История лазера. Научное издание
Шрифт:
Если до Бора спектроскопия была, по существу, эмпирической наукой, которая мало продвигалась от составления каталогов длин волн, то новая теория атома стала руководящим принципом интерпретации экспериментальных результатов и, как часто случается, сочетание теории и эксперимента привело к объяснению самых различных наблюдаемых явлений.
Первое доказательство существования дискретных энергетических состояний атомов
Центр тяжести исследований теперь переместился в Германию. Один из наиболее значительных результатов был получен Джеймсом
Франк был сыном гамбургского банкира. Он получил образование в Гейдельберге и в Берлине и стал заведующим кафедрой экспериментальной физики в Геттингене, которую он оставил в 1933 г. после прихода Гитлера к власти и эмигрировал в США, где стал работать в Чикагском университете. Во время Второй мировой войны принимал участие в атомном проекте, выступая позднее против военного применения.
Густав Герц, также РёР· Гамбурга, был племянником Генриха Герца. РћРЅ был тяжело ранен РІРѕ время РІРѕР№РЅС‹, Рё РєРѕРіРґР° возвратился РІ 1917 Рі. РІ Берлин, единственной возможностью для него было бесплатное чтение лекций РІ университете. Р’ начале 1920-С… РіРі. РѕРЅ поступил РІРѕ РІРЅРѕРІСЊ созданную исследовательскую лабораторию Компании Филипс РІ Голландии. Рто была РѕРґРЅР° РёР· первых промышленных лабораторий, проводивших фундаментальные исследования. Р’ 1925 Рі. ему было предложено партнерство СЃ университетом Рі. Галле, Р° затем стал профессором экспериментальной физики РІ Берлине СЃ 1928 РїРѕ 1935 Рі. Будучи евреем, РЅРѕ был вынужден уйти РёР· университета. РЎ 1928 РїРѕ 1945 Рі. РѕРЅ работал РІ компании Сименс, пережил РІРѕР№РЅСѓ Рё был интернирован СЂСѓСЃСЃРєРёРјРё. Р’ 1955 Рі. РѕРЅ стал директором Рнститута Физики РІ Лейпциге РІ ГДР.
Рти РґРІР° физика задумали остроумный эксперимент, РІ котором, РїРѕ РёС… замыслу, можно было определить энергию ионизации атома, С‚.Рµ. величину той энергии, которую нужно сообщить атому, чтобы освободить его внешние электроны. Сущность эксперимента заключалась РІ том, чтобы возбуждать атомы ударами электронов, Р° затем, измеряя энергию, которую электроны теряют РїСЂРё столкновениях, вычислять измененную энергию. РћРЅРё обнаружили, что получаются последовательные изменения энергии, как показано РЅР° СЂРёСЃ. 27, РіРґРµ РјРёРЅРёРјСѓРјС‹ тока, зарегистрированные РїСЂРё увеличении энергии электрона, соответствуют энергии, которая передается РѕС‚ электронов атомам. Бор дал правильную интерпретацию этим значениям. РћРЅРё определяют энергии ионизации, которые РІ его интерпретации соответствуют энергиям разных возможных РѕСЂР±РёС‚ электронов РІ атоме. Таким образом, энергия атома РЅРµ изменяется электроном, чья энергия недостаточна, чтобы ионизовать его, Рё орбиты электронов РІ атоме РјРѕРіСѓС‚ иметь вполне определенные значения энергии. Рксперименты Франка Рё Герца Рё РёС… интерпретация Бором убедительно продемонстрировали РЅРµ только существование стационарных состояний, которые постулировались Бором, РЅРѕ также возможность возбуждать РёС… ударами электронов, причем скачки между РЅРёРјРё подчиняются фундаментальным законам, выдвинутым Бором.
За эту работу Франк и Герц получили Нобелевскую премию по физике в 1925 г.
