Избранные научные труды
Шрифт:
Совершенно иначе обстоит дело в атомах. Определённые, неизменные свойства атомов требуют, чтобы состояние атома не испытывало необратимых изменений под влиянием внешних воздействий. Как только атом вновь предоставляется самому себе, движение составляющих его частиц должно снова полностью определяться только электрическими зарядами и массами этих частиц. Наиболее веские доказательства этого мы обнаруживаем в спектрах, т. е. в свойствах излучения, испускаемого веществами при определённых условиях и доступного для исследования с помощью соответствующих приборов. Известно, что длины волн спектральных линий элементов, которые во многих случаях могут быть измерены с точностью, большей, чем одна миллионная, при одинаковых внешних условиях остаются в пределах точности наблюдений теми же самыми совершенно независимо от предшествующей обработки вещества. Именно благодаря этому факту спектральный
Таким образом, с помощью нашей картины строения атомов не удается воспроизвести характерной устойчивости атомов, требуемой для объяснения свойств элементов, до тех пор, пока мы опираемся только на законы обычной механики.
Положение отнюдь не становится благоприятнее, если привлечь известные законы электродинамики, сформулированные Максвеллом на основании великих открытий Эрстеда и Фарадея, сделанных в первой половине прошлого века. Теория Максвелла оказалась способной не только объяснить все характерные черты известных к тому времени электрических и магнитных явлений; её наивысшим триумфом было предсказание существования электромагнитных волн, которые впоследствии были открыты Герцем и применяются теперь в столь широких масштабах в радиосвязи.
Одно время казалось, что эта теория сможет послужить основой детального объяснения свойств элементов. Эти надежды окрепли особенно после того, как она получила развитие в трудах Лоренца и Лармора и приобрела форму, согласующуюся с атомистической концепцией электричества. Мне достаточно напомнить только тот общий интерес, который был проявлен к данному Лоренцом, непринуждённому и простому объяснению основных черт явления, открытого Зееманом и состоящего в характерном изменении спектральных линий, наблюдаемом при воздействии магнитного поля на излучающее тело. Лоренц предполагал, что излучение, наблюдаемое в виде спектральной линии, испускается электроном, совершающим гармоническое колебание около некоторого положения равновесия точно так же, как электромагнитные волны, используемые для радиосвязи, излучаются вследствие электрических колебаний в антенне. Он также показал, что изменение спектральных линий, замеченное Зееманом, точно соответствует изменениям движения колеблющегося электрона, вызываемым магнитным полем.
Однако оказалось невозможным дать на этом основании детальное объяснение спектров элементов или хотя бы объяснение общего типа соотношений между длинами волн линий этих спектров, выполняющихся с высокой точностью и установленных Бальмером, Ридбергом и Ритцем. В рассмотренной нами картине строения атома эти затруднения выступают ещё яснее, поскольку, оставаясь на почве классической электродинамики, мы вообще не можем понять, как может возникнуть спектр, состоящий из отдельных линий. Эта теория вообще несовместима с предположением о существовании атомов, обладающих описанной выше структурой, так как движения электронов должны сопровождаться непрерывным излучением энергии атома до тех пор, пока электроны не упадут на ядро.
Возникновение квантовой теории
Однако выход из указанных затруднений электродинамики был найден в соображениях, заимствованных из так называемой квантовой теории, которая знаменует собой полнейший разрыв с теми представлениями, которыми пользовались до тех пор для объяснения явлений природы. Начало этой теории было положено, как известно, в 1900 г. Планком в его исследованиях закона теплового излучения. Этот закон вследствие его независимости от конкретных свойств вещества является пробным камнем для испытания применимости законов классической физики к атомным процессам.
