Избранные научные труды
Шрифт:
Кроме того, Зоммерфельдом и Эйнштейном было рассмотрено влияние магнитного и электрического полей на спектр водорода; искусным применением методов квантования систем со многими периодами они смогли, в полном соответствии с экспериментом, получить спектральные термы, комбинация которых определяла расщепление линий водорода. Совместимость предложенных методов с принципом адиабатической инвариантности стационарных состояний, сформулированным в 1914 г. Эренфестом для удовлетворения требований термодинамики, была обеспечена тем, что интегралы действия, к которым относятся квантовые числа, согласно классической механике не меняются при медленном (сравнительно с характеристическими периодами системы) изменении внешнего поля.
Дальнейшее подтверждение плодотворности такого подхода было получено приложением принципа соответствия к излучению систем, обладающих многими периодами; в результате удалось
Благодаря быстро нараставшим экспериментальным данным относительно структуры сложных оптических спектров а также настойчивым поискам тонких особенностей высокочастотных спектров Зигбаном с сотрудниками, классификация связанных состояний в атомах, содержащих несколько электронов, постепенно уточнялась. В частности, изучение способа, которым могут быть построены основные состояния атомов путём последовательного добавления электронов, приводило к постепенному выяснению оболочечной структуры электронной конфигурации атома. Таким образом, несмотря на то, что такие существенные для объяснения элементы, как электронный спин, были ещё не известны, фактически оказалось возможным уже десять лет спустя после открытия Резерфордом атомного ядра дать общее истолкование многим наиболее характерным периодическим свойствам таблицы Менделеева.
Однако весь подход к проблеме в целом носил ещё в высшей степени полуэмпирический характер, и вскоре стало совершенно ясно, что для исчерпывающего описания физических и химических свойств элементов необходим новый радикальный отход от классической механики, чтобы соединить квантовые постулаты в логически непротиворечивую схему. К этому хорошо известному пути развития квантовой механики мы ещё вернёмся, а пока я продолжу свои воспоминания о Резерфорде.
VI
В начале первой мировой войны манчестерская группа почти полностью распалась, но мне посчастливилось оставаться в тесном контакте с Резерфордом, который весной 1914 г. пригласил меня заменить Дарвина в Шустеровской школе математической физики. По прибытии в Манчестер ранней осенью этого года после бурного плавания вокруг Шотландии, я и моя жена были очень тепло встречены теми немногими из наших старых друзей, которые остались в лаборатории после отъезда наших коллег из-за границы и ухода на военную службу большинства англичан. Резерфорд с женой были в это время ещё в Америке, где они оказались на обратном пути после посещения родных в Новой Зеландии; стоит ли говорить о том, что их благополучное возвращение в Манчестер несколькими неделями позже было встречено всеми нами с облегчением и большой радостью.
Сам Резерфорд вскоре занялся военными вопросами, в особенности задачей обнаружения подводных лодок с помощью звука, так что обучение студентов почти полностью перешло к Эвансу, Маковеру и мне. Несмотря на загруженность, Резерфорд не только находил время продолжать свои собственные исследования, которые ещё до окончания войны уже привели к столь грандиозным результатам, но и с присущей ему благожелательностью не переставал следить за работами своих сотрудников. Если говорить о проблеме строения атома, то она получила новый толчок в 1914 г., когда были опубликованы знаменитые опыты Франка и Герца по возбуждению атомов электронными соударениями.
С одной стороны, эти эксперименты, выполненные с парами ртути, представляли собой наиболее яркое доказательство скачкообразности энергетических переходов в атомных процессах; с другой стороны, значение энергии ионизации атомов ртути, очевидно определяемое этими экспериментами, оказалось вдвое меньше, чем это следовало ожидать на основании интерпретации спектра ртути. Поэтому возникало подозрение, что наблюдаемая ионизация не имеет прямого отношения к электронным соударениям, а обязана побочному фотоэффекту на электродах, вызываемому излучением атомов ртути при переходе из первого возбуждённого состояния в основное. По инициативе Резерфорда Маковер и я решили поставить эксперименты, чтобы выяснить этот вопрос; было задумано сложное устройство из кварцевого стекла с многочисленными электродами и сетками; эту конструкцию мы осуществляли с помощью опытного немецкого стеклодува, который в свое время изготовлял тонкие
Придерживаясь широких гуманистических взглядов, Резерфорд пытался получить разрешение для этого стеклодува продолжать работу в Англии и в военное время, но слабости этого человека, довольно обычные для представителей этой профессии, проявившиеся в конце концов в резких ультрапатриотических высказываниях, привели к тому, что он был интернирован английскими властями. Таким образом, когда наш чрезвычайно сложный аппарат вышел из строя из-за того, что загорелась его подставка, нам уже никто не мог помочь реставрировать его; к тому же вскоре после этого Маковер ушёл добровольцем в армию, и эти эксперименты были оставлены. Едва ли следует добавлять, что эта проблема была совершенно независимо от нас разрешена (причём были получены те самые результаты, которые ожидались) блестящими работами Дэвиса и Готье, выполненными в 1918 г. в Нью-Йорке. Я вспомнил о наших безуспешных попытках лишь для того, чтобы обрисовать трудности, которые возникали в то время во время работы в Манчестерской лаборатории; эти трудности были весьма сходны с теми, которые должны были преодолевать тогда в домашнем хозяйстве женщины.
