Избранные научные труды
Шрифт:
Как мы уже видели, соответствие между спектром элемента и движением атома объясняет наблюдаемые ограничения в применениях комбинационного принципа к предсказанию существования тех или иных спектральных линий. На основании того же соответствия непосредственно объясняется факт, открытый в последние годы Штарком и его сотрудниками и заключающийся в появлении в спектрах многих элементов новых серий комбинационных линий значительной интенсивности, ранее не наблюдавшихся; эти линии появляются в том случае, когда излучающие атомы подвергаются действию сильных электрических полей. Это явление вполне подобно наличию так называемых комбинационных тонов в акустике и происходит оттого, что возмущение движения внешним полем сказывается не только в воздействии на компоненты колебания, существовавшие и без поля, но и в появлении новых гармонических компонент, не имевшихся в невозмущённом движении; частоты колебаний этих новых компонент определяются выражением + где отлично от ±1. Согласно принципу соответствия, мы вправе поэтому ожидать, что влияние электрического поля выразится не только в действии на линии, существующие при обычных условиях, но и в том, что атомы получат возможность переходов нового типа, при которых k либо совсем не изменяется, либо меняется на целое число, большее единицы; в результате должны появиться «новые» наблюдавшиеся комбинационные линии. Оценка амплитуд рассматриваемых здесь компонент колебания в начальных и конечных состояниях атома, соответствующих новым линиям, позволяет даже учесть ту степень лёгкости, с которой указанные линии могут возбуждаться электрическими полями.
Общий вопрос о влиянии электрического поля на спектры элементов
Из предыдущего ясно, каким образом можно получить общее представление о возникновении сериальных спектров типа спектра натрия. Затруднения, возникающие при попытке детального объяснения спектра любого элемента, возникают с полной силой уже в случае спектра гелия, элемента, следующего за водородом и обладающего в нейтральном состоянии всего двумя электронами. Как известно, спектр гелия — простой, т. е. состоит из простых линий, или двойных линий с очень небольшим расстоянием между компонентами. Обнаружено, однако, что линии распадаются на две группы, каждая из которых описывается формулой типа (14); эти группы обозначаются обычно, как спектр ортогелия и парагелия; последний спектр состоит из простых линий, первый — из указанных выше дублетов. Этот факт наличия у гелия в противоположность щелочным металлам двух полных сериальных спектров ридберговского типа, не имеющих никаких взаимных комбинаций, казался столь неожиданным, что одно время были склонны считать гелий смесью двух элементов. Такой выход из положения в настоящее время невозможен, так как в соответствующей области периодической системы элементов нет места для нового элемента или, выражаясь точнее, нет места для элемента с новым спектром. Объяснение наличия двух спектров может быть, однако, сведено к тому, что в стационарных состояниях, соответствующих сериальным спектрам, мы имеем дело в данном случае с системой, обладающей всего одним внутренним электроном; вследствие этого движение внутренней системы при отсутствии внешнего электрона будет чисто периодическим и поэтому легко может возмущаться внешними силами.
Для объяснения этого пункта мы должны несколько подробнее остановиться на вопросе о стационарных состояниях, имеющих значение для возникновения сериальных спектров. Как уже говорилось, мы должны предполагать, что в этих состояниях один электрон движется по некоторой орбите вдали от ядра и других электронов. Можно думать, что в общем случае возможно несколько различных групп таких состоянии, из которых каждая соответствует различному стационарному состоянию внутренней системы, рассматриваемой изолированно. Ближайший анализ показывает, что при обычных условиях возбуждения наибольшей вероятностью обладает та группа, у которой движение внутреннего электрона соответствует «нормальному» состоянию внутренней системы, обладающему наименьшей энергией. Далее, энергия, необходимая для перевода внутренней системы из её нормального состояния в другое стационарное состояние, в общем случае очень велика по сравнению с этой энергией, которая необходима для перевода внешнего электрона из нормального состояния нейтрального атома на стационарную орбиту больших размеров. Далее, внутренняя система только в нормальном состоянии обладает в общем случае длительным существованием и потому может выдерживать, не разрушаясь, переходы внешнего электрона и связанное с этим процессом излучение. Конфигурация атомной системы в её стационарных состояниях, в частности в нормальном состоянии, в общем случае вполне определённа; поэтому мы можем предполагать, что внутренняя система испытывает только небольшие изменения с течением времени, вызываемые присутствием внешнего электрона. Поэтому мы можем предполагать, что влияние внутренней системы на движение внешнего электрона, в общем, того же характера, как и возмущения движения электрона в атоме водорода, вызываемые постоянным внешним полем; вследствие этого следует ожидать появления спектра, соответствующего совокупности спектральных термов, образующих в общем случае связанную группу, хотя даже в отсутствие внешних сил не всякая комбинация двух термов этой совокупности определяет появление спектральной линии. В случае спектра гелия дело обстоит иначе, так как внутренняя система, как мы уже говорили, содержит всего один электрон, движение которого в отсутствие внешнего электрона является чисто периодическим, если только пренебречь теми небольшими изменениями кеплеровского движения, которые вызываются изменением массы электрона в зависимости от скорости. Поэтому форма орбиты в стационарных состояниях внутренней системы сама по себе неопределённа, или, точнее говоря, устойчивость орбиты столь мала (даже при учёте изменчивости массы), что уже малые внешние силы в состоянии изменить эксцентриситет орбиты с течением времени на конечную величину. Таким образом, в случае атома гелия открывается возможность существования нескольких групп стационарных состояний, для которых энергия внутренней системы приблизительно одна и та же, хотя форма и положение орбиты внутреннего электрона существенно различны; тем самым исключена возможность переходов между состояниями внутри различных групп даже при наличии внешних сил, в соответствии с наблюдаемым спектром гелия.
