Избранные научные труды
Шрифт:
В конце этой лекции мы обсудим перспективы, вытекающие из этих последних достижений, которые открыли новую эпоху в науке. Однако, чтобы не отклоняться от нашей темы, мы вернёмся к тому времени, когда формировались основные идеи электрического строения атома. Для каждого, кто подобно мне имел счастье посещать физические лаборатории в Кембридже и Манчестере примерно двадцать лет назад и работать под вдохновляющим руководством крупнейших учёных, останется незабываемым то, что мы почти каждый день были свидетелями открытия до того времени неизвестных свойств природы. Я помню, как если бы это было вчера, с каким энтузиазмом новые перспективы всей физической и химической науки, открывавшиеся в результате установления существования атомного ядра, обсуждались весной 1912 г. среди учеников Резерфорда. Прежде всего мы отдавали себе отчёт в том, что локализация положительного электрического заряда атома в области практически бесконечно малых размеров делает возможным сильное упрощение классификации свойств материи. Действительно, она позволяла сделать далеко идущее различие между такими свойствами атомов, которые полностью определяются зарядом и массой его ядра, и свойствами, которые зависят непосредственно от его внутреннего строения. Типичным свойством этого последнего класса является радиоактивность, которая согласно всем экспериментальным данным не зависит от физических и химических условий. С другой стороны, обычные физические и химические свойства материи зависят, в первую очередь, от полного заряда и массы атома, так же как и от конфигурации электронной оболочки, окружающей ядро, которая ответственна за реакцию атома на внешние воздействия. Кроме того, следует ожидать, что для изолированного атома эта электронная конфигурация должна почти полностью зависеть от заряда ядра и очень мало от его массы; при этом масса ядра так велика по сравнению с массой электрона, что движением ядра по сравнению с движением электронов в первом приближении можно пренебречь. Эти простые
Первое доказательство этого было получено несколько лет назад благодаря открытию Болтвудом иония 1, который химическим путём невозможно отделить от тория и который обладает оптическим спектром, неотличимым от спектра тория, как было показано в то же самое время экспериментами Рессела и Росси в лаборатории Резерфорда. Такие два элемента, которые, очевидно, имеют одинаковые заряды ядер, занимают одну и ту же клетку периодической таблицы и называются изотопами по предложению Содди, благодаря обширным исследованиям которого химических свойств радиоактивных элементов в предшествующие годы было понято общее значение явления изотопии. Тесная связь между периодической таблицей и зарядом ядра, о которой мы скоро будем говорить, вела к дальнейшим перспективам относительно связи между радиоактивностью и химическими свойствами, которая была подтверждена исследованиями Хевеши и Рессела в Манчестере. Полное согласование экспериментального материала в этой области было вскоре получено, как известно, в формулировке так называемого закона смещения, согласно которому -распад сопровождается переходом элемента в клетку периодической таблицы с номером на две единицы меньшим, а -распад — переходом в клетку с номером на единицу больше. В соответствии с этим законом особенно поучительный случай изотопии имеет место для двух членов радиоактивного семейства, между которыми осуществляется одно превращение с испусканием -частицы и два — с испусканием -частицы. В самом деле, равенство зарядов ядер двух таких элементов следует сразу, если учесть, что в таком тройном процессе ядро теряет два отрицательно заряженных электрона и -частицу с двойным положительным зарядом. Это подтверждение рассматриваемых воззрений тем более интересно, поскольку окончательное установление общего закона смещения Фаянса и Содди в 1913 г. было совершенно независимым от развития обсуждавшихся здесь идей строения атома. Как мы теперь знаем из остроумного усовершенствования Астоном анализа ионных лучей, предложенного Томсоном, существование изотопов не ограничивается радиоактивными элементами; почти все обычные химические элементы представляют собой смесь изотопов с различными атомными массами. Таким образом, обычные атомные веса есть средние значения, имеющие второстепенное значение по сравнению с обычными химическими свойствами. Кроме того, открытие Астона, заключающееся в том, что все массы атомов очень близки к целым кратным массы атома водорода, сделало ясным, что ядро любого атома построено из электронов и ядер водорода. В самом деле, мы нашли здесь интересное возрождение идей Праута, которые сто лет назад вызвали так много дискуссий среди химиков.
1 Изотоп тория с массовым числом 230. — Прим. ред.
