История лазера
Шрифт:
Герлах в 1925 г. возвратился в Тюбинген на должность профессора, затем переехал в Мюнхен. Во время войны, в 1944 г., он стал во главе Немецкой Программы Ядерных Исследований и в конце войны был интернирован союзниками среди десяти других ведущих ученых в Фарм Холл (Англия). Позднее он много сделал для возрождения немецкой науки и принимал участие в кампании за запрет ядерного оружия.
Принцип исключения [3]
3
В русской литературе более употребительно «принцип Паули». Прим. пер.
Несмотря на свои очевидные успехи, в 1924 г. «старая» квантовая теория, которая в течение нескольких предшествующих лет, казалось, дает методы и принципы, способные помочь, по крайней мере, представить основы атомной феноменологии, столкнулась с трудностями. В этот момент Вольфанг Паули (1900—1958), отвечая на трудности теории, нашел отправную точку для введения нового
Паули родился в Вене в семье врача, который стал профессором биохимии в Венском университете. Паули получил докторскую степень в университете Мюнхена под руководством Зоммерфельда, и после этого был ассистентом Борна в Гёттенгене в 1921—1922 гг. Желая встретиться с Бором, он по своей инициативе отправился в Копенгаген, где был с октября 1922 г. по сентябрь 1923 г., а затем переехал в Гамбург, где оставался до 1928 г., когда принял кафедру в Политехникуме Цюриха. За исключением военных лет, которые он провел в США, в Институте перспективных исследований в Принстоне, он до своей смерти в 1958 г. оставался в Цюрихе.
Паули был крупной, интересной и жизнелюбивой личностью. Когда он появлялся на людях его звучный и иногда сардонический смех оживлял любое собрание. Он всегда появлялся с новыми идеями. Паули начал свою научную карьеру в 21 год, написав книгу о теории относительности Эйнштейна, которая до сих пор остается лучшей по этому предмету. Его вклад в квантовую теорию неоценим. Подобно другим теоретикам он не имел дела с экспериментальными , приборами. Говорили, что он обладает мистической силой. Однажды в лаборатории профессора Франка в Гёттингене вышла из строя, без какой бы то ни было причины, сложная установка для изучения атомных явлений. Изумленный Франк написал об этом факте Паули в Цюрих. Через некоторое время он получил ответ в конверте с датской маркой. Паули писал, что он на поезде ехал к Бору, и в тот момент, когда в лаборатории Франка случилась эта неприятность, его поезд останавливался на несколько минут на вокзале Гёттингена.
Как говорили многие люди, Паули был совестью физики. Он хотел, чтобы люди понимали вещи до конца, и высказывали их правильным образом. Он никогда не уставал отвечать на вопросы и объяснять проблему любому, кто приходил к нему с вопросами. Но ему не составляло труда выразить свое неудовольствие, когда он полагал, что слышит что-то неправильное. Он не был хорошим лектором, поскольку не был способен оценить, насколько восприимчива аудитория. Однажды студент осмелился прервать его и сказать: «Вы говорите нам, что заключение тривиально, но я не могу понять этого». Тогда Паули сделал то, что он часто делал, когда он обдумывал что-нибудь во время лекции: ушел из комнаты. Через несколько минут он вернулся и сказал: «Это тривиально» и продолжал лекцию. Однажды его ассистент, специалист в области ядерной физики, Виктор Вайскопф (1908—2002) опубликовал статью, в которой содержалась ошибка, и Паули, утешая его, сказал: «Не принимайте это слишком близко к сердцу, многие люди публикуют работы с ошибками; я — никогда!» Как-то Вайскопф показал Паули только что опубликованную статью по интересующему Паули вопросу. Он сказал: «Да, я тоже думал об этом, но я рад, что он это сделал, так что мне теперь не нужно делать это самому.
