История лазера. Научное издание
Шрифт:
РћРґРЅРёРј РёР· достижений теории Бора было объяснение серии линий, которые американский астроном Р’. Пикеринг (18581938) наблюдал РІ спектрах звезд. Предполагалось, что эти линии принадлежат РІРѕРґРѕСЂРѕРґСѓ, поскольку РёС… расположение очень напоминало серию Бальмера, РЅРѕ Бор показал, что РЅР° самом деле эти линии принадлежат ионизованному гелию, РІ котором одиночный электрон связан СЃ СЏРґСЂРѕРј, имеющим заряд +2. Рйнштейн был РЅР° конференции РІ Вене РІ сентябре 1913 Рі., Рё РєРѕРіРґР° ему сообщили РѕР± этом результате, воскликнул: РўРѕРіРґР° частота света РІРѕРІСЃРµ РЅРµ зависит РѕС‚ частоты электрона (С‚.Рµ. РѕС‚ частоты его обращений РІРѕРєСЂСѓРі СЏРґСЂР°). Рто РѕРіСЂРѕРјРЅРѕРµ достижение. Теория Бора должна быть верной.
В своих исследованиях в 1913 г., немедленно после обсуждений теории атома водорода, Бор занялся атомами, содержащими несколько электронов. Он представлял эти атомы в виде системы, состоящей из положительно заряженного ядра, окруженного электронами, движущимися по круговым орбитам, и писал: Мы будем предполагать, что электроны располагаются... в коаксиальных кольцах, вращающихся вокруг ядра. Проблема была в том, чтобы знать, сколько электронов могло находиться в каждом кольце, так, чтобы конфигурация оставалась стабильной, несмотря на расталкивающие электрические силы между электронами. Бор старался решить эту проблему с помощью классической динамики и начал с выяснения конфигураций простейших атомов. Для гелия, который имеет два электрона, он, справедливо, предположил, что они находятся на одной и той же орбите. Для лития (три электрона) он предположил, все еще справедливо, что два электрона располагаются на внутренней орбите (кольце), а третий располагается на большей орбите (новое кольцо). Для бериллия, который имеет четыре электрона, он предположил, что два электрона располагаются на одном кольце, а два на другом (эта гипотеза также впоследствии оказалась верной). Для атомов с большим числом электронов эти рассмотрения становились очень громоздкими. Наконец, он произвольно установил, что число электронов, располагающихся на внешних кольцах, должно быть равным числу, которым химики определяют валентность элемента.
Атом предполагался плоским, С‚.Рµ. предполагалось, что СЏРґСЂРѕ Рё РІСЃРµ электроны лежат РІ РѕРґРЅРѕР№ плоскости. Гипотеза Бора была правдоподобна, РЅРѕ неэффективна, чтобы недвусмысленно определить распределение электронов РїРѕ разным кольцам РІРѕРєСЂСѓРі СЏРґСЂР°. Рта неопределенность затрудняла РїРѕРґС…РѕРґ Рє пониманию химических Рё физических свойств элементов, РІ стремлении получить периодичность, демонстрируемую таблицей Менделеева. Результат, Рє которому пришел Бор, состоял РІ том, что число электронов РЅР° внутренних кольцах должно увеличиваться СЃ увеличением атомного номера. Рто был ошибочный результат, который, однако, РІ 1913 Рі. РЅРµ РјРѕРі считаться таковым.
Затем Бор направил свое внимание на молекулы и получил правильных результаты для молекулы водорода, но, к удивлению, не такие, как для атома гелия, который также имеет два электрона.
Даже если РІ начале своей работы Бор Рё ссылался РЅР° эллиптические орбиты, РѕРЅ затем сконцентрировался исключительно РЅР° круговых орбитах. РћРЅ также ограничил СЃРІРѕРё обсуждения нерелятивистским случаем, полагая, что скорость электрона мала РїРѕ сравнению СЃРѕ скоростью света. РљРѕРіРґР° РІ 1914 Рі. американский астроном Р“. Куртис (18721942) обнаружил малые систематические расхождения между теоретическими значениями длин волн линий РІРѕРґРѕСЂРѕРґР°, рассчитанными РїРѕ теории Бора, Рё экспериментальными значениями, Бор переделал расчеты, введя релятивистское изменение массы электрона. Рсправление было РІ правильном направлении, РЅРѕ поправки были слишком малы, чтобы объяснить наблюдаемые отклонения.
Рис. 28. Некоторые примеры орбит электронов вокруг ядра. Наряду с круговой показаны эллиптические орбиты с разными эксцентриситетами
Получилось так, что РїСЂСѓСЃСЃРєРёР№ физик Арнольд Зоммерфельд (1868-1951), который работал РІ Гёттингене вместе СЃ знаменитым математиком Давидом Гильбертом (18621943) Рё блестяще владел математикой, попробовал РІ 1915 Рі. улучшить модель, распространив вычисления РЅР° более общий случай, РІ котором электроны вращаются орбитой РІРѕРєСЂСѓРі ядер РїРѕ эллиптическим, Р° РЅРµ РїРѕ круговым орбитам, совсем как планеты РІРѕРєСЂСѓРі Солнца (СЂРёСЃ. 28). РџСЂРё этом состояние каждого электрона РІ атоме дается тремя числами, называемыми атомными числами. Рти числа были взаимно связанными простыми правилами, характеризовали энергию электрона РЅР° орбите Рё определяли параметры орбиты, РёР· которых получались РёС… формы Рё ориентации. Устанавливались критерии квантования, которыми могли быть только целые числа. РЎ помощью математического приема решения проблемы получалось, что даже если орбиты электронов были СЃ огромным увеличением числа, РёС… возможные энергетические состояния оставались теми же самыми. РџРѕ РјРЅРѕРіРёРј орбитам СЃ разными параметрами двигались электроны СЃ РѕРґРЅРѕР№ Рё той же энергией, Рё это свойство, названное вырождением, обусловливало возможность, что энергетические СѓСЂРѕРІРЅРё электрона были РІСЃРµ тем же РѕРґРЅРёРј уровнем, который Бор вычислял, рассматривая только круговые орбиты.
