Космические сыщики

Горькавый Ник

Пётр Капица (1894–1984) – знаменитый советский физик. Работал вместе с Резерфордом в 1921–1934 годах. Лауреат Нобелевской премии по физике (1978).

Ганс Гейгер (1882–1945) – известный немецкий физик, работавший с Резерфордом. Создатель счетчика Гейгера (или Гейгера-Мюллера).

Эрнст Марсден (1889–1970) – известный английский физик, работавший с Резерфордом.

Сказка о суперсыщике Нильсе Боре, который отыскал связь между атомом Резерфорда, линиями Фраунгофера и кривой Планка

Тёмные полоски в солнечном спектре, открытые Фраунгофером, оказались супертайной. Всё было неизвестно: откуда они берутся;

почему тёмные, а не светлые; чем обусловлена степень их темноты и что определяет их расположение в радуге спектра, то есть – что задаёт длину волны этих линий.

Длина волны стала практически единственной точной величиной, характеризующей спектральную линию. Сначала казалось, что тёмные полоски в солнечном спектре расположены случайно. Но постепенно выяснилось, что это не так. Длины волн линий, связанных с водородом, подчинялись простым закономерностям и могли быть описаны несложной математической формулой, которая позволяла вычислить длины волн целой серии спектральных линий. Различные серии спектральных линий были открыты швейцарским математиком Бальмером, американским физиком Лайманом, немецким учёным Пашеном. Все известные серии водородных линий обобщил шведский исследователь Ридберг в красивой формуле:

1/Длина волны = R (1/N² – 1/K²).

Длина волны зависела от целых чисел N и K. Если положить N = 1, то изменение K от 2 до (в математике этот значок означает бесконечность) давало серию линий Лаймана. Для N = 2 и K от 3 до получалась серия Бальмера. А N = 3 и K от 4 до соответствовали линиям Пашена. R была константой, которая вычислялась при сравнении формулы Ридберга с реальным спектром.

Почему линии спектра водорода строго следуют простым числовым соотношениям? Это было загадкой. Её решением занялись физики-атомщики.

– Почему они? – удивился Андрей. – Какая связь между линиями Фраунгофера и радиоактивными веществами?

Дзинтара усмехнулась:

– Действительно, линии Фраунгофера – это солнечный свет и стеклянные призмы. Атомная физика Резерфорда – это высокое напряжение, гудящие вакуумные насосы и опасные радиоактивные вещества, от которых приходится отгораживаться свинцовыми пластинами, – ничего похожего на солнечные исследования Фраунгофера! Тем не менее между ними существовала тесная и таинственная связь, но, чтобы её раскрыть, понадобился не просто сыщик, а суперсыщик!

– Космический суперсыщик!

– Верно. Такой суперсыщик родился в семье академика Датской королевской академии. Его звали Нильс, и у него был брат Харальд. В доме отца Нильса собирались друзья-учёные и вели длинные беседы. Не многим детям посчастливилось слушать споры четырех академиков: философа, биолога, лингвиста и физика. Может, именно благодаря этим беседам умных и разносторонних людей Нильс приобрел удивительную широту взглядов и смелость мышления.

Нильс так хорошо учился по физике и математике, что уже в школе критиковал учебник физики – за то, что тот неправильно трактовал отдельные вопросы. Зато сочинения вызывали у него настоящую проблему. Бор был немногословен и иногда сдавал сочинение, состоящее из пары фраз.

В университете Нильс был «тяжёлым» студентом. Если по лаборатории прокатывался гулкий взрыв, преподаватель химии Бьеррум, даже не поворачивая головы в сторону виновника, сокрушенно говорил: «Это Бор».

Нильс Бор стал физиком и приехал в знаменитую Кавендишскую лабораторию к Томсону. Юноша был вдохновлён тем, что попал в легендарный Кембридж, где работали Ньютон и Дарвин, Максвелл и Рэлей. Но Бор не понравился Томсону: молодой датчанин начал с того, что дал своему новому руководителю оттиск статьи самого Томсона, где Бор тщательно отметил все ошибки корифея физики.

