Избранные научные труды
Шрифт:
Этот большой успех позволил Ридбергу проследить ещё более глубокие связи между различными сериями, составляющими спектр элемента. В самом деле, он обнаружил, что не только некоторые серии с различающимися значениями а характеризуются одним и тем же значением a, но и что в любой серии значение этой постоянной a обязательно совпадает с одним из переменных членов (термов) в каких-либо других сериях того же элемента. В частности, Ридберг нашёл, что различие между пределом главной серии и общим пределом для диффузной и резкой серий как раз равно волновому числу первого члена главной серии — результат, который, как известно, был позднее независимо получен Шустером. Таким образом, в своей оригинальной работе Ридберг предложил следующую исчерпывающую формулу, описывающую любую спектральную линию элемента:
=
R
(n1– 1)^2
–
R
(n2– 2)^2
,
(6)
согласно
Говоря о пределах применимости своей окончательной формулы, Ридберг высказывался с замечательной тонкостью и осторожностью. С одной стороны, он хорошо знал, что специальная форма двух комбинирующихся по формуле (6) термов не приводит к строгому согласию с данными наблюдений. С другой стороны, он подчёркивал, что его формула в основных существенных чертах удовлетворяет условиям общности, которые требуются от фундаментальных законов природы. Эта позиция особенно чётко выражена в последней части статьи Ридберга при обсуждении сериальных формул, которые как раз в то время были использованы Кайзером и Рунге для представления результатов их обширных и точных измерений спектральных линий. Высоко оценивая большую точность их формул, Ридберг отметил, что в его намерения входило не получение подходящей интерполяционной формулы для каждой индивидуальной серии, но скорее отыскание неких универсальных соотношений с использованием в процессе вычислений как можно меньшего числа констант.
Однако поиски механизма, который мог бы объяснить спектральные закономерности, к тому времени натолкнулись на казавшиеся непреодолимыми трудности. Здесь особенно уместно напомнить замечание Рэлея о том, что любой анализ нормальных типов колебаний устойчивой механической системы приводит к соотношениям между квадратами частот, а не между самими частотами. Как известно, Ритц, вдохновлённый объяснением эффекта Зеемана, данного Лоренцем, попытался объяснить спектральные законы с помощью введённого им представления об атомных магнитных полях, влияние которых на электрически заряженные компоненты атома — в противоположность влиянию обычных механических сил — существенно зависит от скоростей. Однако несмотря на всё остроумие таких попыток на этом пути не удалось достигнуть объяснения спектральных законов, не входя в противоречие с интерпретацией других атомных свойств.
Всё же глубокое исследование Ритцем спектральных проблем, особенно подкреплённое его тесным сотрудничеством с Пашеном, привело его к различным уточнениям численных формул для спектральных серий и к предсказанию новых серий, что по существу завершало анализ многих линейчатых спектров. В связи с этой работой, важное значение для которой, несомненно, имели открытия и оригинальные концепции Ридберга, Ритц в 1908 г. установил общий закон, известный ныне как комбинационный принцип Ридберга—Ритца, согласно которому волновое число любой линии спектра может быть строго представлено в виде
=
T
1
– T
2
,
(7)
где T1 и T2 — два члена из набора термов, характерных для данного элемента.
Новая эпоха в развитии наших представлений о строении атома началась вскоре, с открытием Резерфордом в 1911 г. атомного ядра. Это открытие привело к замечательно простой картине атома как системы электронов, движущихся вокруг центрального заряженного ядра ничтожно малых размеров, в котором сконцентрирована практически вся масса атома. Сразу же стало ясно, что все физические и химические свойства элемента, которые зависят от взаимодействия атомных электронов, в большой степени регулируются полным зарядом ядра, определяющим число электронов в нейтральном атоме. Этот так называемый атомный номер с очевидностью следовало идентифицировать с порядковым номером элемента в периодической таблице, который является главным фактором, управляющим свойствами элементов, на что так отчётливо указывал Ридберг. Как известно, эта точка зрения несколькими годами позже нашла решающее подтверждение в фундаментальных исследованиях Мозли в области характеристических рентгеновских спектров элементов. Интересно напомнить, что его определение атомных номеров всех без исключения химических элементов в различных отношениях подтвердило ожидавшиеся Ридбергом длины периодов менделеевской таблицы.
