Избранные научные труды

Бор Нильс Хенрик Давид

На первый взгляд может показаться, что здесь необходимо было какое-то существенное видоизменение теории Максвелла, и было даже предложено добавить новые члены к знаменитому уравнению Максвелла для электромагнитного поля в свободном пространстве. Но теория Максвелла оказалась слишком последовательной и слишком изящной, чтобы допускать такого рода модификацию. Может только возникнуть вопрос об обобщении теории в целом или, скорее, о переводе её на новый физический язык, приспособленный для того, чтобы учесть существенную неделимость элементарных процессов таким образом, чтобы каждая черта теории Максвелла нашла соответствующую черту в новом формализме. За последние несколько лет эта цель действительно была в значительной степени достигнута замечательным развитием новой квантовой механики или квантовой электродинамики, связанной с именами де Бройля, Гейзенберга, Шредингера и Дирака.

Когда приходится слышать, как физики в наши дни толкуют об электронных волнах и о фотонах, может показаться, пожалуй, что мы полностью оставили почву, на которой стояли Ньютон и Максвелл. Но, я думаю, мы все согласимся, что такие понятия, как бы плодотворны они ни были, не могут никогда представлять что-либо большее, чем удобное средство выражения следствий квантовой теории, которые не могут быть представлены обычным способом. Не следует забывать, что только классические идеи материальных частиц и электромагнитных

волн имеют недвусмысленную область применимости, между тем как понятия фотона и электронных волн его не имеют. Их применение существенно ограничивается случаями, в которых, учитывая существование кванта действия, невозможно рассматривать наблюдаемые явления как независимые от приборов, применяемых для их наблюдения. Мне хочется в качестве примера назвать наиболее яркое применение идей Максвелла, а именно передачу электромагнитных волн без проводов. Было бы чистым формализмом говорить о том, что эти волны состоят из фотонов, так как условия, при которых мы управляем передачей и приемом радиоволн, исключают возможность определения числа фотонов, которое они должны содержать. В таком случае мы можем сказать, что всякие следы идеи фотона, которая по существу связана с перечислением элементарных процессов, совершенно исчезли.

Вообразим на минуту в качестве иллюстрации, что новейшие экспериментальные открытия эффектов электронной дифракции и фотонов, которые так хорошо укладываются в символизм квантовой механики, были сделаны до работ Фарадея и Максвелла. Конечно, такое положение немыслимо, поскольку истолкование рассматриваемых экспериментов существенно основано на понятиях, созданных трудами этих учёных. Тем не менее позвольте принять такую воображаемую точку зрения и спросить: каково было бы в этом случае состояние науки? Я думаю, не будет преувеличением сказать, что мы были бы дальше от непротиворечивого взгляда на свойства и света, чем Ньютон и Гюйгенс. В самом деле, мы должны осознать, что недвусмысленное истолкование любого измерения должно быть по существу выражено в терминах классических теорий, и мы можем сказать, что в этом смысле язык Ньютона и Максвелла останется языком физиков на все времена.

Я не думаю, что это подходящий случай для того, чтобы входить в дальнейшие подробности относительно этих проблем, и для того, чтобы обсуждать новые взгляды. Однако в заключение я с удовольствием отмечаю то громадное напряжение, с которым весь научный мир следит за исследованиями в совершенно новой области экспериментальной физики, а именно за исследованиями внутреннего строения ядра, которые сейчас проводятся в Максвелловской лаборатории под великим руководством теперешнего кавендишского профессора (Э. Резерфорда. — Ред.). В том факте, что никто и здесь, в Кембридже, не склонен забывать трудов Ньютона и Максвелла, мы видим, пожалуй, лучший залог непременного успеха этих попыток. Даже если мы должны быть готовы к дальнейшему отказу от ставших привычными физических представлений, основные понятия физики, которыми мы обязаны великим учителям, несомненно окажутся незаменимыми также и в этой новой области физики.

1932

37 ХИМИЯ И КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ СТРОЕНИЯ АТОМА ^{* 1}

^*Chemistry and Quantum Theory of Atomic Constitution. J. Chem. Soc., 1932, 134, 349-384.

¹ Данная статья, публикация которой задержалась по непредвиденным обстоятельствам, представляет собой переработку Фарадеевской лекции автора, план и основное содержание которой было сохранено, в то время как был добавлен ряд деталей, опущенных при чтении лекции. (Лекция прочитана в Химическом обществе 8 мая 1930 г. — Ред.).