Осознание того, что электрон и ядро атома водорода, названное «протоном», образуют исходные единицы атомной структуры, открывает перед нами перспективу чисто электрической природы материи. До сих пор, как мы видели, интерпретация основной массы физических и химических опытных данных не зависела от проблемы внутреннего строения атомных ядер, имеющей специфические стороны, которые будут обсуждаться ниже. При этой интерпретации ядро достаточно рассматривать как заряженную материальную точку; и мы касались только проблемы конфигурации внеядерных электронов, число которых в нейтральном атоме, конечно, определяется зарядом ядра. Так, первый элемент в периодической таблице, а именно водород, содержит один электрон в атоме, а второй элемент, гелий, содержит два внеядерных электрона. Поэтому из общих идей Томсона относительно соотношения между числом электронов и периодической таблицей было неизбежным обобщение, состоящее в том, что для любого элемента число внеядерных электронов в нейтральном атоме определяется целым числом, так называемым атомным номером, который определяет положение элемента в периодической таблице, часто называемой «естественной системой элементов». Эта точка зрения находилась в очевидном соответствии с законом радиоактивного смещения и согласовалась в пределах экспериментальных ошибок с первоначальной резерфордовской оценкой заряда ядра, полученной из измерений Гейгера и Мерсдена рассеяния -лучей. Затем это было непосредственно подтверждено более точными измерениями Чэдвика этого рассеяния, так же как и обновлёнными исследованиями рассеяния рентгеновских лучей в веществе, интерпретируемого на основе знаменитой формулы Томсона. Экспериментальное доказательство этого фундаментального пункта получило необычайно сильное подтверждение главным образом благодаря блестящим исследованиям Мозли характеристических рентгеновских спектров элементов. Резюмируя, мы можем сказать, что в отношении согласования всех обычных свойств вещества резерфордовская модель атома поставила перед нами задачу, напоминающую старую мечту философов: свести интерпретацию законов природы к рассмотрению только чисел.
*
Однако, начиная работу по этой интересной программе, сразу сталкиваемся с трудностями чрезвычайно серьёзного характера, которые па первый взгляд казались фатальными для всей концепции электрического строения атома. В самом деле, согласно классическим теориям, никакая система заряженных материальных точек не будет обладать стабильностью, которая должна быть приписана структуре атома, чтобы объяснять химические и физические свойства вещества. Такие системы не будут иметь статических состояний устойчивого равновесия в обычном механическом смысле; требуемым условиям не будет удовлетворять также любое динамическое состояние. Даже в простейшем случае атома, состоящего из положительно заряженного ядра и одного электрона, это совершенно очевидно. Верно, что, согласно механике Ньютона, две частицы, притягивающиеся в соответствии с законом Кулона, будут двигаться по кеплеровскому эллипсу вокруг их общего центра тяжести. Но это решение, которое удовлетворительно объясняет устойчивость движений планет, даёт возможность понять, почему электрон и протон образуют атом с соответствующими химическими свойствами и характерным линейчатым спектром водорода. Без каких-либо теоретических рассуждений о происхождении солнечной системы ясно, что размеры земной орбиты и продолжительность года существенно определяются начальными условиями и могут каждый день меняться при столкновениях с метеоритами. С другой стороны, определённость атома водорода при самых различных условиях весьма впечатляюще проявляется в отождествлении спектральных линий излучения далёких звёзд со спектром водорода, полученным в обычных разрядных трубках. Если мы глубже вникаем в происхождение этого спектра, положение становится ещё хуже. Действительно, само испускание лучистой энергии атомом будет сопровождаться, согласно обычным электромагнитным представлениям, постепенным уменьшением размеров электронной орбиты и периода обращения; такой процесс сделает невозможным появление резких монохроматических спектральных линий и в конечном счёте приведёт к соединению электрона и протона в некоторую нейтральную систему с линейными размерами, чрезвычайно малыми по сравнению с размерами реальных атомов. Подобные замечания, очевидно, справедливы для любой атомной системы рассматриваемого типа. В самом деле, из обычной механики и электродинамики невозможно вывести никаких аргументов, которые позволяют объяснить, почему электрические составные части атома не нейтрализуют друг друга путём, который мог быть катастрофическим для стабильности материальных тел.