Однако сразу же вслед за открытием Резерфорда возникли ещё большие трудности в объяснении спектральных закономерностей на основе классической физики. В самом деле, с точки зрения обычной механики и электродинамики система точечных зарядов не могла быть стабильной, что было необходимо для объяснения постоянства специфических свойств элементов, столь впечатляющим образом проявляющихся в их линейчатых спектрах. В частности, излучение, обусловленное движением электронов, должно
Ключ к пониманию проблемы стабильности атомов и природы линейчатых спектров был найден лишь с открытием универсального кванта действия, к которому пришёл в начале нашего века Планк в результате искусного анализа явлений теплового излучения. Как известно, спустя несколько лет вслед за этим Эйнштейн указал, что формула Планка E=nh, представляющая возможные значения энергии гармонического осциллятора с частотой колебаний , позволяет не только объяснить наблюдавшиеся при низких температурах аномалии в поведении теплоемкости различных веществ, но что характерные особенности атомного фотоэффекта также требуют представления о том, что излучение и поглощение света с частотой =c происходит в виде так называемых световых квантов или фотонов с энергией h. Хотя более глубокий анализ этих явлений в рамках привычных представлений был невозможен, как это было особенно ясно видно из связанной с понятием фотона дилеммы о структуре излучения, было очевидно, что здесь мы имеем дело с существенными особенностями атомных процессов в целом, особенностями, совершенно чуждыми представлениям классической физики.
На этой основе сама собой напрашивалась идея о том, что при любом изменении энергии атома мы сталкиваемся с процессом перехода между двумя стационарными квантовыми состояниями и что любое излучение, участвующее в таком процессе перехода, проявляется в форме фотона. В самом деле, так называемые квантовые постулаты сразу же позволяли дать интерпретацию комбинационного принципа, отождествив численные значения каждого спектрального терма, умноженные на hc, с энергией возможного стационарного состояния атома. Более того, было указано решение казавшейся загадочной случайной природы явлений избирательного поглощения и излучения света атомами. При обычных условиях атом находится в своем нормальном состоянии с наименьшей энергией, соответствующей наибольшему значению спектрального терма, величина которого задавалась пределом главной серии. Понятно поэтому, что в процессе избирательного поглощения проявляется только эта серия, в частности, в пределе наступает поглощение в непрерывном спектре, которое, очевидно, соответствует удалению электрона из атома. Вскоре эти выводы были непосредственно подтверждены знаменитыми опытами Франка и Герца по возбуждению спектральных линий электронными соударениями. Эксперименты показали, что любой возможный обмен энергией между электроном и атомом соответствует переходу атома из нормального состояния в более высокое стационарное состояние и что минимальная энергия, необходимая для ионизации атома, как раз равна умноженному на hc значению волнового числа, соответствующего пределу главной серии.
Вспоминая оживлённые дискуссии тех лет, быть может, интересно рассказать о беседе между Эйнштейном и Хевеши, которым я, как один из учеников Резерфорда, в то время сообщал о новых взглядах и перспективах. Когда Эйнштейна спросили о его отношении к этим идеям, он ответил, что они не абсолютно чужды его образу мыслей, но добавил в шутку, что он чувствует, что, если бы они были восприняты всерьёз, это означало бы конец физики. Оглядываясь назад, можно признать это высказывание справедливым. В самом деле, нам ведь пришлось пересмотреть все наши представления о том, что следует понимать под физическим объяснением. Между тем оказалось возможным шаг за шагом в ещё большей степени использовать спектроскопические данные для расширения наших знаний о строении атома. Достижение этой цели, как мы знаем, потребовало развития соответствующего математического аппарата, существенно отличавшегося от аппарата классической физики. Но для начала следовало подойти к решению проблем, попытавшись использовать более простые методы. Руководящим принципом при этом оказался в первую очередь так называемый принцип соответствия, который характеризовала попытка применить к рассмотрению всех явлений обычные физические представления, не вступая непосредственно в противоречие с квантовым постулатом.
Первым шагом было установление формулы
R
=
22e4m
ch3
,
(8)
выражающей постоянную Ридберга через массу m и заряд e электрона и фундаментальные константы c и h. В самом деле, можно было показать, что это соотношение является необходимым условием того, чтобы частоты линий спектра атома водорода асимптотически стремились к некоторым пределам, как и частоты вращения электрона по кеплеровским орбитам вокруг тяжёлого ядра с единичным зарядом. Подобные представления одновременно давали простое объяснение появления постоянной Ридберга в описании спектров других элементов, если принять, что рассматриваемые серии возникают в результате перехода между стационарными состояниями, в которых один из атомных электронов связан с ядром менее сильно, чем другие, и что поэтому силы, оказываемые на него со стороны ионного остова, по крайней мере на больших расстояниях имеют очень большое сходство с силами, действующими на электрон в атоме водорода.