.
К 1924 г. в науке о свете создалось тягостное положение, которое очень наглядно охарактеризовал О. Д. Хвольсон. Разделив мелом доску на две части Л и В, он вписал на одной стороне факты, объясняемые волновой теорией света, на другой факты, объясняемые квантовой теорией. Ни волновая, ни квантовая теории, говорил в связи с этим принимавший участие в съезде Эренфест, не в состоянии охватить все области световых явлений.
Всеобъемлющей теории света, как это констатировал Хвольсон, не было. В поисках выхода из тяжелого положения авторы предложили даже отказаться от требования применения закона сохранения энергии к отдельным актам излучения и поглощения света атомом. Однако гипотеза Бора, Крамерса и Слэтера была опровергнута экспериментами, в которых доказывалось, что каждый акт взаимодействия света с веществом подчиняется закону сохранения энергии.