По-прежнему непоколебимый оптимизм Резерфорда чрезвычайно ободряюще действовал на всех тех, кто его окружал, и мне вспоминается, как во время серьёзных военных неудач он повторял старое изречение, приписываемое Наполеону, о том, что с англичанами невозможно воевать, потому что они настолько глупы, что не понимают, когда нужно сдаваться (they were too stupid to understand, when they had lost). Для меня было приятным и поучительным раз в месяц присутствовать на беседах в группе близких друзей Резерфорда; в неё входили философ Александер, историк Тоут, антрополог Элиот Смит и химик Хаим Вейцман, которого высоко ценил Резерфорд и который тридцать лет спустя стал первым президентом государства Израиль.
Страшным потрясением для всех нас было трагическое известие о безвременной гибели Мозли в 1915 г. во время Галлипольской операции; его смерть вызвала скорбь у физиков всех стран мира; что касается Резерфорда, который в свое время пытался перевести Мозли с фронта в менее опасное место, то он принял её очень близко к сердцу.
Летом 1916 г. вместе с женой я покинул Манчестер и вернулся в Данию, где я был приглашён на только что открывшееся место профессора теоретической физики в Копенгагенском университете. Несмотря на всё возрастающие трудности с почтовой связью, я поддерживал непрерывную переписку с Резерфордом. Со своей стороны, я писал о продвижении моей работы по обобщению квантовой теории атомного строения, которая в это время получила стимулы для дальнейшего развития благодаря успехам в классификации стационарных состояний, о которых речь шла выше. В связи с этим Резерфорд интересовался тем, какие новости я почерпнул на континенте, в частности из моих первых встреч с Зоммерфельдом и Эренфестом. В своих письмах Резерфорд давал также живое описание, как, несмотря на возрастающие трудности и тяготы различных обязанностей, он боролся за продолжение своих исследований в различных направлениях. Так, осенью 1919 г. Резерфорд писал о том, что его крайне заинтересовали некоторые удивительные результаты по поглощению жёстких -лучей, создаваемых высоковольтными трубками, которые как раз в это время стали ему доступны.
В последующие годы Резерфорда всё более и более занимала возможность ядерного расщепления с помощью быстрых -частиц, и уже в письме от 9 декабря 1916 г. он писал: «Время от времени мне удаётся урвать свободные полдня, чтобы провести некоторые из моих собственных экспериментов, и я думаю, что получил результаты, которые в конце концов окажутся чрезвычайно важными. Мне очень хотелось бы обсудить все эти вещи вместе с вами здесь. Я обнаруживаю и подсчитываю лёгкие атомы, приводимые в движение -частицами, и эти результаты, как мне кажется, проливают яркий свет на характер и распределение сил вблизи ядра. Я также пытаюсь этим же методом взломать атом. В одном из опытов результаты представляются обнадёживающими, но потребуется уйма работы, чтобы их подтвердить. Кей помогает мне и в настоящее время является специалистом по подсчётам». Годом позже, 17 ноября 1918 г., Резерфорд в очень характерной для него манере рассказывает о дальнейших успехах: «Я хотел, чтобы вы были здесь и мы обсудили бы значение некоторых моих результатов по соударению ядер. Я получил некоторые, как мне кажется, довольно удивительные результаты, но потребуется тяжёлый и продолжительный труд, чтобы представить надёжные доказательства моих выводов. Подсчёт слабых сцинтилляций — нелёгкая задача для старых глаз, но всё же с помощью Кея я проделал за прошедшие четыре года чрезвычайно большую работу в свободное время».