По ту сторону кванта
Шрифт:
В ответ на это стремление в том же 1925 году возникла квантовая механика — наука о движении электронов в атоме. Её создало новое поколение физиков. По игре случая все они родились почти одновременно: Вернер Гейзенберг — в 1901, Поль Адриен Морис Дирак — в 1902, Вольфганг Паули — в 1900 году. Лишь немного старше их были Луи де Бройль и Эрвин Шрёдингер. Им выпало счастье записать образы и понятия атомной механики на языке формул. Как им это удалось — мы узнаем немного позже.
НИЛЬС ХЕНРИК ДЭВИД БОР (1885–1962)
По рисункам можно проследить эволюцию понятия «атом» от Демокрита до Бора. Эго очень поучительная история, которая всегда вызывает не только чувство уважения к известным и безвестным учёным, но главным образом —
Как и всякое истинно великое открытие, открытие Бора трудно сделать, но легко понять. Сила идей Бора в их недоказуемой простоте и доступности. В главной своей сути они понятны любому грамотному человеку. Бор дал образ, который позволял ориентироваться среди необычных понятий квантовой механики, образ, который стал символом нашего века. Если учесть к тому же, что при всей своей простоте образ этот верно отражает основные свойства атомов, то сразу станет ясна его исключительность.
Из ста физиков, взятых наугад, сегодня, пожалуй, только один или два читали знаменитые статьи Бора, напечатанные в 1913 году. Однако любой из них подробно объяснит идеи, которые в них изложены. А это означает, что сейчас идеи Бора уже не предмет науки, а необходимый элемент культуры — самое высшее, чего может достичь любая теория.
На склоне лет Нильс Бор приехал в нашу страну и посетил Грузию. В один из дней в долине Алазани он отдыхал с группой грузинских физиков. Неподалёку от них расположились крестьяне и по старинному обычаю во главе с тамадой пели песни и пили вино. Нильс Бор — человек не только великий, но и любознательный подошёл к ним и был принят с традиционным радушием. «Это знаменитый учёный Нильс Бор…» — начали объяснять физики. Но тамада жестом остановил их и, обращаясь к сотрапезникам, произнёс тост: «Друзья! К нам в гости приехал самый большой учёный мира профессор Нильс Бор. Он создал современную атомную физику. Его труды изучают школьники всех стран. Он приехал к нам из Дании, пожелаем же ему и его спутникам долгих лет жизни, счастья, крепкого здоровья. Пожелаем его стране мира и благополучия». Речь тамады тихо переводили Бору, и когда он кончил говорить, с земли поднялся старик, взял обеими руками руку Бора и бережно её поцеловал. Следом за ним поднялся другой горец, наполнил рог вином и, поклонившись Бору, осушил рог.
Нильс Бор всю жизнь провёл среди парадоксов квантовой механики, но даже его поразила реальность происходящего: он заплакал от удивления и благодарности.
ВОКРУГ КВАНТА
ОПЫТНОЕ ДОКАЗАТЕЛЬСТВО ПОСТУЛАТОВ БОРА
Опыт Франка и Герца, по существу, очень похож на опыт Кирхгофа и Бунзена, только атомы натрия в нём они заменили атомами ртути, а вместо луча направили на них пучок электронов, энергию которых они могли менять. При этом Франк и Герц наблюдали интересное явление: пока энергия электронов была произвольной — число электронов, прошедших через атомы ртути, было равно числу электронов исходного пучка. Когда же энергия их достигала определённой величины (в опытах она равнялась 4,9 электрон-вольта, или 7,84•10– 12 эрг), число электронов, прошедших ртуть, резко падало — они поглощались атомами ртути. Одновременно с этим в спектре паров ртути вспыхивала яркая фиолетовая линия с длиной волны = 2536 A, то есть с частотой = 1,18•1015 сек– 1. Энергию кванта с такой частотой легко вычислить — она равна E = h• = 6,62•10– 27•1,2•1015 = 7,82•10– 12 эрг, то есть почти точно равна затраченной энергии электрона. Очевидно,
Легко видеть, что наблюдаемая картина — прямое опытное доказательство обоих постулатов Бора: в атоме реально существуют стационарные состояния, и поэтому он не способен поглощать произвольные порции энергии. Переходы электрона между уровнями в атоме возможны только скачками, а частота излучаемых квантов определяется разностью энергии уровней и вычисляется по формуле Эйнштейна E = h•. Конечно, «легко видеть» это только сейчас, а в 1913 году даже сами Франк и Герц объяснили свой опыт совсем по-другому.
«КВАНТОВАНИЕ» СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ
Мы много раз сравнивали атом с солнечной системой, хотя и не придавали глубокого смысла этой аналогии. Тем более неожиданно, что солнечная система, как и атом, тоже подчиняется некоему «правилу квантования». Это правило не имеет ничего общего с квантовой механикой, но тем не менее любопытно, что расстояния планет от Солнца (как и радиусы орбит в атоме) меняются не беспорядочно, а подчиняются довольно строгому закону.
Факт этот был известен Иоганну Кеплеру, и ещё в молодости, много размышляя о «гармонии сфер», он пришёл к выводу, что в промежутках между сферами, построенными на орбитах планет, можно вписать пять правильных многогранников.
Профессор Даниэль Тициус в 1772 году выпустил в Бонне книгу «Созерцание природы», в которой привёл табличку расстояний от Солнца до планет в условных единицах (расстояние до ближайшей к Солнцу планеты Меркурий принято за 4).
Меркурий: 4 = 4;
Венера: 7 = 4 + 1•3;
Земля: 10 = 4 + 2•3;
Марс: 16 = 4 + 4•3;
Юпитер: 52 = 4 + 16•3;
Сатурн: 100 = 4 + 32•3.
Позднее прибавился
Уран: 196 = 4 + 64•3.
Впоследствии Боде уточнил закон Тициуса, приняв расстояние до Меркурия за 8 условных единиц и записав общую формулу для планетных расстояний в виде:
R = 8 + 3•2n
где n = 0, 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8
Замечательно, что в приведённой схеме нет планеты с номером n = 5, которая должна была бы помещаться между Марсом и Юпитером. Но как раз в этом месте расположен пояс астероидов — малых планет. По мнению астрономов, это осколки некогда существовавшей большой планеты Фаэтон.
Закон Тициуса и Боде ещё до конца не понят, хотя существует несколько его доказательств (одно из них принадлежит советскому учёному Отто Юльевичу Шмидту). По-видимому, полное объяснение закону будет найдено вместе с разгадкой происхождения нашей солнечной системы.
ГЛАВА ПЯТАЯ
Представьте, что вы решили изучить жизнь клетки. Вы ставите над нею всевозможные опыты: нагреваете, облучаете, разрушаете и тщательно рассматриваете в микроскоп. Однако все ваши знания о ней будут неполны, пока вы не вспомните, что клетка — это часть живого организма и только в нём проявляет всю полноту своих свойств.
Нечто похожее произошло и в науке об атоме. До сих пор мы намеренно пытались изолировать атом и отбирали только те опыты, которые могут прояснить свойства отдельного атома. Однако задолго до всех этих опытов, которые доказали сложную структуру атома, Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907) установил, что атомы различных элементов образуют единый организм — естественную систему элементов.