Восхождение человечества

Тем не менее не все с моделью Резерфорда было гладко. Если атом представляет собой маленький механизм, что обеспечивает движение в нем? Это что, маленький вечный двигатель, единственный, которым мы располагаем? Планеты, двигаясь по орбитам, постоянно теряют энергию. Следовательно, их орбиты становятся с каждым годом немного меньше, а со временем эти небесные тела непременно упадут на Солнце. Если электроны двигались бы так же, как планеты, то падали бы на ядро. Либо что-то должно предохранять их от постоянной потери энергии. Должен быть какой-то физический закон, который ограничивал бы потерю электроном энергии определенной величиной.

Этот закон Нильс Бор обнаружил в работе Макса Планка, опубликованной в Германии в 1900 году. Планк показал, что в мире, в котором материя состоит из кусочков, энергия тоже должна быть кусочками, или квантами. Сегодня это не кажется таким уж странным, но в начале XX века идея Планка была революционной. Он это отлично осознавал, поэтому однажды, как обычно отправившись с сыном на прогулку, которую академики всего мира совершают после обеда, он сказал ему: «Я совершил революционное открытие, равное по значимости идеям Ньютона». И это было именно так.

В настоящее время задача, которую решил Нильс Бор, кажется нам очень легкой: с одной стороны, он имел модель атома, описанную Резерфордом, с другой — квант, открытый Планком. Что же замечательного в том, что в 1913 году он, будучи двадцатисемилетним молодым человеком, сумел составить современное представление о структуре атома? Ничего, кроме великолепного процесса мышления, великолепной и удачной попытки синтеза. И идеи поискать доказательство в том единственном месте, где оно может быть: в спектре, где поведение атома становится наблюдаемым для нас.

Чудесная, волшебная идея Бора! Внутрь атома мы заглянуть не можем, но есть окно, целый витраж: спектр атома. Каждый элемент имеет собственный спектр, но не непрерывный, как спектр белого света в опыте Ньютона. Спектр имеет некое число ярких линий, которые характеризуют конкретный элемент. Например, у водорода три достаточно яркие линии в видимом спектре: красная, сине-зеленая и синяя. Бор считал, что эти линии — след высвобождения энергии, которая образуется, когда электрон перескакивает с одной из внешних орбит на внутреннюю.

Пока электрон в атоме водорода остается на одной орбите, он энергии не излучает. Каждый раз, когда он перемещается с внешней орбиты на внутреннюю, разность энергий орбит создает квант света. Эти кванты, испускаемые миллиардами атомов одновременно, мы видим как характерную для водорода линию. Красная линия в спектре водорода означает, что поток электронов перескакивает с третьей орбиты на вторую, сине-зеленая черта демонстрирует, что происходит переход с четвертой орбиты на вторую.

Работа Нильса Бора «О строении атомов и молекул» сразу стала классической. Структура атома обрела математическое толкование, как некогда Вселенная Ньютона, и включала квант в качестве дополнительного принципа. Ученый построил мир внутри атома, расширив законы физики, которые выстояли два века после Ньютона. Его возвращение в Копенгаген было триумфальным. Отныне этот город станет постоянным местом его работы. В 1920 году благодарные земляки построят институт, которому присвоят имя Нильса Бора. Сюда, в это солидное научное учреждение, будут съезжаться молодые ученые из Европы, Америки, Дальнего Востока, чтобы обсудить проблемы квантовой физики. В институт часто приезжал из Германии Вернер Гейзенберг. Здесь при поддержке Бора и его учеников он разработал свои самые интересные идеи. По-другому и быть не могло — Нильс Бор не позволил бы никому остановиться на полпути.

Интересно проследить этапы подтверждения боровской модели атома, поскольку они воспроизводят жизненный цикл любой научной теории. Сначала она существует только на бумаге. Для подтверждения модели берутся известные данные. Конкретно, показывается, что у спектра водорода есть линии, давно известные, расположения которых соответствуют квантовым переходам электрона с одной орбиты на другую.