Вместо тысячи солнц. История ядерной бомбы, рассказанная её создателями

Это была захватывающая история, но она явилась только началом действительно очень больших загадок. Представьте себе самый простой по своей структуре атом – атом водорода. Он обладает протоном, единственной ядерной частицей в центре, несущей единичный положительный заряд, а также электроном, и вместе они образуют систему с четко определенными размерами. Этот размер является стандартным, радиус атома в обычных условиях остается неизменным. При бомбардировке атом водорода излучает совершенно определенный спектр. Ни одно из этих свойств нельзя было понять на основе ньютоновских представлений о движении и о взаимодействии заряженных частиц, так как Резерфорд доказал, что поле вблизи протона является электрическим. Это поле по форме является точным подобием гравитационного поля вокруг Солнца; силы уменьшаются обратно пропорционально квадрату расстояния. Все силы направлены к протону, поскольку в данном случае это силы притяжения, ибо электрон и протон несут противоположные заряды. Следовательно, это опять та же проблема планетарного движения. Однако нам известно, что планетарные движения бывают в той или иной степени различными: планеты описывают любые эллипсы в любой плоскости с любым эксцентриситетом и любых размеров. Поэтому весьма странно, что все атомы водорода имеют одинаковый размер и ведут себя одинаково. С точки зрения классической физики невозможно объяснить, почему один атом водорода не должен отличаться от любого другого по размеру, форме и поведению.

Более того, хотя я подробно не говорил об этом, известно, что заряженная частица, описывающая круговую или эллиптическую орбиту, испытывает ускорение, а ускоряемая заряженная частица излучает световые волны и поэтому теряет энергию. Однако атом водорода, если только он не подвергается бомбардировке, может годами и столетиями пребывать в неизменном состоянии. Он не теряет энергии, а электрон не приближается по спирали к ядру, чтобы окончательно в нем исчезнуть.

И наконец, законы, определяющие цвет света, излучаемого при движении по такой классической орбите, хотя и несколько сложнее законов, определяющих звуковые частоты скрипичной струны, но все же по форме напоминают их. Поэтому должна бы существовать основная частота, определяемая периодом вращения электрона по орбите, а также обертоны или гармоники, т. е. частоты, кратные основной; наблюдаемые же в атомном спектре (включая водород) частоты не являются ни гармониками, ни суммой целых кратных основной частоты, а скорее сложными сочетаниями разностей между числами, которые не соотносятся гармонично. Конкретно все наблюдаемые частоты можно представить соотношением

V = v_i – v_j,

где V_i и V_j – два числа некоторой последовательности v₁, v₂, v₃… Для водорода эти числа были найдены Бальмером, а вообще каждый атом характеризуется своим набором подобных чисел. Другими словами, уникальность атомных систем (что труднее доказать для атома с 92 электронами, но тем не менее это остается верным), выраженная в законе испускания света при возбуждении, стабильность этих систем и единообразие их размера никак не вытекали из каких-либо данных, известных физике в то время.

Это чрезвычайно затруднительное положение побудило Бора сделать одно удивительное рискованное предположение, которое при всей осторожности Бора выглядело весьма революционным. Бор заявил: «По причинам, нам еще не понятным, атом характеризуется не классическими орбитами, а рядом состояний, которые, по существу, стационарны и которые со временем не меняются». Из них наиболее обычным и важным является состояние, характеризуемое наименьшей энергией, так называемое основное состояние. Оно длится вечно, если только атом не подвергается никакому возмущающему воздействию. Эти состояния характеризуются различными энергиями. Состояния с большей энергией, нежели основное состояние, могут быть неустойчивыми. Из такого состояния может произойти самопроизвольный переход в состояние с более низкой энергией. Следует помнить, что каждая частота, излучаемая данным атомом, может быть выражена как v = v₁ − v₂. Более наглядно это можно записать, умножив обе части равенства на постоянную Планка h:

hv = hv₁ − hv₂.

Тогда каждый член данного равенства представляет собой энергию; можно предположить, что величины hv₁ и hv₂ – это энергии двух состояний атома, а величина hv есть энергия кванта света, который излучается при переходе из одного состояния в другое. «Я не могу описать эти переходы, – заявил Бор. – Они не есть движения в классическом смысле. Это нечто новое, чего я не понимаю». Далее Бор сказал: «В некоторых случаях я могу привести правило, так как я произвел расчет энергий, характеризующих эти состояния, и это я могу выразить в терминах свойств соответствующих классических орбит». Но Бор не утверждал, что эти состояния имеют нечто общее с орбитами. Во-первых, орбита – движение, и поэтому должны иметь место какие-то изменения во времени. А стационарное состояние есть стационарное состояние, которое со временем совершенно не меняется.