– Плохой старт! – засмеялся Андрей.

– Через год Бор переехал в Манчестер – к Резерфорду, создателю планетарной модели атома. Там ему было гораздо интереснее, чем у Томсона. Бор отнесся к качественной, ещё не получившей математического описания модели атома Резерфорда серьёзнее, чем сам Резерфорд. Бор считал, что на её основе можно создать детальную теорию атома. Сам же Резерфорд, чистый экспериментатор, полагал, что нужно ещё поднакопить экспериментальных данных.

В разгар этих споров и размышлений Бор должен был уехать из Манчестера, потому что в Копенгагене на 1 августа 1912 года была назначена его свадьба с прекрасной девушкой Маргарет. После свадьбы молодожены планировали отправиться в путешествие по Норвегии. Бор решил совместить научные интересы с личными и уговорил Маргарет поехать в свадебное путешествие в Шотландию, по дороге навестив Резерфорда. В результате молодые сначала остановились в Кембридже, где Нильс неделю доделывал статью, а Маргарет писала под диктовку и правила его английский. Затем они отправились в Манчестер, к Резерфорду, и вручили ему плод своего совместного труда. Сотрудники Резерфорда были потрясены тем, что их старый приятель, «простак-датчанин», отхватил такую красавицу. Лишь после этого молодожены отправились в двухнедельное свадебное путешествие по Шотландии.

– Все учёные такие… странные? – озадаченно спросила Галатея.

Дзинтара тяжело вздохнула, подняла глаза к потолку, что-то прикинула в уме и коротко ответила:

– Многие.

Она снова уткнулась в книжку.

– Осенью 1912 года Бор начал работать внештатным преподавателем в Копенгагенском университете. В течение года он написал и опубликовал три статьи, которые стали основой атомной физики и вехой в истории естествознания. Бор соединил не только строение атома и линии Фраунгофера, но и добавил в свою теорию, на первый взгляд совсем далёкую от них, плавную кривую Планка, которая описывала непрерывный спектр звёзд и электролампочек.

– Как он смог? – поразилась Галатея. – Объединить атом Резерфорда, линии Фраунгофера и электроламповую кривую Планка?

– Вообще говоря, этого никто не знает – как учёному приходит в голову гениальная идея, объединяющая столько разнородных физических фактов. Но Бору это удалось: он взял модель атома Резерфорда для водорода, где был всего один электрон, и ввел два существенных отличия планетарной модели атома от реальной Солнечной системы. Одно предположение накладывало запрет на свободное расположение орбит: если в Солнечной системе планеты могут вращаться по любым орбитам, в атоме их набор стал жёстко заданным. Зато второе предположение давало электронам невиданную ранее свободу: если реальные планеты, выбрав в момент рождения какую-то орбиту, оставались прикованы к ней навечно, то в атоме Бора электроны могли прыгать с орбиты на орбиту, словно птички по жёрдочкам.

– Птички на жёрдочках! – развеселилась Галатея.

– Да, трудно представить, что Юпитер скачет сначала на орбиту Марса, а потом прыгает в гости к Нептуну! – усмехнулся Андрей.

– Верно, способность к перемене орбит стала кардинальным отличием электрона в атоме от реальной планетной системы. Кроме того, Бор предположил, что в случае прыжка с верхней орбиты на нижнюю электрон выпускает порцию энергии в виде света или электромагнитного излучения. Перейти с нижней орбиты на верхнюю электрон может, только поглотив аналогичную порцию внешнего излучения. Частоту этого излучения Бор умножил на постоянную Планка и получил величину, которую счёл разницей в энергии между орбитами. Тем самым он неожиданно для самого себя объяснил существование серий спектральных линий Бальмера и Лаймана и даже вывел формулу Ридберга, выразив константу Ридберга через фундаментальные физические постоянные.