Представления о строении атома до Резерфорда

Атом  Бора.

Идеи о непримиримости законов классической механики и  электродинамики во всей их полноте к исследованию внутреннего строения атома высказывались и до Бора. Мысли о необходимости учета квантового характера излучения были также не новыми. Тем не менее именно Нильс Бор заслуженно считается пионером квантовой теории атома. Имена его предшественников на этом пути – Никольсона, Штарка, Бьеррума и других, на которых Бор не устает ссылаться в своих первых статьях, сейчас мало кому известны. Это можно объяснить тем, что упомянутые авторы достигали только частных результатов, не объединенных в сколько-нибудь стройную систему, которая могла бы служить программой целого круга исследований и допускала бы количественную проверку на опыте.

Нильс Бор родился 7 октября 1885 года в семье профессора физиологии Копенгагенского университета Христиана Бора. В 1903 году Бор поступил в Копенгагенский университет. Еще в студенческие годы Бор выполнил конкурсную работу по поверхностному натяжению. Работа была удостоена золотой медали Датской Академии наук. В 1909 году, спустя два года после окончания Бором университета, эта работа – «Определение поверхностного натяжения воды методом колебания струи» – была опубликована в трудах Лондонского Королевского общества.

Весной 1911 года состоялась защита докторской диссертации Бора на тему «Анализ электронной теории металла», в сентябре того же года Бор  приехал на стажировку в Кембридж к Дж.Дж. Томсону. Томсон в это время занимался анализом положительных лучей. Им был разработан метод точного анализа – метод парабол, с помощью которого он впервые обнаружил у неона существование двух разновидностей атомов: с атомным весом 20 и 22. Продолжая эти исследования уже после войны, ученик Томсона Астон открыл изотопы многих стабильных элементов. Исследования самого Томсона были обобщены им в монографии «Лучи положительного электричества и их применение к химическому анализу», вышедшей в 1913 году. Томсон поручил и Бору провести эксперимент с положительными лучами. Бор собрал вакуумную установку, однако дело дальше не пошло, и он начал готовить к изданию свою докторскую диссертацию. Томсон отнесся без внимания к работе Бора и не прочитал ее.

В том же, 1911 году, когда  Бор приехал в Кембридж, сотрудник  Томсона Чарльз Томас Рис Вильсон (1869-1959) изобрел замечательный прибор, известный ныне под названием  «камера Вильсона». Этот прибор позволяет  видеть частицу по оставляемому ею туманному следу. Резерфорд, приехавший на традиционный ежегодный обед в  Кембридж, в своей речи с энтузиазмом  отозвался о приборе Вильсона  и полученных первых результатах. Бор, который впервые увидел Резерфорда на этом обеде, вспоминал, «что наибольшее восхищение у Резерфорда, как это он подчеркивал в своей речи, вызвала настойчивость, с которой Вильсон [в то время они уже были связаны тесной дружбой в Кавендишской лаборатории] продолжал свои исследования по образованию тумана с все более и более усовершенствованными аппаратами». Великий исследователь ядра ясно видел возможности, открываемые камерой Вильсона в изучении ядерных процессов. Позднее в том же Кембридже ученик и сотрудник Резерфорда Блэккет (1897-1974) получил вильсоновскую фотографию расщепления ядра азота a-частицей, первой ядерной реакции, открытой Резерфордом.

Встреча с Резерфордом  произвела на Бора огромное впечатление. Вскоре по своим личным делам он побывал в Манчестере, и ему  удалось встретиться и побеседовать с Резерфордом. «Во время беседы, в которой Резерфорд с подлинным энтузиазмом говорил о многих новых перспективах развития физики, он любезно согласился на мою просьбу о том, чтобы присоединиться к группе, работающей в его лаборатории, после того как ранней весной 1912 года я должен был закончить свои занятия в Кембридже; там я был сильно увлечен оригинальными идеями Дж.Дж. Томсона, касающимися электронного строения атомов».

