Пионеры атомного века (Великие исследователи от Максвелла до Гейзенберга) - Фридрих Гернек

В этих условиях начал свою научную деятельность молодой датский физик. Появление его статьи об атоме водорода стало, как писал Джеймс Франк, "днем рождения современной теории атома". Этой я последующими работами Бор положил начало теоретическому пониманию механизма атома. Для этого необходим был свободный от предубеждений подход к явлениям микромира, требовалась большая смелость и необычайная сила духа для выдвижения и разработки новой точки зрения.

Нильс Бор родился 7 октября 1885 года в Копенгагене. Его отец Христиан Бор, известный естествоиспытатель, с 1886 года был профессором физиологии в Копенгагенском университете и сам немало экспериментировал в области физики. Мать Бора происходила из семьи педагогов.

Родители рано заметили выдающиеся способности сына и способствовали их развитию. Вместе со своим младшим братом Харальдом, впоследствии крупным математиком, Нильс рос в чрезвычайно благоприятном для развития его способностей социальном и научном окружении: "Я рос в семье с глубокими духовными интересами, где обычными были научные дискуссии; да и для моего отца вряд ли существовало строгое различие между его собственной научной работой и его живым интересом ко всем проблемам человеческой жизни". Так говорил Бор позднее о своем родительском доме.

Еще будучи учеником, Нильс Бор под руководством своего отца проводил небольшие физические опыты. В школьные годы для него не существовало трудностей, о которых вспоминали впоследствии другие известные физики. И в университете успехи молодого Бора были столь велики, что уже на втором году обучения профессор мог использовать его в качестве помощника. Вспомним о молодом Эйнштейне, которому после получения диплома так долго пришлось ждать места ассистента в высшей школе!

За экспериментальное исследование поверхностного натяжения воды, которое он провел в 1907 году в лаборатории своего отца на основе работ Рэлея, известного английского физика и лауреата Нобелевской премии, студент Бор был награжден золотой медалью Копенгагенской Академии наук. Это исследование осталось, собственно, его единственной большой экспериментальной работой. Обладая ярко выраженными склонностями и к экспериментальной физике, Бор принадлежал к тем физикам-теоретикам, которые экспериментировали только в годы своей юности.

Как и многие экспериментаторы того времени, Бор проводил свои опыты, используя самодельные приборы. При этом он работал с такой необычайной основательностью, что окончание работ всегда слишком затягивалось. Как он позднее рассказывал, отцу приходилось отсылать его к деду с бабушкой, чтобы там в сельском уединении, вдали от лаборатории, он наконец мог приступить к изложению на бумаге достигнутых результатов и их оценке.

Начинающий физик интересовался также и гуманитарными науками. Лекции философа Хёффдинга по формальной логике и по теории познания он слушал регулярно и так внимательно. что даже мог указать ученому на некоторые ошибки, допущенные им в одной из работ.

Лекции по философии имели для Бора только информативное значение. Хёффдинг не пытался выработать у своих слушателей определенную философскую систему; он излагал студентам проблемы философии, следуя процессу их развития в истории духовной жизни человечества, как бы заставляя слушателей участвовать в попытках отдельных философов и философских школ дать ответ на основные проблемы мышления.

По-видимому, молодой Бор не увлекся ни одной из философских систем. Однако известно, что ему очень нравились некоторые мысли Спинозы. Охотно читал он также сочинения своего соотечественника Кьеркегора, одного из предшественников экзистенциализма, восхищаясь больше их блестящим стилем, чем содержанием. Но более всего своим вниманием к философии Бор был обязан непритязательной книжке одного датского автора, в юмористической форме толковавшей диалектику Гегеля.

Двадцати пяти лет, в 1910 году, Нильс Бор получил степень доктора философии в университете своего родного города, написав работу по электронной теории металлов. Он расширил и углубил те методы исследований, которые были разработаны Дж.Дж. Томсоном и Г.А. Лоренцом. При этом он впервые столкнулся с квантовой гипотезой Планка.

После защиты диссертации молодой исследователь провел несколько месяцев в Кембридже в известной Кавендишской лаборатории, в которой тогда работал Дж.Дж. Томсон. Затем он направился в Манчестер к Эрнсту Резерфорду, одному из самых блестящих физиков-атомщиков начала XX века. Там он занимался вначале теоретическим исследованием торможения альфа- и бета-лучей, а затем приступил к изучению структуры атомов. Почти четыре года, если не считать временную доцентуру в Копенгагене, работал Бор под руководством Резерфорда.

