История лазера. Научное издание
Шрифт:
Бор в своей диссертации рассмотрел все эти разные проблемы и пришел к заключению, что электронную теорию металлов можно модифицировать так, чтобы дать результаты, согласующиеся с экспериментами, причем внутренняя структура атомов не принимается во внимание. Напротив, проблема излучения и объяснение магнитного поведения требуют новых радикальных гипотез, относительно которых у него нет идей.
В то время докторская степень давала возможность провести постдокторское исследование за границей, и поскольку в диссертации обсуждалось поведение электронов в металлах, то вполне понятно, что Бор выбрал поездку в Кембридж, чтобы работать с Дж. Дж. Томсоном.
Первая встреча с Томсоном не установила хороших отношений между
...с Томсоном пока нелегко иметь дело, как я думал в первый день. Он прекрасный человек, исключительно умен и полон воображениями (ты бы послушал одну из его элементарных лекций) и весьма приветлив; но он так сильно занят многими вещами и настолько погружен в свою работу, что очень трудно поговорить с ним. Он до сих пор не нашел времени прочесть мою работу (его диссертацию), и я не знаю примет ли он мой критицизм.
Фактически Томсон прекратил работу по теории металлов, и более того, импульсивно отверг тесное сотрудничество и постоянные разговоры с Бором, нужные ему для развития идей. Тем не менее во время своего пребывания в Кембридже Бор познакомился с работой Томсона о моделях атомов и пришел к пониманию их фундаментальной несостоятельности, но в целом он был неудовлетворен.
Атом Бора и Резерфорда
Р—Р° РіРѕРґ РґРѕ прибытия Бора РІ Англию Резерфорд сделал открытие атомного СЏРґСЂР°, Рё осенью 1911 Рі. эти РґРІР° человека встретились Рё, несомненно, понравились РґСЂСѓРі РґСЂСѓРіСѓ. Поэтому РІ марте 1912 Рі. Бор отправился РёР· Кембриджа РІ Манчестер СЃ намерением проводить эксперименты РІ области радиоактивности. Здесь РѕРЅ стал изучать замедление альфа-частиц РїСЂРё прохождении РёС… через вещество, затем после нескольких недель РѕРЅ начал концентрироваться РЅР° теоретических аспектах, рассматривая взаимодействие альфа-частиц СЃ электронами атома. Так РѕРЅ улучшил теорию РѕРґРЅРѕРіРѕ РёР· сотрудников Резерфорда, Р§.Р“. Дарвина (18871962) РІРЅСѓРєР° отца теории эволюции Р§.Р . Дарвина. Его Бор называл РІРЅСѓРє настоящего Дарвина. Р§.Р“. Дарвин предположил, что альфа-частицы, проходящие через вещество, теряют СЃРІРѕСЋ энергию РІ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРј Р·Р° счет столкновений между альфа-частицами Рё электронами РІ атомах. Р’ своей модели Дарвин рассматривал электроны как свободные (РЅРµ подверженные каким-либо силам), Рё Бор уточнил эту модель, рассматривая электроны, которые окружают СЏРґСЂРѕ как гармонические осцилляторы, С‚.Рµ. предполагая, что РѕРЅРё связаны СЃ СЏРґСЂРѕРј СѓРїСЂСѓРіРёРјРё силами Рё что РёС… энергии квантованы согласно квантовым правилам Планка. Бор окончил эту работу только после отъезда РёР· Манчестера, Рё результат был опубликован РІ 1913 Рі. Рто исследование пробудило интерес Бора Рє проблеме строения атома. Уже РІ Манчестере РѕРЅ стал набрасывать идеи Рѕ стабильности атома; совершенно новые идеи, Рѕ которых РѕРЅ предварительно сообщил Резерфорду.
Бор оставил Манчестер 24 июля 1912 г., чтобы возвратиться в Данию, где он 1 августа женился на Маргрете Норлунд. В течение весны и лета он осознал, что открытие Резерфордом атомного ядра было ключевым камнем конструкции модели атома, и никакой атом Резерфорда нельзя представить как механически стабильную систему, согласующуюся с законами классической физики. В то же время он убедился, что выдвижение квантов могло бы сыграть роль в разработке любой атомной теории.
В начале 1913 г. X.М. Хансен (18861956) молодой человек из Копенгагена, который выполнял экспериментальные исследования по спектрам в Геттингене, обратил его внимание на открытие, сделанное Бальмером в 1885 г., согласно которому свет, испускаемый водородом, содержит только определенные частоты, которые могут быть выражены простой формулой как разность между двумя термами (см. главу 2).
РљРѕРіРґР° Бор боролся СЃ этими проблемами, Планк уже установил, что испускание Рё поглощение света РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ только конечными величинами энергии, которые РѕРЅ назвал квантами. Рђ Рйнштейн, как РјС‹ СѓРІРёРґРёРј РІ следующей главе, уже дал СЃРІРѕРµ объяснение фотоэффекта РІ рамках квантов света. Так, Бор полагал, что принцип квантования энергии справедлив для любой системы. Поэтому механическая энергия системы должна быть квантована, С‚.Рµ. можно предположить только некоторые дискретные значения, Рё энергия системы может изменяться РЅРµ произвольно, Р° только дискретными значениями. Системы можно представить себе как маленькую башню РёР· кирпичей (СЂРёСЃ. 17), высоту которой можно изменять, только снимая или добавляя толщину кирпича. Подобным же образом энергия системы может увеличиваться или уменьшаться, РЅРѕ РЅРµ РЅР° произвольную величину, Р° РЅР° величину, которая соответствует минимальному кванту (РєРёСЂРїРёС‡ РЅР° предыдущем примере). Разумеется, РјС‹ заметим эту дискретность, если минимальная энергия кванта, РЅР° которую может происходить изменение, достаточна для того, чтобы быть измеренной, Р’ большинстве случаев это РЅРµ имеет место, поскольку минимальная величина, РЅР° которую может изменяться энергия, так мала, что изменение может показаться непрерывным. Р’ системах крайне малых размеров это уже несправедливо Рё квантование энергии становится очень важным.
Рлектроны модели Резерфорда РЅРµ падают РЅР° СЏРґСЂР° РїРѕ той простой причине, что РѕРЅРё обладают РјРёРЅРёРјСѓРјРѕРј энергии, соответствующей условиям модели, Рё поскольку это РјРёРЅРёРјСѓРј энергии, РѕРЅР°, РїРѕ определению, РЅРµ может еще уменьшиться, Рё движение электронов должно вечно продолжаться.
Рис. 17. В квантовой теории энергия системы может изменяться лишь дискретно, точно так же как высота кирпичной кладки может изменяться лишь на толщину кирпича
Если мы попробуем добавить энергии атому, то первый квант этой энергии полностью изменит состояние движения атома и переведет его электрон в так называемое первое возбужденное состояние. Для того, чтобы возвратиться в свое нормальное состояние, наш атом должен испустить количество энергии, которое он прежде получил, и среди разных возможностей (это может быть, например, столкновение с другим атомом) он может испустить ее в форме одиночного кванта света, который согласно одному из постулату Бора имеет вполне определенную длину волны. В теории Бора разрешенные состояния энергии даются таинственным соотношением, которое устанавливает, что угловой момент электрона в атоме (произведение импульса электрона на радиус его орбиты) может принимать только дискретные значения, которыми являются произведения целых чисел на константу Планка h/2.