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

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.

Действительно, таким образом могли быть объяснены многие основополагающие результаты спектроскопических исследований. Бор смог расшифровать оптическое явление, которое до того не было разгадано: расположение спектральных линий атома водорода, закономерность которого установил в 1885 году швейцарский физик Иоганн Якоб Бальмер.

Бальмер, имевший значительные заслуги в разработке основанного Бунзеном и Кирхгофом спектрального анализа, был первым, кто в эмпирически найденной формуле математически описал расположение спектральных линий, которые испускаются атомом водорода при электрическом разряде или при тепловом движении. Под непосредственным влиянием исследований Штарка по динамике атома Бору удалось убедительно, с точки зрения физики объяснить "серию Бальмера" и с помощью своей атомной модели вывести предложенную Бальмером формулу.

Из факта четких эмиссионных и абсорбционных линий Бор сделал в духе эйнштейновского учения о квантах света вывод о том, что атом водорода может существовать только при совершенно определенных энергетических состояниях: при энергетических уровнях, которые соответствуют этим состояниям. Если атом при добавлении энергии поднимается на более высокий энергетический уровень, что соответствует переходу его электрона на более далекую от ядра орбиту, то при возвращении в прежнее состояние, то есть обратном переходе электрона на близкую к ядру орбиту, полученная энергия отдается обратно. При этом атом излучает квант света, энергетическое содержание которого определяется из разницы между энергией возбужденного состояния и основного состояния. Под "возбуждением" понимается добавление энергии.

Посредством применения понятия кванта в атомном учении стало возможным решить загадку спектральных линий и по крайней мере в общих чертах объяснить поразительную устойчивость атомов, строение их электронных оболочек и периодическую систему элементов. Теория спектральных линий Бора открыла новую область исследований.

"Большое количество экспериментального материала, полученное спектроскопией в течение нескольких десятилетий, - писал Гейзенберг, теперь, при изучении квантовых законов движения электронов, стало источником информации. Для той же самой цели могли быть использованы многие эксперименты химиков. Имея дело с этим экспериментальным материалом, физики постепенно научились ставить правильные вопросы. А ведь часто правильно поставленный вопрос означает больше чем наполовину решение проблемы".

Научное достижение 27-летнего датчанина было преобразующим, революционным. Он смог совершить его только потому, что ему не мешала идти вперед консервативная направленность ума, излишнее благоговение перед классическими преданиями. Поэтому Бор, а не Планк стал творцом атомной механики и истинным вождем "квантовых теоретиков".

При этом нельзя, конечно, забывать, что основополагающая идея квантования энергии принадлежит не Бору, а Планку. Бор воспринял ее у Планка: в форме эйнштейновского квантового учения, которое уже в основном выходило за рамки гипотезы Планка. Итак, путь идеи проходил от Планка через Эйнштейна к Бору.

"Полвека спустя введение дискретных квантовых состояний электронной системы атома может показаться чем-то само собой разумеющимся, - говорил Джеймс Франк. - Казалось, если бы Бор не ввел эту идею, то вскоре кто-нибудь другой пришел бы к тому же выводу. Такое мнение в корне ошибочно. Сколько мужества, независимости и сосредоточенности на существенном было необходимо, показывает та медлительность, с которой эта идея находила признание у огромной массы физиков".

Так как планковская квантовая гипотеза в то время еще считалась спорной, не удивительно, что попытка Бора основать модель атома на понятии квантов не имела сначала у физиков большого успеха. Некоторым теория Бора казалась "поразительным гибридом, полученным с помощью прививки некоторых черт квантовой теории, исходящей из представлений о прерывности материи, к теории планетных орбит - типичной классической теории, рассматривающей мир как нечто непрерывное", как писал в автобиографии Норберт Винер, основатель кибернетики.