Письма того времени свидетельствуют о его благодарности учителю (см. факсимиле).

Исходя из резерфордовской модели атома, Бор, вернувшись в Копенгаген, в начале 1913 года развил новый взгляд на строение атома водорода. При содействии Резерфорда его работа "О строении атомов и молекул" была опубликована в "Философикал Мэгэзин". В этой работе Бор творчески объединил идеи Резерфорда, Планка и Эйнштейна, спектроскопию и квантовую теорию.

На основе экспериментов по прохождению альфа-лучей сквозь вещество, связав их с работами Филиппа Ленарда и Жана Перрена, Резерфорд предположил, что атом состоит из положительно заряженного ядра, которое, несмотря на малый размер, заключает в себе почти всю массу атома, и какого-то числа отрицательно заряженных электронов, которые вращаются вокруг атомного ядра по орбитам, как планеты вокруг своего центрального светила. Химическую связь между атомами различных элементов Резерфорд объяснил своего рода взаимодействием между внешними электронами соседствующих атомов; она определяется атомным ядром только опосредованно: его электрическим зарядом, который регулирует число электронов в электрически нейтральном атоме.

Хотя эта модель атома позволяла объяснить некоторые физические и химические явления, однако она не подтверждалась опытом спектроскопии. Остающиеся неизменными, четко обозначенные спектры атомов нельзя было объяснить на основе представлений Резерфорда. Резерфордовский атом не согласовывался также с законами электродинамики Максвелла - Лоренца. При таком строении атом должен был быть в высшей степени неустойчивым, через кратчайшее время он бы распался, потому что вращающиеся электроны, потеряв свою энергию на излучение, упали бы на ядро и пришли бы в состояние покоя.

Против резерфордовской модели атома можно было выдвинуть еще одно возражение, которое Гейзенберг сформулировал так: "Никакая планетная система, которая подчиняется законам механики Ньютона, никогда после столкновения с другой подобной системой не возвратится в свое исходное состояние. В то время как, например, атом углерода остается атомом углерода и после столкновения с другими атомами или после того, как он, вступив во взаимодействие с другими атомами, образовал химическое соединение".

Заслуга Бора в том, что он устранил коренные недостатки, присущие модели, предложенной Резерфордом, введя учение о квантах света в теорию строения атома. Его "портрет атома" - это чисто механическая модель с ядром и электронами, которые вращаются вокруг ядра по оптимальным, жестко фиксированным орбитам, представляющая собой, по словам Бора, "маленькую механическую систему, которая в известных главных чертах напоминает нашу планетную систему". Однако ведет себя эта атомная система не так, как классическое механическое образование, которое может принимать и отдавать любое количество энергии, а совершенно по-иному, в соответствии с законами квантового учения.

Десять лет спустя Планк говорил, что смелость теории атомного механизма Бора и полнота его разрыва с укоренившимися и якобы надежными воззрениями не имеет себе равных в истории физической науки. Теория Бора блестяще согласовалась с фактами, что как раз и является важнейшей задачей теории. Наряду с несомненным дарованием в "искусстве синтеза" он обнаружил также отчетливое понимание действительности.

Ставшая всемирно известной атомная модель Бора построена на двух требованиях - "квантовых условиях".

Первое: электроны в атоме вращаются под влиянием кулоновских сил по известным свободным от излучения "квантовым орбитам", соответствующим определенным энергетическим уровням.

Движение электронов при этом определяется константой Планка и последовательностью целых чисел.

Второе: электроны совершают внезапные скачкообразные переходы, "квантовые скачки", между своими свободными от излучения орбитами. Частота колебаний испускаемого при этом света регулируется также квантом действия.

В результате того, что он ввел во внутриатомную динамику эти два кажущиеся произвольными постулата о квантах, точное математическое изложение которых было дано Зоммерфельдом, Бор смог построить удовлетворительную модель атома водорода как самого простого атома. "Тогда как первый постулат подчеркивает общую устойчивость атома, второй прежде всего имеет в виду существование спектров, состоящих из резких линий". Так объяснял Бор оба квантовых условия в своем нобелевском докладе.