Р РёСЃ. 27. Результат эксперимента Франка Рё Герца СЃ парами ртути. РќР° графике показана зависимость тока РѕС‚ приложенного напряжения. РР· значений напряжений, РїСЂРё которых ток имеет РјРёРЅРёРјСѓРјС‹, можно определить энергии возбуждения электронов РІ атоме
Несмотря на эти результаты и заявленную цель работы Бора 1913 г. разработать общую теорию строения атома, эта теория давала строгое и адекватное объяснение только для атомов водорода и водородно-подобных атомов. Все попытки распространить ее на системы с более чем одним электроном были безуспешными. Даже спектр нейтрального гелия, который, как мы говорили, состоит из ядра, вокруг которого вращаются два электрона, не удавалось объяснить.
РћРґРЅРёРј РёР· достижений теории Бора было объяснение серии линий, которые американский астроном Р’. Пикеринг (18581938) наблюдал РІ спектрах звезд. Предполагалось, что эти линии принадлежат РІРѕРґРѕСЂРѕРґСѓ, поскольку РёС… расположение очень напоминало серию Бальмера, РЅРѕ Бор показал, что РЅР° самом деле эти линии принадлежат ионизованному гелию, РІ котором одиночный электрон связан СЃ СЏРґСЂРѕРј, имеющим заряд +2. Рйнштейн был РЅР° конференции РІ Вене РІ сентябре 1913 Рі., Рё РєРѕРіРґР° ему сообщили РѕР± этом результате, воскликнул: РўРѕРіРґР° частота света РІРѕРІСЃРµ РЅРµ зависит РѕС‚ частоты электрона (С‚.Рµ. РѕС‚ частоты его обращений РІРѕРєСЂСѓРі СЏРґСЂР°). Рто РѕРіСЂРѕРјРЅРѕРµ достижение. Теория Бора должна быть верной.
В своих исследованиях в 1913 г., немедленно после обсуждений теории атома водорода, Бор занялся атомами, содержащими несколько электронов. Он представлял эти атомы в виде системы, состоящей из положительно заряженного ядра, окруженного электронами, движущимися по круговым орбитам, и писал: Мы будем предполагать, что электроны располагаются... в коаксиальных кольцах, вращающихся вокруг ядра. Проблема была в том, чтобы знать, сколько электронов могло находиться в каждом кольце, так, чтобы конфигурация оставалась стабильной, несмотря на расталкивающие электрические силы между электронами. Бор старался решить эту проблему с помощью классической динамики и начал с выяснения конфигураций простейших атомов. Для гелия, который имеет два электрона, он, справедливо, предположил, что они находятся на одной и той же орбите. Для лития (три электрона) он предположил, все еще справедливо, что два электрона располагаются на внутренней орбите (кольце), а третий располагается на большей орбите (новое кольцо). Для бериллия, который имеет четыре электрона, он предположил, что два электрона располагаются на одном кольце, а два на другом (эта гипотеза также впоследствии оказалась верной). Для атомов с большим числом электронов эти рассмотрения становились очень громоздкими. Наконец, он произвольно установил, что число электронов, располагающихся на внешних кольцах, должно быть равным числу, которым химики определяют валентность элемента.
Атом предполагался плоским, С‚.Рµ. предполагалось, что СЏРґСЂРѕ Рё РІСЃРµ электроны лежат РІ РѕРґРЅРѕР№ плоскости. Гипотеза Бора была правдоподобна, РЅРѕ неэффективна, чтобы недвусмысленно определить распределение электронов РїРѕ разным кольцам РІРѕРєСЂСѓРі СЏРґСЂР°. Рта неопределенность затрудняла РїРѕРґС…РѕРґ Рє пониманию химических Рё физических свойств элементов, РІ стремлении получить периодичность, демонстрируемую таблицей Менделеева. Результат, Рє которому пришел Бор, состоял РІ том, что число электронов РЅР° внутренних кольцах должно увеличиваться СЃ увеличением атомного номера. Рто был ошибочный результат, который, однако, РІ 1913 Рі. РЅРµ РјРѕРі считаться таковым.