В период времени, относящегося к нашей истории, когда Паули был у Бора и стал интересоваться эффектом Зеемана, один из коллег Паули сопровождал его в прогулке по улицам Копенгагена. Он сказал Паули: «Вы выглядите очень несчастным», и Паули ответил: «Как же можно быть счастливым, когда думаешь об аномальном эффекте Зеемана?» Однако его размышления дали в 1924 г. важные плоды. Паули отказался от механического взгляда на атом и сосредоточил свое внимание на квантовых числах, которые представляют состояния электронов. Он провозгласил, основываясь на долгом изучении эффекта Зеемана, что каждый электрон характеризуется набором квантовых чисел, и что в атоме позволено быть не более чем двум электронам с одним и тем же числом. Попросту говоря, это означает, что не более двух электронов могут находиться на определенной орбите атома. Этот принцип был назван Паули «принципом исключения». Сразу же это правило позволило приписать электроны к различным энергетическим уровням и обосновать построение таблицы Менделеева. Этот принцип позднее был продемонстрирован, используя квантовую механику, и Паули был награжден Нобелевской премией по физике в 1945 г.
Спин электрона
Окончательная модификация старой квантовой теории с последующими объяснениями экспериментальных наблюдений была обеспечена в ноябре 1925 г. Г. Уленбеком (1900-1988) и С. А. Гоудсмитом (1902-1978), которые открыли, что электрон вращается вокруг своего центра подобно Земле и подобен маленькому элементарному магниту. Величину, характеризующую это вращение электрона, называют его спином, а характеризующую его магнитные свойства — его магнитным моментом. Уленбек и Гоудсмит нашли, что спин электрона в соответствующих единицах имеет значение h/4 . В то время им было по 20 лет, и их открытие было следствием скрупулезных изучений атомных спектров.
Георг Уленбек родился в Батавии (теперь Джакарта) в семье голландского военного и некоторое время оставался в Голландской Индии (теперь Индонезия). Поэтому молодой Георг поступил в начальную школу на Суматре. В 1907 г. его семья переехала в Нидерланды и поселилась в Гааге. В 1919 г. Уленбек поступил в Лейденский университет для изучения физики и математики у Пауля Эренфеста, у голландского физика Хайке Камерлинг Оннеса (1853—1926) (первооткрывателя в области низких температур, впервые получившего жидкий гелий и открывшего явление сверхпроводимости, за что был в 1913 г. награжден Нобелевской премией), и у X. Лоренца. Между 1922 и 1925 гг. он посещал Рим, где был частным учителем молодого сына голландского посла. Во время этих посещений он выучил итальянский язык,
Самуэль Абрагам Гоудсмит родился в Гааге в семье преуспевающего купца и с 11 лет проявил интерес к физике, читая книги. Его особенно потрясало то, как спектроскопия показывает, что звезды состоят из тех же элементов, какие имеются на Земле. В университете он учился у Эренфеста, проявляя скорее интуитивный, чем аналитический способ мышления.
Уленбек позднее говорил: «Сэм никогда не был ясно мыслящим человеком, но обладал замечательным талантом — взять беспорядочные данные и дать им правильное направление. Он был волшебником в области криптограмм». И. Раби добавлял: «Он размышлял как детектив. Он и есть детектив». Гоудсмит действительно когда-то проработал девять месяцев детективом.
В 1920 г. Эренфест рекомендовал Гоудсмиту посетить Пашена в Тюбингене, который проводил свои исследования по спектроскопии. На следующий год, летом, он снова был в Тюбингене, и Пашен ввел его в спектроскопические методики. Вскоре он стал очень способным в обращении с квантовыми числами и объяснениями наблюдаемых спектров. В начале 1925 г. он опубликовал работу, в которой показал, что можно упростить применение принципа Паули, используя получисленные квантовые числа Ланде, и что одно из этих чисел всегда имело значение +1/2 или —1/2. В это время Эренфест попросил Уленбека и Гоудсмита работать вместе; Гоудсмиту, чтобы он объяснил Уленбеку магические вычисления с квантовыми числами, а Уленбеку, чтобы он обучил Гоудсмита некоторой физике и показал ему, что она состоит не только из манипуляций с квантовыми числами.