В апреле 1912 года Бор  приехал в Манчестер. История  позаботилась о том, чтобы создатель  квантовой модели атома поработал  сперва с автором первой модели атома, а затем приехал к автору планетарной модели, чтобы на основе этой модели создать теорию атома Резерфорда–Бора. Знаменитая статья Бора, в которой были заключены основы этой теории, начиналась с указания на модели Резерфорда и Томсона и обсуждения их особенностей и различий. Интересно следующее замечание Бора: «Принципиальная разница между моделями атома, предложенными Томсоном и Резерфордом, заключается в том обстоятельстве, что силы, действующие на электрон в атоме Томсона, допускают определенные конфигурации и движение элементов, при которых система находится в устойчивом равновесии: такие конфигурации, очевидно, не существуют во второй модели атома. Природу этой разницы можно, по-видимому, сделать предельно ясной, если заметить, что среди величин, характеризующих первый атом, фигурирует некоторая величина – радиус положительной сферы размерности длины и того же порядка, что и линейные размеры атома, в то время как среди величин, характеризующих второй атом, – зарядов и масс элементов положительного ядра – такой длины не только не имеется, но она не может быть определена только с помощью этих последних величин». Иными словами в модели Дж.Дж. Томсона определенность пространственных размеров атома вытекает из жесткой количественной определенности элементарного свойства положительно заряженной части атома, что было естественным с точки зрения классического понимания категории структуры. В модели же Резерфорда определенность размеров атома требовала количественной определенности элементарного отношения (расстояние между ядром и самым удаленным электроном), в то время как классическое понимание категории структуры устанавливало только качественную определенность элементарных отношений.

Кроме того, с моделью  Резерфорда было не совместимо допущение  о квазиупругом характере сил связи электрона с ядром, поскольку все силы взаимодействия между частями атома изменялись согласно закону Кулона обратно пропорционально квадрату расстояния. Модель Томсона, в которой электрон находился внутри положительно заряженного «ядра», допускала существование таких сил.

Тем не менее, несмотря на все эти соображения, эксперимент  убедительно говорил в пользу Резерфорда. Если бы физика целиком  осталась на классических позициях, то ей вряд ли удалось бы достигнуть разрешения противоречий между опытом и «очевидными» физическими соображениями. Поэтому Нильс Бор утверждает: «Каким бы ни было изменение законов движения электронов, представляется необходимым ввести в эти законы величину, чуждую классической электродинамике, то есть постоянную Планка, или, как ее часто называют, элементарный квант действия. Благодаря введению этой величины вопрос об устойчивых конфигурациях электронов в атоме существенным образом изменяется, так как эта постоянная обладает такой размерностью и значением, что может в комбинации с зарядом и массой частиц определить длину требуемого порядка величины».

Постоянная Планка символизировала в теории элементарное количество действия, которое было сложным по структуре выражением, что видно уже из ее размерности. Элементарность действия имеет поэтому другой статус (чисто количественный) по сравнению с элементарностью свойств и отношений, которая носила преимущественно качественный характер.

Действие (а вместе с ним и совпадающий с действием по размерности момент количества движения), если встать на точку зрения теории Планка, могло принимать только значения, кратные h. Это означало, что из непрерывного множества всех возможных с точки зрения классики орбит электронов – а были возможны орбиты любого радиуса – отбиралось дискретное множество орбит. Нильс Бор назвал их стационарными орбитами, соответствовавшими стационарным состояниям атома. Все возражения против модели Резерфорда, по словам Бора, можно устранить, если допустить, «(1) что динамическое равновесие систем в стационарных состояниях может обсуждаться с помощью обычной механики, в то время как переход систем между различными стационарными состояниями не может трактоваться на этой основе; (2) что последний процесс сопровождается испусканием гомогенного излучения, для которого соотношение между частотой и количеством испущенной энергии дается теорией Планка».

Это и есть знаменитые постулаты Бора, вокруг которых вплоть до 1925 года концентрировалось развитие теоретической атомной физики.

Итак, в модели Бора существовало строго определенное множество  дозволенных орбит, выделенных квантовыми условиями. При этом каждая стационарная орбита была устойчивой по определению, и каждой стационарной орбите соответствовало  определенное состояние атома. Вообще говоря, в любом стационарном состоянии  атом мог находиться неограниченно  долго, что ликвидировало единственность устойчивого состояния атома  «самого по себе».

Среди бесконечного множества  стационарных состояний только одно – основное состояние – было абсолютно устойчивым в рамках модели. Для нахождения атома в других состояниях, устойчивых лишь относительно, существовала некоторая вероятность спонтанного перехода атома в другое, менее возбужденное состояние.

Возможность таких  спонтанных переходов была посторонней  – в сторону уменьшения энергии  состояния, уменьшения степени возбуждения  атома. Спонтанно увеличивать свою энергию атом не мог. Это делало его гораздо менее «забывчивым».

Одно только основное состояние «не помнило» о прошлом поведении атома. Для других же стационарных состояний сам факт их существования напоминал о прошлом поведении атома, который мог начать существовать в этом состоянии, только либо увеличив свою энергию под влиянием внешнего воздействия, либо уменьшить энергию в результате перехода из более возбужденного состояния – спонтанного или вынужденного. Находясь в любом состоянии, кроме основного, атом сохраняет в «снятом виде» отпечаток прошлого своего поведения.

