Избранные научные труды

Бор Нильс Хенрик Давид

В знаменитой работе Резерфорда, опубликованной в 1919 г. в «Philosophical Magazine», содержащей описание его фундаментального открытия — управляемого ядерного расщепления, упоминается посещение Манчестера в ноябре 1918 г. старым сотрудником Резерфорда Эрнестом Марсденом, который после перемирия был демобилизован во Франции из армии. Обладая большим опытом сцинтилляционных экспериментов, полученным им в прежние дни пребывания в Манчестере, когда вместе с Гейгером он ставил эксперименты, которые привели Резерфорда к открытию атомного ядра, Марсден помог выяснить некоторые очевидные аномалии в статистическом распределении протонов больших скоростей, высвобождаемых при бомбардировке азота -частицами. Из Манчестера Марсден вернулся в Новую Зеландию, чтобы приступить к своим университетским обязанностям, но продолжал сохранять тесную связь с Резерфордом в течение многих лет.

В июле 1919 г., когда после заключения перемирия стало возможным свободное передвижение,

я отправился в Манчестер навестить Резерфорда и узнать поподробнее о его новом крупнейшем открытии — открытии управляемых, или так называемых искусственных, ядерных превращений, которыми он положил начало тому, что любил называть «современной алхимией», и которое с течением времени привело к столь ужасающим последствиям, дав в руки человека господство над силами природы. В это время Резерфорд был почти что один в своей лаборатории, и, как он и написал в своих письмах, единственным помощником в его фундаментальных исследованиях, если не считать кратковременного пребывания Марсдена, был его преданный помощник Уильям Кей, который своей добротой и готовностью оказать помощь снискал любовь всех работавших за все эти годы в лаборатории. Во время моего визита Резерфорд рассказал мне также, что он должен принять важное решение в связи с предложением занять должность профессора Кавендишской лаборатории в Кембридже; эта должность оставалась свободной после отставки Дж. Дж. Томсона. Конечно, Резерфорду было нелегко решиться расстаться с Манчестером, где он долго и плодотворно работал, но он, разумеется, не мог не принять приглашения занять место в непревзойдённой плеяде кавендишских профессоров.

VII

С первых же дней своего пребывания в Кавендишской лаборатории Резерфорд собрал вокруг себя многочисленную и блестящую группу исследователей. Наиболее заметной фигурой среди них был Астон, который в течение ряда лет работал с Дж. Дж. Томсоном и уже во время войны начал развивать масс-спектроскопические методы; его методы впоследствии позволили обнаружить существование изотопов почти у всех элементов. Этот результат, который ещё раз давал убедительное подтверждение правильности атомной модели Резерфорда, не был совсем неожиданным. Уже в прежние годы в Манчестере было выяснено, что очевидные отступления от правильной последовательности атомных весов элементов, расположенных соответственно их химическим свойствам, указывают на то, что даже у устойчивых элементов не следует ожидать однозначной связи зарядов ядер с их массой. В письмах ко мне в январе и феврале 1920 г. Резерфорд выражал свое удовлетворение работами Астона, в особенности открытием изотопов хлора, которые так наглядно демонстрировали статистический характер отклонений химических атомных весов от целочисленных значений. Он не без юмора комментировал также оживлённые дискуссии в Кавендишской лаборатории, посвящённые относительным достоинствам различных моделей атома, которые появлялись в связи с открытием Астона.

Чрезвычайно существенное значение для продолжения собственных исследовательских работ Резерфорда, касающихся строения и расщепления атомных ядер, а также руководства обширной лабораторией имело то, что с самого начала его деятельности к нему присоединился Джеймс Чэдвик, работавший в старой манчестерской группе и вернувшийся после длительного пребывания под арестом в Германии: он работал вместе с Гейгером в Берлине, и там его застало начало войны. Среди сотрудников Резерфорда в первые годы его работы в Кембридже были также Блэккет и Эллис, оба отказавшиеся от военной карьеры; к занятиям физикой Эллиса привлек Чэдвик, с которым он подружился, находясь под арестом у немцев. Дальнейшим пополнением кавендишской группы было прибытие, несколькими годами позже, Капицы, который привез с собой разнообразные остроумные проекты, в частности проект создания магнитного поля неслыханной в то время величины. В своей работе он с самого начала получал помощь Джона Кокрофта, обладавшего незаурядным сочетанием понимания научных и инженерных вопросов и ставшего впоследствии выдающимся сотрудником Резерфорда.

Сначала руководство теоретической деятельностью Кавендишской лаборатории возглавляли Чарльз Дарвин (математические способности которого оказались весьма полезными в манчестерские годы) вместе с Ральфом Фаулером. Их содружество в это время позволило сделать ценный вклад в статистическую термодинамику и её приложения к астрофизическим проблемам. После отъезда Дарвина в Эдинбург главным теоретическим консультантом и наставником вплоть до второй мировой войны был Фаулер, который стал зятем Резерфорда. Фаулер не только с энтузиазмом и энергией принимал участие в работе Кавендишской лаборатории, в скором времени он нашёл многочисленных одарённых учеников, на которых благотворно сказывалось его влияние. Лучшими из них были Леннард-Джонс и Хартри; оба они вложили свою долю, каждый в своем направлении, в развитие атомной и молекулярной физики. Особенно следует отметить Дирака, который с юношеских лет выделялся необыкновенной силой своей логики.

