История лазера. Научное издание
Шрифт:
Нильс Бор
Команда молодых людей, собравшихся в Манчестере вокруг Резерфорда, были в основном физиками-экспериментаторами. Они были похоже на самого Резерфорда, который, несмотря на свою образование, не предавал большой важности теории и был, по существу, экспериментатором. Он заявил однажды: Когда молодой человек в моей лаборатории использует слово "вселенная", я говорю, что самое время ему убираться вон. А почему же вы доверяете Бору? спросили его. Ну, он же футболист! ответил Резерфорд.
Кафедра в Манчестере, в одном из провинциальных английских университетов, была занята Резерфордом, когда спектроскопист сэр Артур Шустер решил уйти в отставку. Шустер, немецкого происхождения, унаследовал состояние, которое он частично использовал для обеспечения своего института прекрасной лабораторией, поддерживая таких физиков-теоретиков как Г. Бейтмен (18821946), Ч. Г. Дарвин и молодой датский физик Нильс Бор (1885-1962).
Нильс родился в Копенгагене в состоятельной семье. Его отец был хорошо известный профессор физиологии, мать происходила из семьи английских банкиров еврейского происхождения.
В то время Дания была культурным водоразделом между английскими и германскими традициями, что давало удачный синтез английской экспериментальной науки с более формальным теоретическим подходом германских университетов. Во многих отношениях характер Бора сочетал британское влияние, происходящее от эмпиризма здравого смысла Локка с типичными германскими подходами Канта относительно субъективных и объективных аспектов опыта.
РЈ Бора была старшая сестра, Дженни, Рё старший РЅР° полтора РіРѕРґР° брат, Харальд (18871951). Между братьями всегда были замечательные отношение, Рё это имело важное влияние РЅР° метод работы Бора. РЎ детства братья старались выражать СЃРІРѕРё мысли РІ форме оживленного диалога, тем самым развивая содержательный Рё диалектически обмен мнениями. РС… непрерывный диалог приучил Бора Рє необходимости вырабатывать СЃРІРѕРё идеи путем обсуждения РёС… СЃ собеседником. Такая форма общения СЃ Харальдом, который позднее стал знаменитым математиком Рё директором Рнститута математики, расположенным, кстати, СЂСЏРґРѕРј СЃ Рнститутом теоретической физики Нильса, дала ему математические данные необходимые РІ его работе.
Весной 1911 г. Нильс закончил и защитил свою докторскую диссертацию по электронной теории металлов. На рубеже столетий несколько выдающихся физиков, основываясь на доказательствах существования электронов во всех веществах, данных Дж. Дж. Томсоном, и на теории поведения электронов, данной X. А. Лоренцем, старались объяснить все физические явления, как следствия взаимодействия электронов друг с другом и с окружающими атомами и молекулами.
Первый успех был достигнут в теории металлов. Томсон, Лоренц, Поль Друде (18631906) и другие получили многообещающие данные из экспериментов на основе предположения, что электроны движутся в металлах подобно молекулам в идеальном газе. В 1990 г. Друде заключил, что отношение теплопроводности к электропроводности должно быть одно и то же для всех металлов и прямо пропорционально абсолютной температуре. Его выражение, однако, отличалось в два раза от экспериментально полученного значения. Лоренц в 1905 г. получил результаты, лучше согласующиеся с экспериментом, рассматривая свободные электроны в металле с помощью статистических методов, применимых в случае газов. Даже излучение, испускаемое при нагревании металлов, было в 1903 г. рассчитано Лоренцем, а Поль Ланжевен (1872 1946) представил в 1905 г. теорию магнитного поведения.
Бор в своей диссертации рассмотрел все эти разные проблемы и пришел к заключению, что электронную теорию металлов можно модифицировать так, чтобы дать результаты, согласующиеся с экспериментами, причем внутренняя структура атомов не принимается во внимание. Напротив, проблема излучения и объяснение магнитного поведения требуют новых радикальных гипотез, относительно которых у него нет идей.
