Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство

Этого было достаточно для объяснения устройства и устойчивости атома Резерфорда и для объяснения строения оптических спектров атомов.

Таково начало эпохи квантовой физики.

…Когда Бор второй раз приехал в Манчестерский университет к Резерфорду, там уже год работал выпускник Оксфорда Генри Мозли. Он исследовал спектры рентгеновских лучей, испускаемых различными веществами. Получал то, что называют рентгеновскими спектрами. Уже в следующем году он выявил закон, обессмертивший его имя.

Исследуя рентгеновские спектры химических элементов, он обнаружил связь между частотой спектральных линий рентгеновского излучения исследуемого элемента с его порядковым номером в таблице Менделеева. Этот закон имел большое значение для подтверждения периодического закона химических элементов и установления физического смысла атомного номера элемента.

Свою замечательную работу Мозли выполнил всего за один год. Он не смог пойти дальше — грянула мировая война, он был мобилизован в английскую армию и убит в августе 1915 года в возрасте 27 лет. Но он успел сделать достаточно, чтобы остаться в истории науки.

Бор писал об открытии Мозли: «Этот закон сразу же дал не только убедительное доказательство в пользу атомной модели Резерфорда, но вместе с тем обнаружил потрясающую интуицию Менделеева, который в определенных местах своей таблицы отошел от правильной последовательности возрастания атомных весов».

Резерфорд писал об этой работе: «Открытие Мозли составляет эпоху в истории наших знаний об элементах, оно раз и навсегда закрепляет правильный порядок элементов… от водорода до самого тяжелого элемента — урана».

Работа Мозли имела продолжение, об этом речь впереди.

Колдовство

Идеи Бора воодушевили многих ученых на поиски законов, правящих в микромире атома. Среди них были теоретики американец Чарлз Томсон Рис Вильсон (Нобелевская премия 1927 года за камеру Вильсона для наблюдения космических лучей) и немец Арнольд Иоганн Вильгельм Зоммерфельд, ставший членом многих академий наук.

Их чрезвычайно заинтересовали квантовые числа, предложенные Бором. Казалось бы, Бор использовал формальный прием. Он «перенумеровал» орбиты электронов в атоме, приписав им простые целые числа. Так в науку впервые вошли квантовые числа, характеризующие строение атома.

В действительности этот шаг оказался отнюдь не формальным. В этом убедились прежде всего Вильсон и Зоммерфельд. Они принялись почти одновременно — в 1916 году — на основе модели атома Бора рассчитывать спектры атомов веществ, и прежде всего атома водорода. Поначалу они потерпели фиаско — не получили обещанного Бором оптического спектра водорода. Тем более не удалось рассчитать спектры более сложных атомов. Что же это значило? Неувязка, простая математическая оплошность или трагедия квантовых идей?

Правильно ли они «читают» оптические спектры? Правильно ли учитывают боровские квантовые числа?

Зоммерфельд был одним из тех тонких исследователей, о которых принято говорить, что природа наделила их верной интуицией.

Вначале он был бескомпромиссно предан взглядам Бора, принял их, как видно, полностью, без критики.

Но во всем ли Бор безупречен? Не вкрались ли в постановку задачи ошибки?

Бор считал орбиты электронов в атомах круговыми. Тут он был прямым последователем Коперника, который тоже представлял себе орбиты планет кругами. И ошибался, как мы теперь знаем. Это понял Кеплер. Он смог объяснить тонкие эффекты планетных движений, лишь предположив, что планеты движутся не по окружностям, а по эллипсам.

Обдумывая расхождения между расчетами Бора и спектром водорода, полученным из опыта, Зоммерфельд словно заразился сомнениями Кеплера. И он поначалу исходил из уверенности Бора: орбиты электронов в атоме круговые. Но это привело его к противоречию с опытом. Итак, может быть, они, как и орбиты планет, эллиптические? Может быть, электроны движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых расположено ядро атома? Зоммерфельд, идя по стопам Бора, пошел дальше. Он придал новый смысл квантовому числу. Пусть оно фиксирует не радиус, а среднее расстояние от ядра, вокруг которого электрон движется по эллиптической орбите. Проверка, размышления. Совпадения со спектральными данными не было! И Зоммерфельд вводит еще одно, новое квантовое число — для обозначения угла, характеризующего направление от ядра к электрону. Снова расхождения. Зоммерфельд был вынужден предположить, что плоскость, в которой лежит оптическая орбита электрона, наклонена к некоторой экваториальной плоскости. Он характеризовал такой наклон еще одним, «экваториальным» пантовым числом.

Введя свои квантовые числа, Зоммерфельд назвал боровские квантовые числа главными, а свои — одно «азимутальным», а другое, как мы знаем, «экваториальным».

Позже Зоммерфельд напишет: «Это пространственное квантование несомненно относится к поразительным результатам теории. По простоте вывода и результатов оно выглядит почти как колдовство».