Уже с тех пор, как я покинул в 1916 г. Манчестер,

я, естественно, пытался использовать опыт, приобретенный мною в Манчестерской лаборатории. Я с благодарностью вспоминаю о том, как Резерфорд с самого начала проявлял внимание и оказывал эффективную поддержку моим попыткам создать в Копенгагене институт, призванный установить тесную связь между физиками-теоретиками и физиками-экспериментаторами. Особо важное значение имело то, что уже осенью 1920 г., когда сооружение института приближалось к концу, Резерфорд нашёл время, чтобы приехать в Копенгаген. В знак признания его заслуг университет присвоил ему почётную степень, и по этому поводу он произнес пронизанную юмором вдохновенную речь, которая надолго осталась в памяти всех присутствовавших.

Для работы вновь созданного института оказалось очень благотворным то, что вскоре после войны к нам присоединился мой старый друг с манчестерских времён Георг Хевеши; в течение более чем двадцати лет, проведённых в Копенгагене, он выполнил там многие из своих хорошо известных физико-химических и биологических исследований, используя метод меченых атомов. Особый интерес Резерфорда вызвало применение метода Мозли (Костёр и Хевеши, 1922 г.) в успешных поисках одного недостающего элемента, ныне известного под именем гафния; свойства этого элемента ещё раз подтвердили правильность интерпретации периодической системы элементов. Удачное начало общей экспериментальной работы было положено посещением института Джеймсом Франком во время открытия лаборатории; в течение последующих месяцев он любезно знакомил своих датских коллег с очень тонкой техникой возбуждения атомных спектров электронной бомбардировкой, тщательно разработанной им совместно с Густавом Герцем. Первым среди многих выдающихся теоретиков, которые оставались у нас длительное время, был Ганс Крамерс, который совсем юным приехал в Копенгаген во время войны и оказался неоценимым приобретением для нашей группы в течение всех тех десяти лет, которые он работал с нами; в 1926 г. он оставил преподавание в институте и стал профессором в Утрехте. Вскоре после появления Крамерса в Копенгаген прибыли двое подающих надежды молодых людей — Оскар Клейн из Швеции и Свен Росселанд из Норвегии; уже в 1920 г. их имена стали всем известны после того, как они указали на так называемые столкновения второго рода, при которых в результате электронной бомбардировки атомы переходят из высшего стационарного состояния в низшее, сообщая дополнительную скорость электрону. Фактически наличие таких процессов играет решающую роль в установлении теплового равновесия, вполне аналогичную роли индуцированных радиационных процессов, имеющих существенное значение для вывода формулы теплового излучения Планка методом Эйнштейна. Учёт соударений второго рода оказался чрезвычайно важным для выяснения радиационных свойств звёздных атмосфер, особенности которых были рассмотрены в фундаментальных работах Саха, работавшего в это время вместе с Фаулером в Кэмбридже.

К группе Копенгагенского института присоединился в 1922 г. Паули, а двумя годами позже Гейзенберг; оба они были учениками Зоммерфельда и, несмотря на свою молодость, уже имели в своем багаже великолепные работы. Я познакомился с ними обоими летом 1922 г. во время моего посещения Гёттингена, где я читал лекции: у меня сразу возникло ощущение их незаурядной одарённости. Моим посещением Гёттингена было положено начало длительной и плодотворной совместной деятельности группы под руководством Борна и Франка, работавшей в Гёттингене, и копенгагенской группы. С самых первых дней наша тесная связь с сильнейшей кембриджской группой поддерживалась, в частности, длительным пребыванием в Копенгагене Дарвина, Дирака, Фаулера, Хартри, Мотта и других.

VIII

Те годы, когда неповторимое объединение целого поколения физиков-теоретиков многих стран шаг за шагом создавало логически непротиворечивое обобщение классической механики и электродинамики, иногда принято называть «героической» эрой квантовой физики. Для любого, следившего за этим процессом, незабываемым воспоминанием остаётся картина того, как в результате сочетания самых различных подходов и использования адекватных математических методов возникал новый взгляд на содержание физического опыта. Пришлось преодолеть многочисленные препятствия на пути к этой цели, но прошло время и, как это всегда бывает, решающий успех был достигнут самыми молодыми из нас.

Общей исходной точкой было признание того, что, несмотря на известный смысл временного использования механической картины для классификации стационарных состояний изолированных атомов или атомов, находящихся в поле постоянных внешних сил, совершенно несомненна (как это уже упоминалось) необходимость нового фундаментального отхода от классической картины. Дело заключалось не только в том, что трудности определения электронного строения химических соединений на основе атомной модели Резерфорда становились всё более и более очевидными, помимо этого непреодолимые трудности возникали и при любой попытке описать в деталях сложные атомные спектры; особенно отчётливо это было видно в странном дуплетном характере дугового спектра гелия.