В то время докторская степень давала возможность провести постдокторское исследование за границей, и поскольку в диссертации обсуждалось поведение электронов в металлах, то вполне понятно, что Бор выбрал поездку в Кембридж, чтобы работать с Дж. Дж. Томсоном.
Первая встреча СЃ РўРѕРјСЃРѕРЅРѕРј РЅРµ установила хороших отношений между РЅРёРјРё. Бор вошел РІ кабинет РўРѕРјСЃРѕРЅР° СЃ РєРЅРёРіРѕР№, открыл ее Рё вежливо сказал: Ртот РїСѓРЅРєС‚ неверен. Надо сказать, что РІ то время Бор РЅРµ очень хорошо владел английским языком Рё поэтому выражал СЃРІРѕРё мысли РІ РІРёРґРµ коротких фраз. Р’Рѕ РІСЃСЏРєРѕРј случае РІ октябре 1911 Рі. РѕРЅ писал своему брату Харальду:
...с Томсоном пока нелегко иметь дело, как я думал в первый день. Он прекрасный человек, исключительно умен и полон воображениями (ты бы послушал одну из его элементарных лекций) и весьма приветлив; но он так сильно занят многими вещами и настолько погружен в свою работу, что очень трудно поговорить с ним. Он до сих пор не нашел времени прочесть мою работу (его диссертацию), и я не знаю примет ли он мой критицизм.
Фактически Томсон прекратил работу по теории металлов, и более того, импульсивно отверг тесное сотрудничество и постоянные разговоры с Бором, нужные ему для развития идей. Тем не менее во время своего пребывания в Кембридже Бор познакомился с работой Томсона о моделях атомов и пришел к пониманию их фундаментальной несостоятельности, но в целом он был неудовлетворен.
Атом Бора и Резерфорда
Р—Р° РіРѕРґ РґРѕ прибытия Бора РІ Англию Резерфорд сделал открытие атомного СЏРґСЂР°, Рё осенью 1911 Рі. эти РґРІР° человека встретились Рё, несомненно, понравились РґСЂСѓРі РґСЂСѓРіСѓ. Поэтому РІ марте 1912 Рі. Бор отправился РёР· Кембриджа РІ Манчестер СЃ намерением проводить эксперименты РІ области радиоактивности. Здесь РѕРЅ стал изучать замедление альфа-частиц РїСЂРё прохождении РёС… через вещество, затем после нескольких недель РѕРЅ начал концентрироваться РЅР° теоретических аспектах, рассматривая взаимодействие альфа-частиц СЃ электронами атома. Так РѕРЅ улучшил теорию РѕРґРЅРѕРіРѕ РёР· сотрудников Резерфорда, Р§.Р“. Дарвина (18871962) РІРЅСѓРєР° отца теории эволюции Р§.Р . Дарвина. Его Бор называл РІРЅСѓРє настоящего Дарвина. Р§.Р“. Дарвин предположил, что альфа-частицы, проходящие через вещество, теряют СЃРІРѕСЋ энергию РІ РѕСЃРЅРѕРІРЅРѕРј Р·Р° счет столкновений между альфа-частицами Рё электронами РІ атомах. Р’ своей модели Дарвин рассматривал электроны как свободные (РЅРµ подверженные каким-либо силам), Рё Бор уточнил эту модель, рассматривая электроны, которые окружают СЏРґСЂРѕ как гармонические осцилляторы, С‚.Рµ. предполагая, что РѕРЅРё связаны СЃ СЏРґСЂРѕРј СѓРїСЂСѓРіРёРјРё силами Рё что РёС… энергии квантованы согласно квантовым правилам Планка. Бор окончил эту работу только после отъезда РёР· Манчестера, Рё результат был опубликован РІ 1913 Рі. Рто исследование пробудило интерес Бора Рє проблеме строения атома. Уже РІ Манчестере РѕРЅ стал набрасывать идеи Рѕ стабильности атома; совершенно новые идеи, Рѕ которых РѕРЅ предварительно сообщил Резерфорду.