Избранные научные труды
Шрифт:
УСТОЙЧИВОСТЬ АТОМНОЙ СТРУКТУРЫ
Упомянутые нами проблемы представляют непосредственное применение правил квантования. Но в задаче о строении атомов с несколькими электронами мы встречаемся с таким случаем, когда общее решение механической проблемы не обладает периодическими свойствами, которые представляются необходимыми для механического изображения стационарных состояний. Однако естественно напрашивается мысль, что это дальнейшее ограничение применимости механических образов к изучению свойств атомов с несколькими электронами, по сравнению с атомами, содержащими по одному электрону, непосредственно связано с постулатом об устойчивости стационарных состояний. Действительно, взаимодействие электронов в атоме представляет задачу, аналогичную задаче о столкновении между атомом и свободным электроном. Подобно тому, как нельзя дать никакого механического объяснения устойчивости атома при таком столкновении, также приходится допустить при всяком описании стационарных состояний атома, что при
Эта точка зрения находится в согласии со спектроскопическими данными. Одним из важнейших данных этого рода является тот установленный Ридбергом факт, что в эмпирические формулы для сериальных спектров всех элементов входит такая же постоянная, как в формуле Бальмера, несмотря на более сложное строение спектра различных элементов по сравнению со спектром водорода. Это открытие получает простое объяснение, если видеть в сериальных спектрах отражение процесса присоединения электрона к атому, причём электрон связывается шаг за шагом всё сильнее, и испускания излучения. Характер связи других электронов остаётся в это время неизменным, а постепенное усиление связи данного электрона происходит на орбитах, которые сначала велики по сравнению с обычными размерами атома, а затем становятся всё меньше и меньше, пока не будет достигнуто нормальное состояние атома. В том случае, когда атом обладает одним положительным зарядом перед захватом электрона, притяжение электрона остальной частью атома имеет с этой точки зрения большое сходство с взаимным притяжением частей водородного атома. Отсюда понятно, почему спектральные термы, представляющие связывание электронов, обнаруживают асимптотическое совпадение с термами спектра атома водорода. Таким же путём можно получить непосредственное объяснение той общей зависимости сериальных спектров от состояния ионизации атома, которая была установлена замечательными работами Фаулера и Пашена.
Характерные указания на тот способ, каким связаны электроны в атоме, даёт изучение рентгеновских спектров. С одной стороны, сделанное Мозли фундаментальное открытие поразительного сходства между рентгеновским спектром элемента и спектром, соответствующим связыванию единственного электрона ядром, может быть легко объяснено, если принять во внимание, что внутри атома влияние ядра на природу связи каждого отдельного электрона значительно превосходит взаимное влияние электронов. С другой стороны, рентгеновские спектры обнаруживают характерное отличие от сериальных спектров. Это отличие объясняется тем обстоятельством, что в рентгеновском спектре мы не встречаемся со связыванием нового присоединяющегося электрона, а с перестройкой остающихся электронов после удаления одного из электронов, который раньше был связан. Благодаря этому обстоятельству, которое особенно отмечалось Косселем, удалось пролить свет на новые важные стороны вопроса об устойчивости атомной структуры.
АНАЛИЗ СПЕКТРОВ
Для объяснения детального строения спектров необходимо, конечно, подробно изучить взаимодействие между электронами внутри атома. При разработке этой проблемы приходится отступить от строгого применения механики. Каждому электрону приписывается движение с такого рода периодическими свойствами, чтобы возможно было произвести классификацию спектральных термов при помощи квантовых чисел. В работах Зоммерфельда значительное число спектральных закономерностей получило таким путём простое истолкование. Кроме того, эти соображения открыли широкое поле для применения принципа соответствия. Действительно, с их помощью удалось объяснить некоторые ограничения среди возможных комбинаций спектральных термов, так называемые правила отбора.
На этом пути в последнее время удалось на основании данных о сериальных спектрах, а также о рентгеновских спектрах вывести заключения о группировании электронов в нормальном состоянии атома. Это группирование даёт объяснение основным особенностям периодической системы элементов в согласии с идеями, о химической активности атомов, разработанными Дж. Дж. Томсоном, Косселем и Льюисом. Успехи в этой области тесно связаны в последнее время с накоплением новых спектроскопических данных. Немалую роль сыграли исследования Лаймана и Милликена, благодаря которым был переброшен мост через пропасть между оптическими спектрами и областью рентгеновских лучей. В последней области достигнуты большие успехи благодаря трудам Зигбана и его сотрудников. Необходимо также упомянуть работу Костера о рентгеновских спектрах тяжёлых элементов, которая в значительной мере способствовала разъяснению основных черт периодической системы.