Резерфорд, несмотря на некоторые сомнения, воспринял модель атома Бора с одобрением; но другие известные физики-атомщики решительно отклонили ее. К их числу относился и английский лауреат Нобелевской премии Дж.Дж. Томсон, который приобрел мировую славу благодаря открытию электрона, а также благодаря другим основополагающим достижениям в области исследования атома и который выдвигал свою модель атома.

Арнольд Зоммерфельд, посвятивший впоследствии все свои силы разработке теории атома Бора, вначале также не хотел ничего знать о применении объяснения "серии Бальмера" к модели атома. В дальнейшем фундаментальные исследования Зоммерфельдом тонкой структуры линий водорода и его расчет возможных орбит электронов с учетом моментов теории относительности способствовали тому грандиозному подъему атомизма, который в значительной степени привел к стиранию границы между физикой и химией. Его труд "Строение атома и спектральные линии" считается классической монографией раннего периода современной теории атома.

С точки зрения история науки следует также отметить, что даже Джеймс Франк и Густав Герц, два немецких исследователя, которые в 1913 году внесли важный вклад в атомную физику, вначале не признавали ценности работы своего датского коллеги.

"Работа Бора в первые годы после ее появления была мало известна в Германии, - писал Джеймс Франк в статье о Нильсе Боре в "Натурвиссеншафтен" в 1963 году. - Литературу лишь бегло просматривали, и так как в то время среди физиков господствовало откровенное недоверие к успешности попыток сконструировать модель атома при тогдашнем уровне знаний, то мало кто давал себе труд внимательно прочитать работу. Особо следует отметить, что Густав Герц и пишущий эти строки вначале были неспособны понять огромное значение работы Бора". Работы Франка и Герца по возбуждению спектральных линий путем облучения атомов электронами решительным образом поддерживали воровское понимание строения атома и подтверждали это понимание в его основе. Оба физика работали в Физическом институте Берлинского университета.

Джеймс Франк, родившийся в Гамбурге 26 августа 1882 года в семье состоятельного коммерсанта, с 1903 года, после двух семестров в Гейдельберге, во время которых он занимался преимущественно физикой и химией, а также геологией, учился в Берлине у Эмиля Фишера, Макса Планка и Эмиля Варбурга. В 1906 году он получил степень доктора, защитив диссертацию по проблеме разрежения газа. Затем он стал ассистентом Генриха Рубенса. Весной 1911 года Франк получил право преподавания физики. В своей первой лекции он говорил о тепловом излучении.

В это же время получил докторскую степень Густав Герц, сын гамбургского адвоката и племянник первооткрывателя электромагнитных волн. Проведя несколько семестров в Гёттингене, где он слушал Давида Гильберта и Макса Абрахама, и в Мюнхене у Рентгена и Зоммерфельда, Герц продолжал свое образование с 1908 года в Берлине у Планка и Рубенса. После получения степени доктора "молодой физик, одаренный в теоретическом отношении, полный идей и при этом чрезвычайно добросовестный", по отзыву Планка, стал ассистентом Рубенса в Физическом институте университета. Здесь началась его совместная работа с Джеймсом Франком, блестящий результат которой был опубликован в 1913 году.

Опыт по столкновению электронов, который Франк и Герц ставили сначала с парами ртути, в определенном отношении кажется противоположностью фотоэлектрического эффекта. В последнем случае взаимодействие между светом и электронами состоит в том, что из поверхности металла движущимися квантами света выбиваются и рассеиваются электроны; при столкновении же электронов, наоборот, свободные электроны вызывают "возбуждение" атомов, увеличение энергии, что ведет к испусканию квантов света. При упругом столкновении с атомами ударяющиеся электроны отдают свою энергию.

При этом выяснилось, что к атому ртути при помощи удара электрона может быть подведено не любое количество энергии, а такое, которое соответствует переходу атома из его основного состояния в другое состояние, свободное от излучения. Напряжение, требующееся для этого, называется "напряжением возбуждения". При этом в первый раз могла быть экспериментально подтверждена планковская константа h, событие, которое имело огромное значение для признания квантового учения.