Планк рассматривал равновесие излучения для ряда систем с теми же свойствами, что и у системы, рассмотрение которой привело Лоренца к его теории Зееман-эффекта. При этом он смог не только показать, что классическая электродинамика не способна объяснить явления теплового излучения; он нашёл, что полное согласие с экспериментальным законом теплового излучения может быть достигнуто, если в явном противоречии с классической теорией предположить, что энергия колеблющихся электронов изменяется не непрерывно, но только таким образом, что энергия системы всегда остаётся равной целому числу так называемых квантов энергии. Величина такого кванта должна быть пропорциональна частоте колебаний частицы. Относительно этой частоты так же, как и в классической теории, предполагается, что она равна частоте испускаемого света. Коэффициент пропорциональности,
Удивительный результат Планка стоял вначале совершенно особняком в естественных науках. Однако благодаря важным работам Эйнштейна в этой области через несколько лет указанный вывод нашёл широкое применение. Прежде всего Эйнштейн обратил внимание на то, что ограничения, накладываемые на значения энергии колебаний частиц, могут быть проверены исследованием теплоёмкости кристаллических тел, так как в этих телах приходится иметь дело с подобными же колебаниями, но уже не одного электрона, а целого атома около положения равновесия в кристаллической решётке. Эйнштейну удалось показать, что эксперимент подтверждает теорию Планка. Более поздние исследования других авторов показали, что согласие имеет место со всеми предсказаниями этой теории. Кроме того, Эйнштейн подчеркнул и другое следствие, вытекающее из результатов Планка: лучистая энергия может испускаться и поглощаться колеблющейся частицей только в виде так называемых «квантов излучения», величина которых равна произведению постоянной Планка на частоту колебаний.
Стремясь дать наглядное истолкование этому результату, Эйнштейн предложил так называемую «гипотезу световых квантов», согласно которой лучистая энергия вопреки электромагнитной теории света Максвелла должна распространяться не в виде волн, а скорее в виде определённых «атомов» света, каждый из которых должен обладать энергией кванта излучения. Это представление привело Эйнштейна к известной теории фотоэлектрического эффекта. Названное явление, непонятное с точки зрения классической теории, получило в результате этого совершенно новое истолкование, а предсказания теории Эйнштейна за последние годы были столь точно подтверждены экспериментально, что именно измерения фотоэлектрического эффекта стали, по-видимому, самым точным способом определения постоянной Планка. Однако, несмотря на свою эвристическую ценность, гипотеза световых квантов, будучи совершенно несовместимой с так называемыми явлениями интерференции, не может помочь и в выяснении вопроса о природе излучения. Достаточно напомнить только, что явления интерференции предоставляют нам единственный способ исследования свойств излучения и позволяют придать определённый смысл частоте колебаний, которая в теории Эйнштейна определяет величину светового кванта.
В последующие годы было предпринято много попыток применить квантовые представления к вопросам строения атома, причём центр тяжести переносили то на одно, то на другое следствие, полученное Эйнштейном из результата Планка. Из наиболее известных попыток в этом направлении, не давших, однако, никаких определённых результатов, я не могу не упомянуть работы Штарка, Зоммерфельда, Хазенёрля, де Гааза и Никольсона.
К этому же времени относится работа датского химика Бьеррума по полосам поглощения в инфракрасной области, хотя и не связанная непосредственно с вопросом о строении атома, однако имевшая важное значение для развития квантовой теории. Он обратил внимание на тот факт, что вращение газовых молекул можно изучать по изменениям определённых линий поглощения при изменении температуры. Одновременно он указал на то, что результат этого вращения не должен состоять в непрерывном уширении линий, как этого следовало бы ожидать на основании классической теории, ничем не ограничивающей вращательное движение молекул. В соответствии с квантовой теорией он предсказывал, что линии должны распадаться на ряд компонент, соответствующих ряду дискретных вращательных движений, доступных для молекул. Это предсказание было подтверждено несколькими годами спустя Евой фон Бар. Данное явление и до сих пор может рассматриваться как одно из наиболее ярких доказательств реальности квантовой теории, несмотря на то, что с современной точки зрения первоначальное толкование должно претерпеть существенные изменения во многих отношениях.
Квантовая теория строения атома
Вопрос о дальнейшей разработке квантовой теории получил новое освещение в результате открытия атомного ядра Резерфордом (1911 г.). Мы уже видели, как после этого открытия стало очевидным, что с помощью одних только классических представлений оказывается невозможным понять наиболее существенные свойства атомов. Поэтому начались поиски такой формулировки принципов квантовой теории, которая могла бы объяснить устойчивость строения атомов и свойства излучения, испускаемого атомами, из которых состоит вещество. Подобная формулировка была предложена мной в 1913 г. в виде двух постулатов, содержание которых можно выразить следующим образом.