Избранные научные труды

Бор Нильс Хенрик Давид

Один инцидент сильно позабавил Резерфорда и всех нас. Сэр Джозеф Лармор торжественно предложил лорду Рэлею высказаться по поводу последних идей. Немедленный ответ заслуженного ветерана, который в свои молодые годы так много сделал для разъяснения проблем излучения, прозвучал так: «Когда я был молод, я неукоснительно исповедывал некоторые принципы, согласно одному из которых человек, переваливший за шестьдесят, не должен высказываться по поводу новых идей. Хотя я должен признаться в том, что я теперь придерживаюсь его не столь строго, однако всё же в достаточной степени для того, чтобы не принимать участия в этой дискуссии!»

Во время моего посещения Манчестера в июне я обменивался мнениями с Дарвином и Мозли по вопросу о том, что правильное последовательное расположение элементов

должно происходить согласно их атомному номеру, и впервые услышал тогда от Мозли, что он намерен выяснить этот вопрос систематическими измерениями высокочастотных спектров элементов методом Лауэ—Брэгга. Поразительная энергия Мозли и его редкий дар ставить эксперименты с ясно поставленной целью обусловили удивительно быстрое продвижение его работ; уже в ноябре 1913 г. я получил от него очень интересное письмо с описанием важнейших результатов и несколькими вопросами, касающимися их интерпретации на основе соображений, которые оправдались в применении к оптическим спектрам.

В истории современной физики и химии лишь немногие события с самого начала вызывали всеобщий интерес, как это случилось с Мозли, когда он открыл простой закон, позволяющий однозначно приписать атомный номер любому элементу на основании его высокочастотного спектра. Этот закон сразу же дал не только убедительное свидетельство в пользу атомной модели Резерфорда, но вместе с тем обнаружил потрясающую интуицию Менделеева, который в определённых местах своей таблицы отошёл от правильной последовательности возрастания атомных весов. В частности, сразу было очевидно, что закон Мозли является безошибочным ориентиром при поисках ещё не открытых элементов, соответствующих вакантным местам в последовательности атомных номеров.

Что касается проблемы электронной конфигурации атома, то и для неё работа Мозли послужила началом существенного прогресса. Конечно, преобладание во внутренних частях атома притяжения, обусловленного ядром и действующим на отдельные электроны, над их взаимным отталкиванием даёт основу для понимания бросающегося в глаза сходства между спектром Мозли и ожидаемым спектром системы, состоящей из отдельного электрона, связанного с «голым» ядром. Более подробное сравнение даёт новую информацию, касающуюся оболочечной структуры электронного строения атомов.

Существенный вклад в эту проблему был сделан вскоре после этого Косселем, который, рассматривая механизм возникновения излучения Баркла K-, L- и M-типов, указал на процесс удаления электрона из какого-либо кольца или оболочки, последовательно окружающих ядро. В частности, он приписал K– и K– компоненты спектра Мозли отдельным процессам перехода, в которых электрон, недостающий в K-оболочке, замещается одним из электронов, ранее находившихся в L- и M-оболочках соответственно. На этом пути Коссель смог проследить дальнейшие связи между различными спектральными частотами, измеренными Мозли; эти связи позволили ему представить полный высокочастотный спектр элемента в виде комбинационной схемы, в которой произведение любого из термов на постоянную Планка может быть приравнено энергии, необходимой для удаления электрона из какой-либо оболочки атома на такое расстояние от ядра, когда он находится уже за пределами любой из оболочек.

Кроме того, идеи Косселя позволяли объяснить тот факт, что поглощение проникающего излучения по мере возрастания длины волны практически начинается на краю поглощения, соответствующего полному удалению электрона из какой-либо оболочки за один прием. Отсутствие промежуточных возбуждённых состояний было отнесено за счёт того, что в основном состоянии атома все оболочки полностью заполнены. Как это хорошо известно, указанная точка зрения в конце концов нашла свое окончательное выражение в 1924 г., когда Паули сформулировал общий принцип исключения для электронов в связанных состояниях; формулировка Паули была навеяна выводами Стонера, касающимися тонких деталей структуры оболочек в атоме Резерфорда, полученными из анализа закономерностей оптического спектра.

