Цепная реакция идей

Еще Макс Планк, обнаружив в 1900 году характерную прерывистость некоторых природных физических явлений, обратил внимание на ограниченность классических теорий. Планк смог обосновать открытый им закон излучения черного тела, лишь сделав очень смелое допущение: что энергия колебания атомов вопреки классическим представлениям может иметь ряд вполне определенных значений. В ходе дальнейших исследований Эйнштейном было показано, что прерывистость присуща также свету, состоящему из отдельных квантов — частичек. Планк открыл тогда ставшую впоследствии известной постоянную Планка, или планковский квант действия. Формула Планка hv означала, что свет с частотой колебаний v должен поглощаться и испускаться в квантах энергии, величина которых пропорциональна v, помноженному на постоянную величину h, которая и есть универсальная постоянная Планка. Она равна 6,6·10^–27 эргов в секунду.

Макс Планк заложил первый камень в фундамент великого здания квантовой механики, построенного (но до сих пор полностью незавершенного) рядом выдающихся физиков-теоретиков, в числе которых можно назвать Нильса Бора, Макса Борна, Луи де Бройля, Эрвина Шредингера, Вернера Гейзенберга, Я.И. Френкеля, И.Е. Тамма, М. Дирака, В. Фока, Л. Ландау, Г. Бете и других.

Первые попытки использовать квантовые идеи Планка относились к объяснению модели атома Томсона.

Но решающий шаг был сделан Бором в Кембридже после создания ядерной модели атома. Применив идею прерывистости к модели Резерфорда, Бор сделал допущение, что атом может сколь угодно долго пребывать в совершенно определенных состояниях, которые зависят от орбит электронов. Согласно Бору электроны в атоме могут находиться на так называемых «разрешенных» орбитах. При переходе электрона с одной орбиты на другую происходит излучение или поглощение светового кванта. Таким образом, атом может существовать лишь в некоторых квантовых энергетических состояниях. Каждый переход электрона с более высокого энергетического уровня в меньший сопровождается излучением кванта. Частота излучения равна hv.

Когда Бор сообщил Резерфорду о разработанной им квантовой модели атома, Резерфорд оказался в некотором затруднении. Он, как рассказывал Бор, «не сказал, что это глупо, но он никак не мог понять, каким образом электрон, начиная прыжок с одной орбиты па другую, знает, какой квант нужно ему испускать. Я ему говорил, что это как „branching ratio“ (т.е. вероятность испускания альфа- и бета-частиц — Ф. К.) при радиоактивном распаде, но это его не убедило».

Справедливости ради стоит сказать, что позднее Резерфорд признал квантовую механику в отличие от некоторых выдающихся физиков эпохи «классической физики», для которых квантовые представления так и остались за пределами восприятия.

Автор теории относительности Альберт Эйнштейн тоже не сразу принял открытие Бора. Ознакомившись со статьей Бора, он заметил, что все ему понятно и близко к тому, что он сам был мог сделать; но если это правильно, то физика как наука кончилась. По-видимому, Эйнштейн имел в виду столь близкую его уму и сердцу науку — старую доквантовую физику.

Лорд Релей — крупнейший английский физик «классической эпохи» — откровенно не одобрял квантовых идей Бора. Выступление Релея на заседании Британской ассоциации было предельно вежливым, но весьма однозначным: «Когда я был молод, я неукоснительно исповедовал некоторые принципы. Согласно одному из них человек, переваливший за шестьдесят, не должен высказываться до Поводу новых идей. Хотя я должен признаться, что теперь придерживаюсь его не столь строго, однако в достаточной степени для того, чтобы не принимать участия в этой дискуссии!»

Но на заседании Британской ассоциации у Вора нашлись и сторонники, горячо поддержавшие новые квантовые представления. Это были известные ученые, пользовавшиеся огромным авторитетом: Мари Кюри, Хендрик Антон Лоренц, Джемс Джинс, Джозеф Лармор.

Существенных успехов в изучении электронных оболочек и их взаимодействий с атомными ядрами наряду с Бором удалось достичь ученику Резерфорда молодому физику Генри Мозли.

В 1914 году началась первая мировая война. Манчестерская группа Резерфорда распалась. Сотрудники лаборатории были призваны в армию.

Резерфорд и его жена находились в Америке. После возвращения в Манчестер Резерфорд, как и другие физики, был мобилизован для работы над военными проблемами. По заданию военного ведомства он занялся разработкой акустических методов обнаружения подводных лодок. Немецкие субмарины наносили большие потери военным и торговым кораблям британского флота. Любопытно, что спустя много лет, в годы второй мировой войны ученик Резерфорда Джеймс Чадвик был также привлечен к этой проблеме. Но он разрабатывал не акустические, а электронные методы обнаружения с помощью радаров.