Однако изучение тонких деталей спектров обнаружило такие особенности, которые не удалось объяснить при помощи механических представлений на основании теории периодических систем. Сюда относится, например, мультиплетная структура спектральных линий и влияние на неё магнитного поля. Явление это, известное под названием аномального эффекта Зеемана, представляет, как мы уже упоминали, серьёзные затруднения для классической теории. Правда, она укладывается в схему основных постулатов теории квантов. Как показал Ланде, частоты компонент, на которые расщепляется каждая спектральная линия под влиянием поля, могут быть представлены в
Однако анализ, произведённый Ланде, обнаружил странное различие между взаимодействием электронов в атоме и связью механических систем. Действительно, приходится допустить, что взаимодействие электронов в атоме связано с «некоторым натяжением», которое не поддаётся механическому описанию и не представляет однозначного соответствия с квантовыми числами на основании механических представлений 1. В обсуждении этой проблемы существенную роль сыграло установленное Эренфестом общее условие термодинамического равновесия. В применении к теории квантов это условие указывает, что статистический «вес», присущий стационарному состоянию, не изменяется при непрерывном преобразовании атомной системы. Недавно было установлено, что это же условие приводит, даже для атомов с одним только электроном, к таким затруднениям, которые указывают на необходимость ограничить пределы применимости теории периодических систем. Действительно, задача о движении точечных зарядов допускает некоторые сингулярные решения, которые должны быть исключены из совокупности стационарных состояний. Это исключение искусственно ограничивает правила квантования, но не находится в очевидном противоречии с опытными данными. Особенно серьёзные затруднения выплыли на свет благодаря интересному исследованию проблемы водородного атома в пересекающихся электрическом и магнитном полях, выполненному Клейном 2 и Ленцом 3. В этом случае оказалось невозможным удовлетворить условию Эренфеста, так как соответствующее видоизменение внешних сил может постепенно преобразовать орбиты, описывающие стационарные состояния и не подлежащие исключению из таких состояний, в такого рода орбиты, двигаясь по которым электрон падает на ядро.
1 Ср. статью автора (Ann. d. Phys., 1923, 71, 228), которая содержит обзор результатов, относящихся к объяснению спектральных данных на основании механических представлений о стационарных состояниях. В этой статье имеются подробные ссылки на литературу; поэтому мы ограничиваемся здесь ссылками на работы, которые появились в последующее время.
2 О. Klein. Zs. f. Phys., 1924, 22, 109.
3 W. Lenz. Zs. f. Phys., 1924, 24, 197.
Несмотря на эти затруднения, анализ тонких деталей спектра значительно продвинул вперёд квантовое истолкование законов о взаимоотношении между элементами. В работах Довийе 4, Мэйн-Смита 5 и Стонера 6 разработаны на основании различных опытных данных представления теории квантов о группировании электронов в атомах. Несмотря на формальный характер этих соображений, они обнаруживают тесную связь со спектральными закономерностями, раскрытыми в исследованиях Ланде. В этом направлении были в последнее время достигнуты значительные успехи, в особенности Паули 1. Несмотря на то, что эти результаты представляют собой значительный шаг вперёд на пути к выполнению намеченной выше программы (объяснение свойств элементов исключительно на основании атомного номера), они не дают всё же однозначного соответствия с механическими представлениями.
4 A. Dauvillier. Compt. Rend., 1924, 177, 476.
5 J. D. Main Smith. J. Chem. Ind., 1925, 44, 944.
6 E. C. Stoner. Phil. Mag., 1924, 48, 719.
1 W. Pauli, jr. Zs. f. Phys., 1925, 76, 31; cp. также: H. Russell and F. A. Saunders. Astrophys. Journ., 1925, 61, 38; S. Goudsmit. Zs. f. Phys., 1925, 32, 794; W. Heisenberg. Zs. f. Phys., 1925, 32, 841; F. Hund. Zs. f. Phys., 1925, 33, 345; 1925, 34, 296.
ТЕОРИЯ КВАНТОВ И ОПТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
Новая эпоха в развитии теории квантов началась в последнее время благодаря более глубокому изучению оптических явлений. Вначале, как мы уже упомянули, классическая теория достигла значительных успехов в этой области, в то время как постулаты не давали ключа для прямого решения. Правда, на основании опытов можно было заключить, что освещённый атом производит рассеяние света, аналогичное по существу с тем рассеянием, которое согласно классической теории производится упруго связанными электрическими частицами. Частоты собственных колебаний этих частиц равны частотам, соответствующим переходам, которые атом может совершать под влиянием внешнего излучения. Действительно, согласно классической теории такие гармонические осцилляторы испускали бы под влиянием возбуждения излучение такого же свойства, как и атом, перешедший в более высокое стационарное состояние.