Избранные научные труды
Шрифт:
Другие смелые и эвристические попытки выявления квантовых особенностей в других свойствах вещества были описаны Зоммерфельдом, который подробно исследовал образование рентгеновых лучей с помощью быстрых электронов, а также рассмотрел проблемы, связанные с ионизацией атомов при фотоэффекте и электронных соударениях. Говоря о последних проблемах, Зоммерфельд обратил внимание на сходство некоторых своих рассуждений с рассуждениями, изложенными в последней статье Гааза; Гааз пытался применить квантовые идеи к электрону, связанному в атомной модели в виде равномерно положительно наэлектризованной сферы; эта модель подобна модели Дж. Дж. Томсона. При этом Гааз получил циклические частоты того же порядка величины, что и частоты оптических спектров. Что касается его собственных взглядов, — добавил Зоммерфельд, — то вместо того, чтобы пытаться вывести планковскую константу из некоторых рассуждений,
Хотя во время конгресса, конечно, не могло быть и речи об исчерпывающей трактовке всех проблем, возникших в связи с открытием Планка, всё же на конгрессе было достигнуто единодушное мнение, что для физической науки раскрылись новые огромные перспективы. Несмотря на то, что оказался необходимым радикальный пересмотр оснований для однозначного применения первичных физических понятий, всех ободряло то, что именно в эти годы была очень ярко продемонстрирована устойчивость физического фундамента благодаря новому триумфу классического подхода при определении свойств разреженных газов и использовании статистических флуктуаций для подсчёта числа атомов. Соответствующие, подробно аргументированные доклады, посвящённые этим достижениям, были сделаны на конгрессе Мартином Кнудсеном и Жаном Перреном.
Живое представление о дискуссиях на первом Сольвеевском конгрессе я получил от Резерфорда при встрече с ним в Манчестере, вскоре после его возвращения из Брюсселя. Однако, как я установил только спустя несколько месяцев при просмотре отчёта о заседаниях, Резерфорд ничего не сообщил мне о том, что в ходе дискуссий на конгрессе не было упомянуто самое новейшее событие, которому суждено было оказать столь глубокое влияние на последующее развитие, а именно, его собственное открытие атомного ядра. Действительно, обобщая весьма неожиданным образом данные о структуре атома, которая поддаётся истолкованию в простых механических понятиях, и в то же время обнаруживая неадекватность таких понятий для любых проблем устойчивости атомных систем, открытие Резерфорда должно было не только служить руководством, но и оставаться стимулирующим фактором на позднейших стадиях развития квантовой физики.
II
Следующий Сольвеевский конгресс в 1913 г. был посвящён проблеме строения вещества. Самой важной новой информацией на нем была информация об открытии дифракции рентгеновых лучей в кристаллах, сделанном Лауэ в 1912 г. Это открытие устранило все сомнения в том, что этому проникающему излучению следует приписать волновые свойства. Корпускулярные же черты этого излучения при его взаимодействии с веществом, как это особенно подчёркивал Уильям Брэгг, весьма выразительно иллюстрировалось на снимках в камере Вильсона, показывающих треки быстрых электронов, освобождаемых при поглощении излучения в газах. Как известно, открытие Лауэ явилось прямым толчком к блестящим исследованиям кристаллических структур Уильямом и Лоуренсом Брэггами, которые, анализируя отражение монохроматического излучения от различных сечений плоскопараллельных конфигураций атомов в кристаллической решетке, сумели определить как длину волны излучения, так и тип симметрии решетки.
Обсуждению этих вопросов, составивших главный предмет работы конгресса, предшествовал доклад Дж. Дж. Томсона, изложившего остроумные концепции, касающиеся электронной структуры атомов; с помощью этих концепций, не отступая от классических физических принципов, Томсон смог объяснить, по крайней мере качественно, многие общие свойства вещества. Это бросает свет на общие взгляды физиков, в то время ещё не оценивших принципиального значения открытия Резерфордом ядерной структуры атома, которое было существенной основой для таких исследований. Единственное упоминание об этом открытии сделал сам Резерфорд, который в дискуссии, следовавшей за докладом Томсона, указал на достаточное количество и точность экспериментальных данных, подтверждающих ядерную модель атома.