В августе 1925 г. эти два человека стали близкими друзьями, сохранив эту близость на всю жизнь. Они стали регулярно встречаться в Гааге и в одной из встреч в конце лета Гоудсмит рассказывал Уленбеку о принципе Паули, используя получисленные квантовые числа Ланде. Уленбек сразу же понял, что все электроны ведут себя так, как если бы они кроме вращения вокруг атомного ядра также вращались сами по себе (спин). В сентябре теория была завершена, и эти два исследователя показали, что эта концепция также объясняет нормальный и аномальный эффект Зеемана.
Американский физик венгерского происхождения Р. Крониг (1904—1995), который путешествовал по Италии и также был другом Ферми, уже сформировал такую же идею относительно спина. Крониг имел несчастье спросить мнение Паули, и Паули убедил его, что его гипотеза лишена любых оснований и высмеял идею, говоря, что она «конечно, очень умна, но, разумеется, не имеет ничего, что делало бы ее достоверной». В результате Крониг отказался от нее. Когда Уленбек и Гоудсмит узнали о критике Паули, которая представлялась справедливой, они хотели забрать свою статью, уже посланную для публикации, но Эренфест сказал им, что поскольку они молоды, то могут позволить себе совершить ошибку. Одно из возражений, например, заключалось в том, что если для размера электрона использовать формулу X. Лоренца, то для получения вращательного углового момента нужно приписать столь быстрое вращение, при котором скорость внешней поверхности электрона превышает скорость света. Работа не была отозвана и опубликована, а критика Паули осталась безосновательной.
После великого открытия спина Уленбек в 1927 г. эмигрировал в США, в университет Мичигана. В середине 1930-х гг. вернулся в Нидерланды, где стал приемником Крамерса в университете Утрехта. В 1939 г. он возвратился в Мичиганский университет. С 1960 г. работал в Рокфеллеровском институте в Нью-Йорке, был иностранным членом Итальянской Академии.
Гоудсмит также эмигрировал в 1932 г. в США в Мичиганский университет. В течение Второй мировой войны он работал с радарами, а позднее возглавил очень секретную миссию под кодовым именем «Алкос». Эта миссия следовала за наступающими войсками союзников в Европе, а в некоторых случаях и опережала их, чтобы узнать уровень работ по созданию немцами атомной бомбы. Было установлено, что немецкие ученые не достигли больших успехов в этой области, и Гитлер не мог иметь этого оружия до конца войны. Гоудсмит написал об этой миссии книгу «Миссия Алкос».
В заключение мы можем видеть, что полное развитие квантовой механики в течение ряда лет дало адекватную трактовку поведения атомов и молекул. Для нас, однако, то, что было описано, достаточно, чтобы понять главные факты. Мы можем представить себе атомы и молекулы в виде сложных систем, которые могут находиться в нескольких энергетических состояниях. В простейшей системе, атоме, эти энергетические состояния образуются его электронами. Разность энергии между орбитами электронов соответствует фотонам, испускаемым в видимом и ультрафиолетовом диапазонах спектра. Однако энергия, соответствующая данной орбите, может изменяться за счет возмущения, вызываемого разными причинами. Ими могут быть взаимодействия магнитного момента электрона (из-за спина) с магнитными моментами, получающимися при их вращении вокруг ядер, или с магнитным моментом самого ядра, или под действием внешних магнитных полей (эффект Зеемана), или электрических полей (эффект Штарка). В результате этих взаимодействий энергетический уровень невозмущенной орбиты расщепляется на несколько подуровней, которые слегка различаются по энергии. Переходы, которые могут быть между этими подуровнями, соответствуют т.н. тонкой или сверхтонкой структуре, и длины волн, соответствующие этим переходам, лежат в инфракрасном или радиочастотном диапазоне спектра.