Эти соображения приводят непосредственно к вопросу о типе возмущений орбиты внутреннего электрона атома гелия, возникающих благодаря присутствию внешнего электрона. Недавно Ланде, основываясь на этом, рассмотрел вопрос о спектре гелия. Хотя результаты этой работы во многих отношениях очень интересны (в особенности в смысле установления сильного обратного воздействия внутренней системы на движение внешнего электрона в силу тех возмущений, которые вызываются его присутствием), они не могут дать удовлетворительного объяснения спектра гелия. Независимо от тех серьёзных возражений, которые могут быть сделаны относительно вычислений возмущений орбиты, соображения Ланде затрудняют понимание возникновения двух отдельных спектров, не имеющих взаимных комбинаций, с точки зрения принципа соответствия. Для выяснения положения вещей необходимо, по-видимому, тщательное исследование взаимных возмущений внешней и внутренней орбит атома гелия. Эти возмущения чрезвычайно усложняют характер движения обоих электронов атома гелия, и стационарные состояния не могут быть определены методами, разработанными для условно-периодических систем. Исследованием этого вопроса, докладчик занимался совместно с д-ром Крамерсом в последние годы. В докладе о проблеме атома на съезде голландских естествоиспытателей и врачей в Лейдене в апреле 1919 г. я кратко сообщил о результатах наших вычислений, а также об исследовании определённых особых классов движений, на которые мы натолкнулись в нашей работе и которые могут иметь значение для объяснения спектра гелия. Внешние обстоятельства не позволили нам до сих пор опубликовать наши вычисления; мы надеемся сообщить о них в ближайшем будущем в связи с задачей о спектре гелия 1.
1 Работа о спектре гелия, выполненная совместно с Крамерсом, не была опубликована, так как использованная для расчётов пространственная модель атома гелия не привела к согласующимся с опытом результатам.— Прим. ред.
Задача о спектрах элементов с более высоким атомным номером является постольку более простой, поскольку внутренняя система в её нормальном состоянии в этом случае является более определённой, чем в случае гелия. В то же время, естественно, возрастают трудности в механической задаче с увеличением числа частиц в атоме. Примером этого может служить спектр лития, атом которого в нейтральном состоянии содержит три электрона. Отклонения спектральных термов лития от соответствующих термов спектра водорода очень малы
При переходе к спектрам элементов с ещё более высоким атомным номером механическая задача, решение которой необходимо для описания движения в стационарных состояниях, становится всё более трудной, что явствует уже из необычайной сложности многих наблюдаемых спектров. Даже в простейших спектрах, которые имеют щелочные металлы, сериальные линии не являются простыми, но состоят из дублетов, расстояние между компонентами которых сильно возрастает с атомным номером. Это обстоятельство указывает на то, что движение внешнего электрона не является простым центральным движением, но носит более сложный характер; мы должны, следовательно, считаться с более сложной совокупностью стационарных состояний. На тот факт, что в атоме натрия мы имеем дело с парами стационарных состояний, в которых большая ось и параметр орбиты внешнего электрона приближённо определяются формулами (17) и (25), указывает не только одинаковая роль обоих состояний в спектре (как мы это видели при обсуждении опытов по резонансному излучению паров натрия); это подтверждается весьма поучительным образом при изучении своеобразного действия магнитного поля на дублеты. Это действие заключается в том, что при небольших напряжённостях поля каждая компонента даёт так называемый аномальный эффект Зеемана, состоящий в расщеплении на большее число резких компонент, в отличие от триплета Лоренца; при возрастающей напряжённости поля, как впервые наблюдали Пашен и Бак, обе компоненты дублета сливаются постепенно в одну простую линию с нормальным эффектом Зеемана.