Ясно, что требовалась совершенно новая идея, прежде чем открытия элементарных электрических частиц могли бы быть должным образом использованы в интерпретации общих свойств материи. Однако в поисках такой идеи не нужно было смотреть далеко. Ключ к преодолению этих трудностей дало фундаментальное открытие Планком элементарного кванта действия, который особенно в руках Эйнштейна уже оказался столь плодотворным в деле согласования физических эмпирических данных самого различного рода. Действительно, это открытие обнаружило новую черту атомизма в законах природы, совершенно чуждую классическим идеям физики и в некотором смысле даже в большей степени, чем атомная природа электричества. Конечно, не может быть дано никакого основанного на общей электромагнитной теории объяснения существованию элементарного кванта электричества и конкретным значениям масс электрона и протона; но следует помнить, что измерения заряда и массы этих частиц опираются на экспериментальные факты, которые допускают недвусмысленную интерпретацию на основе классических идей. Однако нельзя дать никакого обоснования существованию кванта действия, которое не содержало бы радикального отхода от обычных физических принципов. Определение универсальной постоянной Планка, конечно, также основано на классически определённых измерениях, но — в противоположность случаю заряда и массы электрона — выводу кванта действия из этих измерений не может быть дано никакое разумное толкование в терминах электромагнитной теории. Область однозначной применимости классических понятий ограничивается процессами, в которых механическое действие велико по сравнению с этим квантом, как в экспериментах с отклонением пучков заряженных частиц; недостаточность этих идей для объяснения реакций атомов обусловлена как
Уже в годы, предшествовавшие установлению ядерной модели атома, вопрос о перенесении открытия Планка на проблемы строения атома обсуждался с разных сторон и навёл на мысль о приближённых соотношениях между атомными константами. Однако прежние атомные модели, которые конструировались с точки зрения механической устойчивости, очевидно, были непригодны для удовлетворительной интерпретации специфических свойств элементов, и, поскольку эти модели сами по себе были полностью определены в отношении размеров и частот, введение кванта действия не означало решающего улучшения в этом смысле. Открытие Резерфорда совершенно изменило ситуацию. В самом деле, очевидная недостаточность простых механических идей для интерпретации атомной стабильности не только делала неизбежным радикальный отход от классических принципов, но в то же время оставляла достаточную свободу для использования того руководящего принципа, который выдвигался прямым доказательством физических и химических свойств элементов. Подходящую основу для использования этого обоснования я нашёл в двух простых «постулатах». Согласно первому из них, любое определённое изменение состояния какого-либо атома должно рассматриваться как элементарный процесс, заключающийся в полном переходе атома из одного из своих так называемых стационарных состояний в другое. С одной стороны, этот постулат представляет собой не больше, чем явную формулировку замечательной стабильности атомной структуры, вскрытой общими химическими фактами. С другой стороны, на него непосредственно указывало существование кванта действия. Идея элементарного характера процессов перехода не только связана непосредственно с существенной неделимостью кванта, но и позволяет сразу же использовать известное соотношение Планка между энергией и частотой отдельного процесса излучения как основы для простой интерпретации фундаментального закона спектров, так называемого комбинационного принципа. Этот принцип, установленный в замечательных исследованиях Бальмера, Ридберга и Ритца, утверждает, что частота какой-либо спектральной линии может быть записана как разность двух термов, принадлежащих к системе термов, которая является характеристикой рассматриваемого спектра. Допуская, что эти термы, умноженные на квант действия, численно равны энергиям стационарных состояний атома, мы в самом деле видим, что комбинационный принцип эквивалентен второму постулату; согласно последнему, излучение, испущенное или поглощённое во время процесса перехода, является существенно монохроматическим и обладает частотой, равной разности энергий двух состояний, делённой на постоянную Планка.
Этот взгляд на природу спектральных линий находится в очевидном согласии с эйнштейновским законом фотохимического эквивалента и влечёт за собой условия появления спектров в тесной связи с химическим состоянием рассматриваемого вещества. В самом деле, кажущееся непостоянство появления линий в спектрах испускания и поглощения полностью объясняется в соответствии с законом Кирхгофа, если принять во внимание, что испускание спектральной линии, соответствующей данному переходу между двумя стационарными состояниями, предполагает наличие атома в состоянии с более высокой энергией, тогда как условием поглощения является нахождение атома в состоянии с более низкой энергией. Обращение отдельных атомных процессов, с которыми мы здесь имеем дело, особенно поучительно, поскольку указанные процессы перехода являются существенно элементарными и находятся вне сферы обычной механической обратимости. Действительно согласно интерпретации комбинационного принципа, атом в стационарном состоянии будет, как правило, иметь выбор между рядом различных переходов в другие стационарные состояния, и наличие этих элементарных процессов несомненно является вопросом априорной вероятности. Шаг огромного значения, касающийся формулировки вероятностных законов для процессов излучения, был сделан, как известно, Эйнштейном в 1916 г., когда на основе упомянутых выше постулатов он дал ясный вывод планковского закона излучения абсолютно чёрного тела. Ещё более прямое подтверждение этих постулатов было получено несколькими годами раньше в известных экспериментах Франка и Герца по столкновениям между атомами и свободными электронами. Они нашли, в полном согласии с предсказаниями теории, что отсутствие обмена энергией между атомом и электроном возможно до тех пор, пока результатом столкновения не будет переход атома из его нормального состояния в другое стационарное состояние с более высокой энергией. Обсуждаемые процессы столкновения, безусловно, могут рассматриваться как химические реакции особенно простого типа, в результате которых атом переводится из его начального неактивного состояния в так называемое возбуждённое состояние, из которого он в общем случае возвращается в исходное состояние путём одного или нескольких шагов с испусканием излучения. Однако для теории химических реакций особое значение имеет то, что атом может возвращаться в свое нормальное состояние также и в результате безрадиационного процесса, при котором энергия активации передаётся путём столкновения со свободным электроном и с другим атомом в форме кинетической или химической энергии. На возможность подобных так называемых обратных столкновений впервые указали Клейн и Росселанд из рассмотрения теплового равновесия; важность этих процессов в химических реакциях наиболее поучительным образом показана недавними исследованиями Франка и его сотрудников.