С чувством глубокой признательности я принимаю любезное приглашение Химического общества прочитать эту лекцию в память о великом гении, которому мы обязаны столь большой частью общих основ, на которых базируется сегодня физика и химия. В самом деле, работы Фарадея могут рассматриваться как символ тесной связи этих наук, резкая граница между которыми теперь исчезает вследствие быстрого проникновения в атомную структуру материи. Своеобразная черта большого современного прогресса в этой области состоит не только в плодотворном взаимном влиянии химических и физических исследований; может даже казаться, что слияние образа мышления, с которым физики и химики подходят к изучению законов природы, является существенным для соответствующей оценки того положения, с которым столкнулось современное развитие атомной теории.

Ведущая идея в физической теории, несомненно, заключается в том, чтобы искать первопричину всех явлений природы в относительных смещениях материальных тел; в то же Время можно сказать, что предмет химии составляет изучение тех превращений веществ, которые не поддаются простому наглядному описанию в терминах смещений. Как известно, атомистические идеи возникли как раз в стремлении восполнить пробел в этих различных направлениях исследований. Таким образом, мне не нужно напоминать вам, что на современном этапе развития науки, существование атомов является более чем плодотворной гипотезой. Большое число физических и химических открытий дало нам прямые доказательства существования отдельных атомов и мы теперь обладаем несколькими методами определения числа молекул в каком-либо теле с большой точностью. Кроме того, благодаря великим английским первооткрывателям в области внутриатомных исследований, Джозефу Томсону и Резерфорду, мы даже получили детальную информацию относительно структуры атомов, что в значительной степени позволяет нам интерпретировать свойства химических элементов как следствие общих физических законов. Однако в то же самое время в этой новой области мы встретились со своеобразной недостаточностью обычных естественнонаучных идей, первым открытием которой мы обязаны признанному главе крупнейшей немецкой школы теоретической физики Максу Планку. В лекции, которую я имею честь и удовольствие прочитать, я попытаюсь показать в ретроспективном плане, как логически развивались фундаментальные идеи строения атома и как постепенно было признано, что высокая стабильность атомных структур, которая существенна для нашего анализа физических явлений, накладывает неизбежные ограничения на использование пространственно-временных представлений в объяснении атомных реакций. В самом деле, мы встречаемся здесь с иллюстрацией старой истины, что наша способность анализировать гармонию окружающего мира и широта его восприятия всегда будут находиться во взаимно исключающем, дополнительном соотношении.

*

В научной литературе столетий, следовавших после великого труда Ньютона, можно часто встретить выражение «механическая система естествознания», со ссылкой не только на блестящее объяснение астрономических фактов, но и на кинетическую теорию материи, которая позволила интерпретировать на основе атомистических идей законы термодинамики так же плодотворно, как и учение о химических реакциях. Если бы в наше время было использовано подобное всеобъемлющее выражение,

мы, наверно, могли бы говорить об «электромагнитной картине мира»; вследствие этого мы думали бы не только о впечатляющих структурах, построенных на открытиях Вольта, Эрстеда, Фарадея и Максвелла, что было существенно для современного развития техники, но и о революции в наших представлениях об атомных процессах, вызванной созданием электрической теории материи, для которой фундаментальное значение имело открытие элементарного кванта электричества. Как указывал Стоней в 1874 г. в своем адресе Британской ассоциации и особенно подчёркивал Гельмгольц в своей знаменитой Фарадеевской лекции 1881 г., это открытие может рассматриваться с точки зрения дальтоновской атомной теории химических соединений как непосредственное следствие фундаментальной работы Фарадея об электролитическом эквиваленте. Недостаток времени не позволяет мне останавливаться здесь на большом значении этого открытия для всей электрохимии и особенно для теории электролитической диссоциации, о развитии которой Аррениус в 1914 г. прочитал лекцию данному обществу. В электролизе мы можем проследить за движением ионов по переносу химического вещества; но ещё более тщательно свойства ионов были исследованы при разрядах в разреженных газах, в изучение которых существенный вклад внесли Крукс и Ленард. В самом деле, отклонение электрических лучей в разрядных трубках даёт нам возможность измерить отношение массы к заряду для отдельных ионов; как известно, такие измерения привели в конце прошлого столетия к эпохальному открытию электрона как универсальной составной части материи. Электрон несёт отрицательный заряд, равный элементарному заряду, и обладает очень малым отношением массы к заряду по сравнению с таким же отношением для ионов химических элементов в электролизе. Объединение идеи атомной природы электричества и общей теории электромагнетизма Максвелла было наиболее успешно выполнено в те годы Лоренцом и Лармором. Кроме того, Томсон сыграл ведущую роль не только в установлении фундаментального экспериментального доказательства, но также в решении проблемы электрической структуры вещества. Разработанный Томсоном остроумный метод оценки числа электронов в атомах, основанный на рассеянии рентгеновских лучей и на эффектах, сопровождающих проникновение быстро движущихся ионов через вещество, привёл его к приблизительно верным значениям числа электронов в атомах различных химических элементов. Конечно, немногие достижения произвели более сильное впечатление, чем попытка интерпретировать общую взаимосвязь между элементами, которую Томсон в 1904 г. сделал на основе этих результатов. В самом деле, это наиболее интригующим путём привлекло внимание физиков к замечательной точке зрения на центральную проблему строения атома, которая была поставлена в результате выявления специфической периодичности химических свойств элементов, расположенных по возрастающим атомным весам, о которой с таким энтузиазмом и предусмотрительностью говорил Менделеев в своей Фарадеевской лекции 1889 г.¹