Это влияние магнитного поля на дублеты спектров щелочных металлов интересно не только в связи с предыдущим как показатель тесной связи компонент дублета и реальности простого объяснения общей структуры спектров щелочных металлов, но имеет и другое значение: это влияние показывает вполне определённо (если, конечно, можно положиться на принцип соответствия), что действие внешнего магнитного поля на движение электронов в атомах щелочных металлов, в отличие от эффекта Зеемана в спектральных линиях водорода, не может быть сведено к простому наложению равномерного вращения с числом оборотов, определяемым формулой (24), на возможное стационарное движение, существующее вне поля. Такое наложение, согласно принципу соответствия, всегда приводило бы к нормальному эффекту Зеемана для каждой компоненты дублета. В этой связи нужно прежде всего указать, что различие между простым действием магнитного поля на компоненты тонкой структуры линий водорода, предсказываемым теорией, и наблюдаемым действием на дублеты щелочных металлов, не является противоречием. Компоненты тонкой структуры не являются аналогами компонент дублета; каждая отдельная компонента тонкой структуры соответствует, согласно теории, совокупности компонент (дублета, триплета), составляющих одну спектральную линию в схеме Ридберга; наличие эффекта Пашена и Бака в сильных полях является поэтому существенной опорой для теоретического предсказания характера действия магнитных полей на компоненты тонкой структуры спектральных линий водорода. Что касается «аномального» действия малых полей на компоненты дублета, то, по-видимому, нет необходимости искать его причину в неприменимости обычных законов электродинамики к движению внешнего электрона в стационарных состояниях; скорее мы имеем дело с действием магнитного поля на ту тонкую связь между движениями внутренних и внешних электронов, которая, по-видимому, определяет появление дублетов.
Легко видеть, что такое представление не совсем чуждо так называемой теории связи, с помощью которой Фогт мог, хотя и несколько формально, объяснить детали аномального эффекта Зеемана. Можно даже надеяться построить теорию этого эффекта на основе теории квантов, формально сходную с теорией Фогта, несмотря на фундаментальную разницу в воззрениях этих теорий на структуру атома и процесс излучения; подобной формальной аналогией с теорией Фогта обладают развитая выше теория нормального эффекта Зеемана и первоначальная теория Лоренца, базирующаяся на классической электродинамике. К сожалению, время не позволяет мне подробнее изложить эти интересные вопросы, и я позволяю себе только указать на упомянутое уже продолжение моей статьи в «Трудах Копенгагенской академии», в которой обсуждаются как вопросы о возникновении сериальных спектров и влиянии на них электрического и магнитного полей, так и некоторые проблемы, связанные со строением атомов в связи с изучением спектров.
В предшествующем изложении я намеренно не касался вопроса о строении атомов и молекул, хотя этот вопрос, естественно, самым тесным образом связан с теорией возникновения спектров, подобной разобранной выше. Потребность использовать для этой цели результаты, полученные на основании изучения спектров, возникает уже в связи с простой теорией спектра водорода, так как оказывается, например, что значение большой оси электронной орбиты атома водорода в нормальном состоянии (m = 1) того же порядка, как и значения размеров атомов, получаемые с помощью кинетической теории газов. В своей первой статье на эту тему докладчик уже пытался набросать основы теории строения атомов элементов и молекул химических соединений. Эта теория была основана на простом обобщении результатов для стационарных состояний атома водорода, полученных на основании спектра; следствия её во многих отношениях подтверждались опытом, в особенности в части общего характера изменения свойств элементов по мере возрастания атомного номера, лучшим примером чего может служить закономерность в рентгеновских спектрах, открытая Мозли. Но я пользуюсь случаем заметить, что многие частные предположения этой теории должны быть в деталях изменены; к этому вынуждает современное развитие теории квантов как в отношении разработки методов определения стационарных состояний, так и в смысле задачи о вероятности различных переходов между состояниями; к тому же приводят споры о границах применимости механики и недостаточное согласие теории с опытом, как на это основательно указывалось с различных сторон. Так, например, уже невозможно оправдать предположение, введённое для предварительной ориентировки, о том, что в нормальных состояниях электроны движутся по геометрически особенно простым орбитам, подобным «электронным кольцам». Соображения об устойчивости при внешних воздействиях, а также возможность образования атома последовательным присоединением отдельных электронов приводят нас, во-первых, к тому, что рассматриваемые конфигурации электронов находятся не только в механическом равновесии, но и должны обладать известной устойчивостью в смысле требований обычной механики и, во-вторых, к тому, что указанные конфигурации должны быть такими, чтобы были возможны переходы в них из других стационарных состояний атома. Такие простые конфигурации, как электронные кольца, не удовлетворяют этим требованиям, и мы вынуждены искать более сложные формы движения. Однако нет возможности входить в детальное обсуждение этих, ещё нерешённых вопросов, и я должен ограничиться указанием снова на мою статью, которая скоро должна выйти в свет. В заключение мне хочется ещё раз отметить, что в настоящем докладе я стремился только изложить исходные точки зрения, лежащие в основе теории спектров. В особенности мне хотелось показать, что, несмотря на коренное различие этих точек зрения и обычных представлений о процессе излучения, всё же возможно, на основании общего соответствия между спектрами и движением в атоме, воспользоваться такими представлениями как путеводной нитью при исследовании спектров.