Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство

Стонер сумел проследить, как из спектров атомов с необходимостью вытекает порядок распределения электронов орбитам, начиная от простейшего атома водорода, имеющего один электрон, к сложным многоэлектронным атомам. В 1924 году в статье «Распределение электронов по атомным уровням» он показал соответствие между рентгеновскими спектрами элементов и квантовыми числами Бора и Зоммерфельда.

Стонер пишет: «Электроны могут входить в группу (группами он называл электронные оболочки) до тех пор, пока не будут заняты все возможные (для этой оболочки) орбиты, и тогда атом будет обладать симметричной структурой.

Работа Стонера послужила в определенном смысле завершением работы Менделеева по выявлению связи физических и химических свойств атомов с их взаимным расположением в периодической системе элементов. Запомним: химические свойства элементов определяются количеством электронов во внешней оболочке атома. Внутренние оболочки иногда влияют на химические свойства, но гораздо слабее, чем электроны внешней оболочки.

Теперь в каждой из клеток периодической системы элементов можно было просто нарисовать схему расположения электронных орбит, которые группируются в оболочки, соответствующие периодам таблицы Менделеева. Вопрос о том, как устроены атомы и как их устройство связано с их свойствами, казался выясненным окончательно.

За кулисами периодического закона

Истинным ученым ни один шаг не кажется последним. Прозрачная ясность схемы Стонера неизбежно породила вопрос: почему заполнение электронных оболочек происходит именно так, а не иначе? Что стоит за периодическим законом, на чем основан этот закон?

Уже в марте 1925 года немецкий физик-теоретик Вольфганг Паули ответил на этот вопрос. Ответил введением постулата, ставшего затем одним из фундаментов квантовой физики. Этот постулат известен теперь как «принцип запрета» Паули.

Незадолго до того, анализируя с квантовой точки зрения влияние внешнего магнитного поля на спектр атомов, Паули пришел к любопытному выводу. Он решил, что все известные результаты такого воздействия (открытые голландцем Питером Зееманом, получившим в 1902 году Нобелевскую премию), включая воздействие сильных магнитных полей, можно объяснить. Для этого надо допустить ситуацию, которую нельзя описать классически. Как видно, электрон обладает неизвестной до того своеобразной двузначностью квантовых свойств.

В статье «О связи заполнения электронных групп в атоме со сложной структурой спектров» Паули опирается на результаты Стонера и на обнаруженную им самим двузначность квантовых свойств электрона. Для того чтобы упростить рассуждения, Паули отмечает, что при использовании трех квантовых чисел приходится признать, что в атоме, неподвергаемом внешним воздействиям, могут существовать группы орбит электронов, для которых энергии электронов одинаковы. Такие «групповые» состояния он называл вырожденными. Воздействие магнитного поля, в соответствии с наблюдениями Зеемана, выявляет отдельные орбиты, образующие группу. Для того чтобы разобраться в этом, достаточно ввести помимо трех квантовых чисел Зоммерфельда еще одно квантовое число. Если классификация группы производится при помощи четырех квантовых чисел, можно без труда объяснить, как вырожденные группы расщепляются на отдельные орбиты, различающиеся между собой величиной энергии. Причем каждая из таких орбит может быть занята только одним-единственным электроном.

Принцип запрета можно сформулировать так: если в атоме находится электрон, для которого все четыре квантовых числа имеют определенные значения, то это состояние «занято». «Занято» означает, что ни один из других электронов, входящих в состав этого атома, не может иметь такой же набор квантовых чисел.

Паули рассматривает следствия из этого принципа. Принцип запрета не только непосредственно объясняет Зееманом расщепление спектров атомов под действием магнитного поля, но и приводит к результатам Стонера. Более того, так как физические и химические свойства атома определяются его электронными оболочками, то принцип запрета позволил бы построить периодическую систему Менделеева, не опираясь на физико-химические свойства элементов. Не опираясь на то, что послужило Менделееву основой для построения его таблицы.

Система Менделеева, если бы она не была построена самим Менделеевым, возникла бы как необходимое следствие квантовых законов, включая «принцип запрета» Паули. Думая об этом, нельзя не удивляться интуиции Менделеева, позволившей ему сформулировать периодический закон задолго до возникновения квантовой механики.

Постулативный характер «принципа запрета» Паули побуждал ученых к отысканию той физической реальности, которую выявляет этот постулат. В справедливость его поверили все. Без него невозможно объяснить ни тонки детали атомных спектров, ни физическое содержание периодического закона.