Чтение онлайн

Я не думаю, что это подходящий случай для того, чтобы входить в дальнейшие подробности относительно этих проблем, и для того, чтобы обсуждать новые взгляды. Однако в заключение я с удовольствием отмечаю то громадное напряжение, с которым весь научный мир следит за исследованиями в совершенно новой области экспериментальной физики, а именно за исследованиями внутреннего строения ядра, которые сейчас проводятся в Максвелловской лаборатории под великим руководством теперешнего кавендишского профессора (Э. Резерфорда. — Ред.). В том факте, что никто и здесь, в Кембридже, не склонен забывать трудов Ньютона и Максвелла, мы видим, пожалуй, лучший залог непременного успеха этих попыток. Даже если мы должны быть готовы к дальнейшему отказу от ставших привычными физических представлений, основные понятия физики, которыми мы обязаны великим учителям, несомненно окажутся незаменимыми также и в этой новой области физики.

1932

37 ХИМИЯ И КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ СТРОЕНИЯ АТОМА * 1

*Chemistry and Quantum Theory of Atomic Constitution. J. Chem. Soc., 1932, 134, 349-384.

1 Данная статья, публикация которой задержалась по непредвиденным обстоятельствам, представляет собой переработку Фарадеевской лекции автора, план и основное содержание которой было сохранено, в то время как был добавлен ряд деталей, опущенных при чтении лекции. (Лекция прочитана в Химическом обществе 8 мая 1930 г. — Ред.).

С чувством глубокой признательности я принимаю любезное приглашение Химического общества прочитать эту лекцию в память о великом гении, которому мы обязаны столь большой частью общих основ, на которых базируется сегодня физика и химия. В самом деле, работы Фарадея могут рассматриваться как символ тесной связи этих наук, резкая граница между которыми теперь исчезает вследствие быстрого проникновения в атомную структуру материи. Своеобразная черта большого современного прогресса в этой области состоит не только в плодотворном взаимном влиянии химических и физических исследований; может даже казаться, что слияние образа мышления, с которым физики и химики подходят к изучению законов природы, является существенным для соответствующей оценки того положения, с которым столкнулось современное развитие атомной теории.

Ведущая идея в физической теории, несомненно, заключается в том, чтобы искать первопричину всех явлений природы в относительных смещениях материальных тел; в то же Время можно сказать, что предмет химии составляет изучение тех превращений веществ, которые не поддаются простому наглядному описанию в терминах смещений. Как известно, атомистические идеи возникли как раз в стремлении восполнить пробел в этих различных направлениях исследований. Таким образом, мне не нужно напоминать вам, что на современном этапе развития науки, существование атомов является более чем плодотворной гипотезой. Большое число физических и химических открытий дало нам прямые доказательства существования отдельных атомов и мы теперь обладаем несколькими методами определения числа молекул в каком-либо теле с большой точностью. Кроме того, благодаря великим английским первооткрывателям в области внутриатомных исследований, Джозефу Томсону и Резерфорду, мы даже получили детальную информацию относительно структуры атомов, что в значительной степени позволяет нам интерпретировать свойства химических элементов как следствие общих физических законов. Однако в то же самое время в этой новой области мы встретились со своеобразной недостаточностью обычных естественнонаучных идей, первым открытием которой мы обязаны признанному главе крупнейшей немецкой школы теоретической физики Максу Планку. В лекции, которую я имею честь и удовольствие прочитать, я попытаюсь показать в ретроспективном плане, как логически развивались фундаментальные идеи строения атома и как постепенно было признано, что высокая стабильность атомных структур, которая существенна для нашего анализа физических явлений, накладывает неизбежные ограничения на использование пространственно-временных представлений в объяснении атомных реакций. В самом деле, мы встречаемся здесь с иллюстрацией старой истины, что наша способность анализировать гармонию окружающего мира и широта его восприятия всегда будут находиться во взаимно исключающем, дополнительном соотношении.