Опираясь на свои допущения, Бор выводит далее новые закономерности для спектра водорода, принимавшиеся ранее просто как эмпирический факт: формулу Бальмера и закон Ридберга-Ритца. Очень скоро известные опыты Франка и Герца, по словам одного из авторов, «так убедительно доказали представления Бора о стационарных состояниях атома и о появлении излучения при переходе из одного состояния в другое с определением частоты из уравнения hn=E₁-E₂ (где h–постоянная Планка, n–частота колебания излучения), что трудно усомниться в их правильности».

Вторая часть работы Бора  посвящена дальнейшему исследованию вопросов, связанных со строением  атомов. В ней впервые четко  проводится мысль о том, что «вследствие  небольших размеров ядра его внутренняя структура не будет оказывать  заметного влияния на строение облака электронов и, следовательно, не будет  никак сказываться на обычных  физических и химических свойствах  атома. Последние свойства будут  зависеть исключительно от полного  заряда и массы ядра; внутренняя структура ядра будет влиять только на явления радиоактивности».

Бор послал свою статью Резерфорду. Резерфорд сразу понял  революционный характер идей Бора и  высказал критические замечания  по самым фундаментальным пунктам  теории Бора. Бор был вынужден поехать  в Манчестер с переработанным вариантом статьи, чтобы договориться с Резерфордом. Поле длительных дискуссий статья Бора и его две последующие статьи были опубликованы. Однако окончательный ответ на возражения Резерфорда был дан только с созданием квантовой механики, и Бор по существу всю жизнь разрабатывал теоретико-познавательные основы физики микромира, уточняя и развивая идеи, начало которым было положено его статьями 1913 года.

Сотрудничество Резерфорда и Бора обещало быть длительным и  тесным. В мае 1914 года Резерфорд прислал  Бору предложение занять в Манчестере освободившееся место. Бор с радостью принял это предложение и послал заявление Резерфорду. Работа Бора в Манчестере началась в тяжелых  условиях первой мировой войны. Резерфорд  с рядом сотрудником был в  Австралии и возвратился оттуда в разгар военных действий. Мозли был призван в армию и убит. Ему удалось сделать замечательное открытие в области рентгеновских спектров и установить связь между частотами линий характеристического излучения и порядковым номером элемента. В декабре 1913 года была опубликована статья, в которой он писал: «Полученные результаты имеют большое значение для изучения структуры атома и полностью подтверждают точку зрения Резерфорда и Бора».

Бор, несмотря на все  трудности военного времени, продолжал  разрабатывать свою теорию. В 1915 году он опубликовал работы «О сериальном спектре водорода и строении атома» и «Спектр водорода и гелия», «О квантовой теории излучения в структуре атома». Он развил исследования, выполненные им в Манчестере в августе 1912 года, и опубликовал их под названием «Теория торможения заряженных частиц при их прохождении через вещество».

В декабре 1915 и в  январе 1916 года Арнольд Зоммерфельд (1868–1951) развил теорию Бора, рассмотрев движение электрона по эллиптическим  орбитам и обобщив правила  квантования Бора. Зоммерфельд дал также теорию тонкой структуры спектральных линий, введя релятивистское изменение массы со скоростью. В его расчеты вошла безразмерная универсальная постоянная тонкой структуры: 
.

Бор получил статью Зоммерфельда в Манчестере в марте 1916 года и с восторгом отозвался  о ней. Он писал, что «работа Зоммерфельда в значительной степени изменила современное понимание квантовой  теории». Теория атома после открытия Зоммерфельда стала называться теорией  Бора–Зоммерфельда.

По возвращении  в Копенгаген Бор обнаружил пакет  со статьей Эренфеста, содержащей теорию адиабатических вариантов. Эта теория давала критерий квантующихся величин  и до создания квантовой механики была единственной руководящей нитью  при применении правил квантования, предвосхищавшей многие выводы, следующие  из статьи Бора.

К 1916 году теория Бора начала разрабатываться многими  физиками. Была создана квантовая  теория эффекта Зеемана и открытого  в 1913 году Штарком (1874-1957) эффекта влияния  электрического поля на спектры. «Область нашей работы, – писал Бор Резерфорду, – после получения статьи Эренфеста превратилась из страны с довольно малочисленным населением в донельзя перенаселенное государство».

Продолжая развивать  свои идеи, Бор сформулировал принцип  соответствия (1918), означавший шаг вперед в ответе на вопросы, поставленные Резерфордом. Чрезвычайно существенно, что благодаря  Бору Копенгаген превратился в центр  теоретической физики. К Бору примкнул молодой физик, ставший его ассистентом, Гендрик Антон Крамерс (1894-1952). Бор создал институт теоретической физики, в организации которого ему деятельную поддержку оказывал Резерфорд.