Впрочем, за несколько месяцев до открытия конгресса была опубликована моя первая статья о квантовой теории строения атомов. В этой статье были сделаны первые попытки использовать атомную модель Резерфорда для объяснения характерных свойств элементов, зависящих от связи электронов, окружающих ядро. Как уже отмечалось, этот вопрос представлял непреодолимые трудности, если рассматривать его с помощью обычных идей механики и электродинамики, согласно которым никакая система точечных зарядов не допускает устойчивого статического равновесия, а любое движение электронов
Исходный пункт был подсказан эмпирическими закономерностями, обнаруженными в оптических спектрах элементов, которые, как это впервые установил Ридберг, могли быть выражены посредством комбинационного принципа, согласно которому частота любой спектральной линии может быть с большой точностью представлена в виде разности между двумя членами серии термов, характеризующих элемент. Отправляясь непосредственно от эйнштейновской трактовки фотоэффекта, можно было истолковать комбинационный закон как результат элементарного процесса, в котором атом, испуская или поглощая монохроматическое излучение, переходит из одного, так называемого стационарного, состояния атома в другое. Этот взгляд, позволивший отождествить произведение планковской константы на любой из спектральных термов с энергией связи электронов в соответствующем стационарном состоянии, приводил также к простому объяснению соотношения между линиями испускания и поглощения в спектральных сериях, весьма прихотливого на первый взгляд. Это объяснение состояло в том, что обычно мы имеем дело в первом случае с переходом из возбуждённого состояния атома в некоторое состояние с более низким уровнем энергии, а в случае поглощения — с процессом перехода из основного состояния с наименьшей энергией к одному из возбуждённых состояний.
Изображая такие состояния электронной системы условно в виде планетарных движений, подчиняющихся закону Кеплера, мы получаем возможность вывести константу Ридберга путём соответствующего сравнения с исходным планковским выражением для энергетических состояний гармонического осциллятора. Тесная связь с атомной моделью Резерфорда в не меньшей степени проявилась в простой связи между спектром водородного атома и спектром иона гелия; общность этих случаев обусловлена тем, что эти системы состоят из одного электрона, связанного с небольшим по размеру ядром, обладающим соответственно одним или двумя элементарными зарядами. В этой связи интересно напомнить, что как раз во время самого конгресса Мозли изучал высокочастотные спектры элементов методом Лауэ—Брэгга и уже нашёл замечательно простые законы, которые не только позволили установить заряд ядра любого элемента, но даже дали первое прямое указание на оболочечную структуру электронной конфигурации в атоме, обусловливающую характерную периодичность, проявляющуюся в знаменитой таблице Менделеева.
III
Международное научное сотрудничество было прервано первой мировой войной и Сольвеевские конгрессы не возобновлялись до весны 1921 г. Очередной конгресс, посвящённый теме: атомы и электроны, открыл Лоренц ярким обзором принципов классической электронной теории, которая, в частности, объяснила существенные черты зееман-эффекта, прямо указав на движение электронов в атоме как на причину появления спектров.
Следующим докладчиком был Резерфорд. Он подробно рассказал о многочисленных явлениях, которые к тому времени получили весьма убедительную интерпретацию на основе его атомной модели. Не говоря уже о непосредственном объяснении существенных черт радиоактивных превращений и наличия изотопов, предсказанных моделью, применение квантовой теории к электронной оболочке в атоме привело к значительным успехам. В частности, более полная классификация стационарных квантовых состояний, полученная с помощью инвариантов интегралов действия, привела в руках Зоммерфельда и его школы к объяснению многих деталей в структуре спектров, и в частности к объяснению эффекта Штарка, открытие которого определённо исключало возможность свести явление линейчатых спектров к гармоническим колебаниям электронов в атоме.
В последующие годы действительно стало возможно благодаря продолжавшемуся изучению высокочастотных и оптических спектров Зигбаном, Каталаном и другими прийти к подробной картине распределения электронов по оболочкам в основном состоянии атома, которая явно отражала черты периодичности в соответствии с таблицей Менделеева. Эти успехи связаны с выяснением некоторых существенных вопросов, таких, как принцип Паули о взаимном исключении эквивалентных квантовых состояний и открытие спина электрона, вызывающего нарушение центральной симметрии в состояниях электронной оболочки, необходимое для объяснения аномального эффекта Зеемана на основе атомной модели Резерфорда.