*

В научной литературе столетий, следовавших после великого труда Ньютона, можно часто встретить выражение «механическая система естествознания», со ссылкой не только на блестящее объяснение астрономических фактов, но и на кинетическую теорию материи, которая позволила интерпретировать на основе атомистических идей законы термодинамики так же плодотворно, как и учение о химических реакциях. Если бы в наше время было использовано подобное всеобъемлющее выражение, мы, наверно, могли бы говорить об «электромагнитной картине мира»; вследствие этого мы думали бы не только о впечатляющих структурах, построенных на открытиях Вольта, Эрстеда, Фарадея и Максвелла, что было существенно для современного развития техники, но и о революции в наших представлениях об атомных процессах, вызванной созданием электрической теории материи, для которой фундаментальное значение имело открытие элементарного кванта электричества. Как указывал Стоней в 1874 г. в своем адресе Британской ассоциации и особенно подчёркивал Гельмгольц в своей знаменитой Фарадеевской лекции 1881 г., это открытие может рассматриваться с точки зрения дальтоновской атомной теории химических соединений как непосредственное следствие фундаментальной работы Фарадея об электролитическом эквиваленте. Недостаток времени не позволяет мне останавливаться здесь на большом значении этого открытия для всей электрохимии и особенно для теории электролитической диссоциации, о развитии которой Аррениус в 1914 г. прочитал лекцию данному обществу. В электролизе мы можем проследить за движением ионов по переносу химического вещества; но ещё более тщательно свойства ионов были исследованы при разрядах в разреженных газах, в изучение которых существенный вклад внесли Крукс и Ленард. В самом деле, отклонение электрических лучей в разрядных трубках даёт нам возможность измерить отношение массы к заряду для отдельных ионов; как известно, такие измерения привели в конце прошлого столетия к эпохальному открытию электрона как универсальной составной части материи. Электрон несёт отрицательный заряд, равный элементарному заряду, и обладает очень малым отношением массы к заряду по сравнению с таким же отношением для ионов химических элементов в электролизе. Объединение идеи атомной природы электричества и общей теории электромагнетизма Максвелла было наиболее успешно выполнено в те годы Лоренцом и Лармором. Кроме того, Томсон сыграл ведущую роль не только в установлении фундаментального экспериментального доказательства, но также в решении проблемы электрической структуры вещества. Разработанный Томсоном остроумный метод оценки числа электронов в атомах, основанный на рассеянии рентгеновских лучей и на эффектах, сопровождающих проникновение быстро движущихся ионов через вещество, привёл его к приблизительно верным значениям числа электронов в атомах различных химических элементов. Конечно, немногие достижения произвели более сильное впечатление, чем попытка интерпретировать общую взаимосвязь между элементами, которую Томсон в 1904 г. сделал на основе этих результатов. В самом деле, это наиболее интригующим путём привлекло внимание физиков к замечательной точке зрения на центральную проблему строения атома, которая была поставлена в результате выявления специфической периодичности химических свойств элементов, расположенных по возрастающим атомным весам, о которой с таким энтузиазмом и предусмотрительностью говорил Менделеев в своей Фарадеевской лекции 1889 г.1

1 Эта лекция, прочитанная Д. И. Менделеевым в Chemical Society, была опубликована в кн.: Д. И. Менделеев. Два лондонских чтения, СПб., 1889, стр. 16. См. также: Д. И. Менделеев. Поли. собр. соч., 1937, т. 2, стр. 347. — Прим. ред.

В то время более детальному рассмотрению проблемы строения атома препятствовало игнорирование сил, с помощью которых отрицательно заряженные электроны удерживаются в атомах, или, иными словами, игнорирование распределения внутриатомного положительного электрического заряда. Однако решающий прогресс в этом направлении стал возможным благодаря поразительному открытию радиоактивности некоторых элементов, в истории которого замечательной вехой явилось выделение радия Марией Кюри. Это явление, которое явно контрастирует с обычными физическими и химическими свойствами вещества и сперва даже грозило опрокинуть общий закон сохранения энергии, нашло, как известно, ясное и полное объяснение в теории распада атома Резерфорда и Содди. Согласно этой теории, радиоактивность веществ обусловлена самопроизвольным распадом атомов, подчиняющимся простому вероятностному закону и совершенно не зависящим от физических и химических условий, в которых находятся атомы. В этой аудитории я не намерен говорить много слов, чтобы напоминать вам о беспримерном успехе, с которым Резерфорд с сотрудниками применили эта новые идеи к проблеме строения атома. В первое десятилетие века он создаёт совершенно новую отрасль физической и химической науки, которая включает в себя удивительные изменения свойств радиоактивных веществ, сопровождающие распад этих атомов; она включает также природу лучей, испускаемых при этих распадах и состоящих, как известно, частично из электромагнитного излучения (-лучи) и частично из быстрых электронов (-лучи) и положительно заряженных ионов (-лучи). Кроме того, результаты этих исследований в руках Резерфорда оказались мощным средством изучения внутриатомной структуры. Таким образом, тщательное изучение замечательного явления рассеяния -лучей на большие углы при прохождении через вещество привело его в 1911 г. к фундаментальному открытию, что положительный электрический заряд в атоме заключён в пределах так называемого ядра, размеры которого исключительно малы по сравнению с обычными размерами атома и в котором в то же время сосредоточена практически вся масса атома.