*
Обсуждавшаяся до сих пор связь между атомной стабильностью и квантом действия является совершенно общей и лишь косвенно связана с моделью атома. Ввиду противоречия между постулатами, которые являются предметом нашего обсуждения, и обычными идеями механики и электродинамики, на которых базируется определение заряда и массы составных частей атома, ясно, что эти идеи могут иметь лишь ограниченную применимость для непосредственной разработки проблемы строения атома. Надлежащая основа детальной трактовки этой проблемы фактически была установлена в последние несколько лет благодаря развитию последовательной квантовой механики, которая разумно объединяет в себе эти два фундаментальных постулата.
Однако в прямой связи с формулировкой этих постулатов можно было сделать первый шаг в направлении реализации упомянутой выше программы — интерпретировать специфические свойства химических элементов и их взаимоотношения на основе ядерной модели атома. Исходный пункт такой интерпретации был дан благодаря исключительной простоте спектра водорода. Согласно известной формуле Бальмера, этот спектр может быть получен из одной последовательности термов, каждый из которых равен постоянной, делённой на квадрат некоторого целого числа, так называемого номера терма. Итак, в соответствии с толкованием комбинационного принципа можно считать, что каждый спектральный терм, умноженный на постоянную Планка, представляет собой, для соответствующего стационарного состояния атома, работу, необходимую для удаления электрона на бесконечное расстояние от протона. Таким образом, система термов водорода даёт ценную информацию об образовании атома путём связывания электрона с протоном через ступенчатый процесс. Согласно идеям обычной механики, ступени в этом процессе связывания должны были бы изображаться последовательностью электронных орбит, большие оси которых и частоты обращения по которым пропорциональны соответственно квадрату и обратному кубу номера терма в соответствии с законами Кеплера. Полученные таким образом значения размеров орбиты и частоты в нормальном состоянии, с номером терма 1, действительно имеют тот же порядок величины, что и полученные из классической интерпретации механических и оптических свойств газов значения диаметров атомов и частот. Тем не менее, поскольку эта интерпретация находится в противоречии с представлениями рассматриваемой атомной стабильности, такое сравнение, конечно, может иметь только приближённый характер.
Количественная связь между механической картиной стационарных состояний и действительными свойствами атома водорода существует благодаря тому обстоятельству, что относительные разности между последовательными значениями размеров орбит и частот стремятся к нулю с возрастанием номера терма. В самом деле, мы видим здесь, как идея обычной механики о непрерывном изменении орбитальных характеристик выступает как предельный случай; мы будем ожидать, что общие понятия электродинамики будут постепенно приобретать полное оправдание в этом пределе, поскольку можно пренебречь элементарным характером индивидуальных процессов перехода. Из этих так называемых соображений соответствия следует, что излучение, испущенное во время предельных стадий процесса связывания, может быть количественно описано на основе классических идей. В частности, спектральные частоты, вычисленные из возможных процессов перехода на базе обсуждаемых постулатов, должны на этих стадиях иметь тенденцию к совпадению с частотами гармонических компонент, с помощью которых может быть проанализировано в рамках классической теории излучение движущегося по орбите электрона. Однако простое вычисление показывает, что это условие эквивалентно существованию определённого соотношения, выражающего константу в формуле Бальмера через заряд и массу электрона и постоянную Планка. Это соотношение было убедительно подкреплено имевшимися тогда эмпирическими значениями этих величии и было полностью подтверждено точными измерениями Милликена, как это описано, например, в его Фарадеевской лекции 1924 г.