ТРИЛОГИЯ. НА ПУТИ К АТОМНОЙ ТЕОРИИ

ТРИЛОГИЯ. НА ПУТИ К АТОМНОЙ ТЕОРИИ. Когда Нильс и Маргрет вернулись из свадебного путешествия, с копенгагенских буков падали листья.

Но холод осени словно отступил перед теплотой приема, оказанного им родственниками и знакомыми. Молодожены быстро подыскали для себя маленькую квартиру и обосновались там - Нильсу не терпелось как можно скорее приступить к работе. Будущее Бора ни у кого не вызывало сомнений. Все прошлое ученого, образование и приобретенные знания подготовили его для университета. Он сразу же получил пост доцента в Копенгагенском университете; было решено, что он будет читать курс лекций «Механическое обоснование термодинамики». Лекции должны были начаться 16 октября и продол-жаться до 18 декабря.

На подготовку лекций требовалось время, но Бор использовал каждую свободную минуту для продолжения работы, связанной с моделью атома. Но прежде чем он мог приступить к новой статье, ему потребовалось выяснить и проверить множество вопросов, причем Бор стремился к всесторонней и исчерпывающей проверке. Работа оказалась исключительно трудной. В письме от 4 ноября 1912 года Бор писал Резерфорду: «Я чувствую себя очень виноватым, что не сумел закончить свою статью по атому и направить ее Вам». В первоначальном наброске письма было сказано: «Мне удалось добиться кое-каких успехов в отношении проблемы рассеяния», но перед тем как дать письмо Маргрет для переписки набело и отправки Резерфорду, он вычеркнул слова «кое-каких». На самом деле Бор добился весьма значительных успехов, и он закончил письмо словами: «Надеюсь завершить статью в течение ближайших недель». Резерфорд всегда быстро отвечал на письма.

В своем ответе, послан-ном ровно через неделю, 11 ноября, он советовал Бору не торопиться: «Не думаю, чтобы Вам следовало спешить с опубликованием второй статьи по строению атома; мне кажется, сейчас этим вопросом никто не занимается Надеюсь, что Вы успешно преодолеете все трудности». У Бора было совершенно иное мнение относительно внимания других ученых к вопросу о строении атома.

В журналах начали появляться многочисленные статьи по родственным проблемам, и Бор был уверен, что вот-вот другие физики поставят перед собой этот самый трудный и самый важный вопрос: что же представляет собой атом и каково строение Вселенной? Вопрос был настолько важным, что Бор просто не мог понять, как могли другие не замечать его. За несколько дней до Рождества пришло первое доказательство того, что другие физики почти вплотную подошли или по крайней мере работают над частными проблемами строения атома.

Бор получил оттиски статей Д.У. Никольсона. Правда, английский ученый занимался изучением Солнца, но в конечном счете речь шла об одном и том же. При первом чтении статей сердце Бора упало.

Казалось, Никольсон отрицает все положения, которые он выдвигал. «Неужели я так ошибаюсь?» - мучительно вопрошал себя Бор. Если атомы на Солнце непрерывно излучают «порции» энергии, как утверждал Никольсон, то в конце концов атом как таковой неизбежно должен исчезнуть. Бор не видел другого выхода, и в то же время вся его теория основывалась на том, что атом не исчезает, а, наоборот, сохраняет свою форму и структуру с завидной стабильностью.

Если системы, рассматриваемые Никольсоном, существуют только в таких условиях, когда атомы непрерывно разрушаются и образуются заново, скажем, внутри звезды или в вакуумной трубке, где происходит газовый разряд, то никакого конфликта с его теорией не возникаем Ведь он рассматривает атомы в их обычном, а не критическом состоянии «смерти» и рождения заново. И если это действительно так, то работы Никольсона не только не отрицают его теорию, но, наоборот, подкрепляют ее. Этот вывод несказанно обрадовал Бора. Работая как каторжный, Бор закончил свое исследование по альфа-лучам, и в конце января его статья была готова для пересылки Резерфорду.

Кроме того, сообщил он профессору, работа по строению атома также успешно продвигается. Сейчас еще больше чем в Манчестере, ученый был уверен, что структура электронных орбит и процесс их возникновения могут только объяснить периодическую систему элементов, но и показать, как и почему происходит соединение элементов.

Появится возможность объяснить, почему два атома водорода соединяются в молекулу, тогда как "два атома гелия отказываются соединяться". Бор прекрасно отдавал себе отчет, что выдвигаемая им теория корен-ным образом изменит установившиеся в физике представления. Первые четыре орбиты по боровской модели строения атома водорода. Электроны могут совершить любой из указанных «прыжков». Перед Бором открылась возможность по-новому разрешить загадку атома.

Перемещение электрона с одной орбиты на другую происходило примерно так, как если бы автомобиль, едущий по автостраде, рассчи-танной на высокие скорости движения, внезапно получил способность летать и перепрыгнул на шоссе, предназначенное для движения на небольших скоростях. Если бы этот скачек сопровождался вспышкой света, его можно было легко зарегистрировать. Бор понимал, что его теория будет иметь смысл лишь в том случае, если наряду с процессом испускания она так же хорошо будет описывать и процесс поглощения.