¹ Эта лекция, прочитанная Д. И. Менделеевым в Chemical Society, была опубликована в кн.: Д. И. Менделеев. Два лондонских чтения, СПб., 1889, стр. 16. См. также: Д. И. Менделеев. Поли. собр. соч., 1937, т. 2, стр. 347. — Прим. ред.

В то время более детальному рассмотрению проблемы строения атома препятствовало игнорирование сил, с помощью которых отрицательно заряженные электроны удерживаются в атомах, или, иными словами, игнорирование распределения внутриатомного положительного электрического заряда. Однако решающий прогресс в этом направлении стал возможным благодаря поразительному открытию радиоактивности некоторых элементов, в истории которого замечательной вехой явилось выделение радия Марией Кюри. Это явление, которое явно контрастирует с обычными физическими и химическими свойствами вещества и сперва даже грозило опрокинуть общий закон сохранения энергии, нашло, как известно, ясное и полное объяснение в теории распада атома Резерфорда и Содди. Согласно этой теории, радиоактивность веществ обусловлена самопроизвольным распадом атомов, подчиняющимся простому вероятностному закону и совершенно не зависящим от физических и химических условий, в которых находятся атомы. В этой аудитории я не намерен говорить много слов, чтобы напоминать вам о беспримерном успехе, с которым Резерфорд с сотрудниками применили эта новые идеи к проблеме строения атома. В первое десятилетие века он создаёт совершенно новую отрасль физической и химической науки, которая включает в себя удивительные изменения свойств радиоактивных веществ, сопровождающие распад этих атомов; она включает также природу лучей, испускаемых при этих распадах и состоящих, как известно, частично из электромагнитного излучения (-лучи) и частично из быстрых электронов (-лучи) и положительно заряженных ионов (-лучи). Кроме того, результаты этих исследований в руках Резерфорда оказались мощным средством изучения внутриатомной структуры. Таким образом, тщательное изучение замечательного явления рассеяния -лучей на большие углы при прохождении через вещество привело его в 1911 г. к фундаментальному открытию, что положительный электрический заряд в атоме заключён в пределах так называемого ядра, размеры которого исключительно малы по сравнению с обычными размерами атома и в котором в то же время сосредоточена практически вся масса атома.

Немаловажным с химической точки зрения было то, что открытие Резерфорда имело решающее значение и в том, что впервые дало нам возможность однозначно различать между атомом и молекулой. Действительно, в то время как атом имеет только одно ядро, молекула представляет собой структуру, в которой два или более ядра входят как отдельные составные части. Таким образом мы сразу узнаем причину замечательной стабильности естественных элементов в противоположность химическим соединениям. В то время как разделение и перестановка различных составных частей атома достаточны для химических замещений, мы узнали, что осуществление старой цели алхимиков, а именно превращение элементов, заключает в себе радикальное изменение самого атомного ядра. Это — взрыв ядра, свидетелями которого мы являемся при самопроизвольном распаде радиоактивных элементов. В самом деле, после выбрасывания из ядра - или -частицы новое атомное ядро, которое остаётся, соответствует элементу с совершенно отличными физическими и химическими свойствами. В этой связи весьма поучительно отметить следующее. Резерфорд был в состоянии доказать, что гелий, возникающий при распаде радия и впервые наблюдавшийся Рамзеем и Содди, представляет собой прямой продукт превращения испускаемых -лучей в нейтральные атомы путём захвата двух электронов; таким образом -частицы были отождествлены с ядрами гелия. Как всем известно, первое искусственное превращение элементов было осуществлено примерно десять лет спустя Резерфордом, когда он открыл, что прохождение -лучей через вещество в некоторых случаях сопровождается порождением быстрых однозарядных положительных ионов, которые оказались ядрами водорода. Они испускаются из ядер бомбардируемых атомов; этот процесс приводит к образованию новых ядер, состоящих из остатков исходных ядер, с которыми могут соединяться в некоторых случаях налетающие -частицы.