V

Осенью 1913 г. новый переполох среди физиков был вызван открытием

Штарка, обнаружившего неожиданно сильное действие электрического поля на структуру линий водородного спектра. Всегда очень внимательный ко всем достижениям физики, Резерфорд, получив от Прусской академии статью Штарка, немедленно написал мне: «Я думаю, что в настоящее время скорее всего Вам следует написать что-нибудь по поводу эффекта Зеемана и действия электрического поля, если эти эффекты возможно согласовать с Вашей теорией». Откликнувшись на призыв Резерфорда, я попытался разобраться в сути вопроса и мне вскоре стало ясно, что, рассматривая действие электрического и магнитного полей, мы по существу имеем дело с двумя совершенно различными проблемами.

Сущность объяснения знаменитого открытия Зеемана (сделанного в 1896 г.) Лоренцем и Лармором заключалась в том, что оно непосредственно относилось к движению электронов как источнику линейчатого спектра; это объяснение в широких пределах не зависело от конкретных предположений относительно механизма связи электронов в атоме. Даже в том случае, если возникновение спектра приписывать отдельным переходам между стационарными состояниями, принцип соответствия с учётом общей теоремы Лармора приводит к тому, что нормальный эффект Зеемана следует ожидать для всех спектральных линий, испускаемых электронами, связанными полем с центральной симметрией, как это имеет место в атоме Резерфорда. Скорее открытие так называемого аномального зееман-эффекта принесло с собой новые загадки, которые оказалось возможным разрешить только более чем 10 лет спустя, когда сложная структура линий в спектральных сериях была объяснена наличием электронного спина. Самый увлекательный исторический очерк этого периода, за который важнейшие вклады были внесены с самых различных направлений, содержится в хорошо известной книге, посвящённой памяти Паули и недавно вышедшей из печати ¹.

¹ «Теоретическая физика 20 века. Сборник статей, посвящённых памяти В. Паули». М., ИЛ, 1962. — Прим. ред.

В случае же электрического поля, наоборот, не следовало ожидать для излучения, испускаемого гармоническим осциллятором, никаких эффектов, пропорциональных величине поля, поэтому открытие Штарка совершенно определённо исключало обычное представление об упругих колебаниях электрона как источнике линейчатых спектров. Однако для кеплеровского движения электрона вокруг ядра даже сравнительно слабое внешнее электрическое поле через секулярное возмущение может вызывать значительное изменение в форме и ориентации орбит. Изучая частные случаи, в которых орбита остаётся чисто периодической и во внешнем поле, оказывается возможным (используя аргументы того же самого типа, как и для стационарных состояний невозмущённого водородного атома) определить порядок величины эффекта Штарка и в особенности объяснить его быстрый рост от линии к линии в спектральных сериях водорода. Вместе с тем эти рассуждения со всей ясностью обнаружили, что для объяснения тонких деталей явления методы классификации стационарных состояний атомных систем развиты явно недостаточно.

Именно в этом отношении в последующие годы было достигнуто значительное продвижение вперёд введением квантовых чисел, определяющих компоненты момента импульса и других интегралов действия. Методы такого типа были впервые предложены В. Вильсоном в 1915 г., применившим их к электронным орбитам в атоме водорода. Однако, вследствие того что согласно механике Ньютона каждая орбита в этом случае чисто периодическая с частотой обращения, зависящей только от полной энергии системы, никаких новых физических явлений выявлено не было. Тем не менее зависимость массы электрона от скорости, предсказанная новой механикой Эйнштейна, снимала вырождение движения и вызывала появление второго периода в его фурье-компонентах за счёт непрерывного медленного движения афелия кеплеровской орбиты. Как это было показано в известной работе Зоммерфельда 1916 г., раздельное квантование момента импульса и действия в радиальном направлении позволило дать детальное объяснение наблюдаемой тонкой структуры линий в спектре атома водорода и иона гелия.