Поэтому необходимо было предположить, что система, состоящая из ядра и вращающегося вокруг него электрона, может при соответствующих условиях поглощать излучение с частотой, равной частоте излучения, испускаемого при переходе системы из одно-го стационарного состояния в другое. Анализируя системы, в которых вокруг положительно заряженного ядра вращается большее число электронов, Бор пришел к выводу, что устойчивой конфигурацией электронов является такая конфигурация, которая представляет собой кольцо вокруг ядра. Бор заложил основы теории строения атомов и молекул, но решил, что подробнее остановиться на них во второй части своей статьи.

Бор писал одному из друзей: "Боюсь, что мне следует торопиться с опубликованием, если я хочу представить что-то новое; эта проблема является в высшей степени актуальной". Вторая часть статьи "Строение атомов и молекул" называлась "Систе-мы, содержащие только одно ядро". На основе идеализированной модели Бор предположил, что электроны вращаются вокруг ядра по коаксиальным орбитам.

Но сколько электронов находятся на каждой орбите, как располагаются сами орбиты и каким образом их конфигурации определяют химические свойства элементов? Если к единственному электрону атома водорода прибавить еще один электрон, рассуждал Бор, то оба электрона будут вращаться вокруг ядра, образовав элемент гелий. В этом случае орбита будет заполнена и тенденция к приобретению еще одного электрона исчезнет. И действительно, гелий - инертный газ, не вступающий в соединения с другими элементами.

Но если ядро с зарядом в три единицы притянет к себе третий электрон, то этот дополнительный электрон займет свою собственную орбиту, внешнюю по отношению к первоначальной орбите, занятой двумя электронами. Предположение о ядре, окруженном кольцами с размещенными на них электронами, позволяло решить еще одну важную проблему. При переходе электрона с одной из внешних орбит сопровождающее этот процесс выделение энергии в виде излучения воспроизведет обычный линейный спектр элемента - характерные для него спектральные линии. "По аналогии можно предположить продолжал Бор что характери-стическое рентгеновское излучение возникает при переходе системы, у которой электроны внутренних орбит выбиты с помощью какой-то внешней силы, скажем воздействием катодных частиц, в равновесное со-стояние". Слева - атом водорода со своим одним электроном. Справа - многочисленные орбиты атома криптона, у которого тридцать шесть электронов.

С радиоактивностью дело обстояло хуже. Это явление не могло быть объяснено излучением энергии электронами, вращающимися вокруг ядра. Бор утверждал, что в рамках атома Резерфорда допустимо только одно объяснение: источником альфа-лучей является ядро. Кроме того, бору казалось совершенно ясным, что ядро является также источником излучения быстрых бета- частиц. "Эта точка зрения на происхождение альфа- и бета-частиц с необычайной простотой объясняет, каким образом изменение химических свойств радиоактивных веществ связано с природой испускаемых частиц.

Результаты экспериментов могут быть выражены двумя правилами: 1. Всякий раз, когда излучается альфа-частица, образующийся элемент переходит в группу, на две единицы меньшую, чем группа периодической системы, к которой принадлежал исходный эле-мент. 2. Всякий раз, когда излучается бета-частица, группа периодической системы, к которой принадлежит образующийся элемент, на единицу больше группы, в которой находится исходный элемент". Именно это доказывал произведенный Бором анализ структуры атомов.

Эксперимент и теория не просто согласовывались, они согласовывались с точностью, превосходящей все ожидания.

Итак, молекула является комбинацией двух или более атомов и образуется двумя отделенными друг от друга ядрами и их электронами. Бор начал свои исследования с простейшего случая - он рассмотрел два ядра, каждое из которых имело всего по одному электронному кольцу.

Он доказал, что при сближении двух атомов друг с другом соприкасаются только их внешние электронные оболочки. Внутренняя часть атомов при соединении их в молекулу изменениями не подвергается. "Основная часть электронов должна размещаться вокруг своего ядра примерно так, как если бы другое ядро отсутствовало говорил Бор Всего лишь несколько электронов будут располагаться по-новому, вра-щаясь по круговой орбите, охватывающей оба ядра. Новое электронное кольцо, удерживающее всю систему, и является химической связью". Таким образом, молекула в гениальном воображении ученого превратилось в доступные объяснению организованные комбинации микроскопических солнечных систем, в которых вокруг ядер по орбитам, расположенным во многих плоскостях, вращаются электроны. В заключении к трем статьям - трилогии, как их вскоре стали называть Бор суммировал основные идеи своей теории.

Он использовал гипотезу Планка для объяснения атома Резерфорда и при этом выдвинул собственные гипотезы относительно испускания и поглощения излучения атомной системой.

Гипотезы эти сводятся к следующему: 1. Поглощение и излучение энергии происходит непрерывно, как предполагала классическая физика прошлого, а только во время перехода систем из одного "стационарного" состояния в другое. 2. Хотя равновесие систем в их стационарном состоянии описывается обычными законами механики, эти законы неприменимы в момент перехода систем из одного стационарного состояния в другое. 3. Излучение испускается в виде одной неделимой порции - кванта Планка. 4. Стационарные состояния определяются испусканием энергии и вращением электрона. 5. Устойчивым состоянием любой атомной системы является такое состояние, при котором излучаемая энергия максимальна. "Атом" Бора не приняли многие физики старой школы, однако игнорировать его они не могли.

Хотели они того или нет, три статьи Бора изменили физику. Это изменение можно сравнить с тем, что было внесено в науку открытием ядра атома, сделанным Резерфордом двумя годами раньше.

Так родилась атомная физика, вошедшая в жизнь в наши дни. Чтобы оценить масштабы революции, произведенной Бором, потребовалось время, но независимо ни от чего революция эта произошла, и это непре-ложный факт.