Зоммерфельд рассматривал проблему релятивистски Рё нашел, что энергия электрона зависит РІ этом случае также Рё РѕС‚ формы орбиты. Таким образом, вырождение снималось, Рё результат оказывался РІ согласии СЃ экспериментальными наблюдениями, которые уже были проведены Рђ. Рђ. Майкельсоном, который обнаружил, что каждая линия РІРѕРґРѕСЂРѕРґР° РІ серии Бальмера РЅР° самом деле представляет несколько очень тесно расположенных линий (тонкая структура). Ртот факт РЅРµ согласовывался СЃ теорией Бора, РЅРѕ первоначально РёРј пренебрегали РёР·-Р·Р° его исключительной малости.
РљСЂРѕРјРµ того, был еще СЂСЏРґ эффектов, которые нужно было объяснить. РљСЂРѕРјРµ эффекта Зеемана, который уже был нами обсужден, РІ 1913 Рі. Роганн Штарк открыл РІ своей лаборатории РІ Технической Высшей Школе Рі. Аахена, что электрическое поле может расщеплять спектральные линии серии Бальмера РЅР° несколько компонент (линий), Рё это явление РЅРµ ограничивается только РІРѕРґРѕСЂРѕРґРѕРј.
Роганн Штарк (18741957) между 1906 Рі. Рё 1922 Рі. преподавал РІ университетах Гёттингена, Ганновера, Аахена, Грифсвальда Рё Вюрцбурга. РќР° этом этапе его академическая карьера была прервана Рё РѕРЅ, несмотря РЅР° то, что получил Нобелевскую премию РїРѕ физике РІ 1919 Рі. Р·Р° его открытие, был отвергнут шестью германскими университетами. РћРЅ был непопулярен РёР·-Р·Р° своего антисемитизма, который привел его Рє отрицанию квантовых теорий Рё теории относительности Рйнштейна как порочный РїСЂРѕРґСѓРєС‚ еврейской науки. Вступив РІ нацистскую партию РІ 1930 Рі. Рё будучи, отвергнут РџСЂСѓСЃСЃРєРѕР№ Академией наук, РѕРЅ РІ 1933 Рі. преуспел, став президентом Рмперского Рнститута Физики Рё Технологии. Здесь РѕРЅ старался использовать СЃРІРѕСЋ власть для того, чтобы усилить контроль над германской физикой, РЅРѕ вступил РІ конфликт СЃ политиками Рё администраторами министерства образования Рейха. РћРЅРё, решив, что РѕРЅ слишком деструктивен Рё ненадежен, вынудили его уйти РІ отставку РІ 1937 Рі. Окончательное унижение пришло РІ 1947 Рі., РєРѕРіРґР° РѕРЅ был осужден Рє четырем годам принудительных работ Германским СЃСѓРґРѕРј РІ процессе денацификации.
Воздействие электрического поля РЅР° спектральные линии было также независимо открыто РІРѕ Флоренции Антонио Ло РЎСѓСЂРґРѕ (18801949). РР·-Р·Р° того, что его экспериментальная установка была намного проще, чем та, что использовалась Штарком, РѕРЅ получил лишь качественные результаты, РЅРµ имея возможности провести точные измерения. Штарк сильно возражал против того, чтобы назвать открытие эффектом ШтаркаЛо РЎСѓСЂРґРѕ, Рё РЅРµ хотел оказывать Ло РЎСѓСЂРґРѕ какое-либо доверие.
Немедленно после этого открытия немецкий физик Рмиль Варбург (1846 1931) Рё Бор представили РІ 1914 Рі. объяснение этого эффекта РЅР° РѕСЃРЅРѕРІРµ модели атома Бора. Однако РѕРЅРѕ давало лишь качественное согласие СЃ экспериментальными результатами, С‚.Рµ. давало понимание, почему электрическое поле расщепляет энергетические СѓСЂРѕРІРЅРё РЅР° несколько подуровней, РЅРѕ РЅРµ давало точных значений этого расщепления.
Р’ 1916 Рі., используя более тонкую модель эллиптических РѕСЂР±РёС‚, Рџ. Дебай (18841966), нобелевский лауреат РїРѕ С…РёРјРёРё 1936 Рі., Рё Зоммерфельд сумели дать объяснение нормальному эффекту Зеемана, однако аномальный эффект Зеемана РІСЃРµ еще оставался загадкой. Рта проблема РЅРµ была решенной, РєРѕРіРґР°, примерно РІ 1920 Рі., Зоммерфельд предложил использовать эмпирическое объяснение, принимая РІРѕ внимание экспериментальные данные. РћРЅ получал СѓСЂРѕРІРЅРё энергий РёР· частот наблюдаемых спектральных линий, находя затем квантовые числа, идентичные РёРј. Рто позволяло предсказать переходы СЃ помощью подходящих правил отбора.