Немаловажным с химической точки зрения было то, что открытие Резерфорда имело решающее значение и в том, что впервые дало нам возможность однозначно различать между атомом и молекулой. Действительно, в то время как атом имеет только одно ядро, молекула представляет собой структуру, в которой два или более ядра входят как отдельные составные части. Таким образом мы сразу узнаем причину замечательной стабильности естественных элементов в противоположность химическим соединениям. В то время как разделение и перестановка различных составных частей атома достаточны для химических замещений, мы узнали, что осуществление старой цели алхимиков, а именно превращение элементов, заключает в себе радикальное изменение самого атомного ядра. Это — взрыв ядра, свидетелями которого мы являемся при самопроизвольном распаде радиоактивных элементов. В самом деле, после выбрасывания из ядра - или -частицы новое атомное ядро, которое остаётся, соответствует элементу с совершенно отличными физическими и химическими свойствами. В этой связи весьма поучительно отметить следующее. Резерфорд был в состоянии доказать, что гелий, возникающий при распаде радия и впервые наблюдавшийся Рамзеем и Содди, представляет собой прямой продукт превращения испускаемых -лучей в нейтральные атомы путём захвата двух электронов; таким образом -частицы были отождествлены с ядрами гелия. Как всем известно, первое искусственное превращение элементов было осуществлено примерно десять лет спустя Резерфордом, когда он открыл, что прохождение -лучей через вещество в некоторых случаях сопровождается порождением быстрых однозарядных положительных ионов, которые оказались ядрами водорода. Они испускаются из ядер бомбардируемых атомов; этот процесс приводит к образованию новых ядер, состоящих из остатков исходных ядер, с которыми могут соединяться в некоторых случаях налетающие -частицы.

В конце этой лекции мы обсудим перспективы, вытекающие из этих последних достижений, которые открыли новую эпоху в науке. Однако, чтобы не отклоняться от нашей темы, мы вернёмся к тому времени, когда формировались основные идеи электрического строения атома. Для каждого, кто подобно мне имел счастье посещать физические лаборатории в Кембридже и Манчестере примерно двадцать лет назад и работать под вдохновляющим руководством крупнейших учёных, останется незабываемым то, что мы почти каждый день были свидетелями открытия до того времени неизвестных свойств природы. Я помню, как если бы это было вчера, с каким энтузиазмом новые перспективы всей физической и химической науки, открывавшиеся в результате установления существования атомного ядра, обсуждались весной 1912 г. среди учеников Резерфорда. Прежде всего мы отдавали себе отчёт в том, что локализация положительного электрического заряда атома в области практически бесконечно малых размеров делает возможным сильное упрощение классификации свойств материи. Действительно, она позволяла сделать далеко идущее различие между такими свойствами атомов, которые полностью определяются зарядом и массой его ядра, и свойствами, которые зависят непосредственно от его внутреннего строения. Типичным свойством этого последнего класса является радиоактивность, которая согласно всем экспериментальным данным не зависит от физических и химических условий. С другой стороны, обычные физические и химические свойства материи зависят, в первую очередь, от полного заряда и массы атома, так же как и от конфигурации электронной оболочки, окружающей ядро, которая ответственна за реакцию атома на внешние воздействия. Кроме того, следует ожидать, что для изолированного атома эта электронная конфигурация должна почти полностью зависеть от заряда ядра и очень мало от его массы; при этом масса ядра так велика по сравнению с массой электрона, что движением ядра по сравнению с движением электронов в первом приближении можно пренебречь. Эти простые выводы из ядерной модели атома действительно дают немедленное объяснение того факта, что два элемента с различным атомным весом и с совершенно различными радиоактивными свойствами могут быть настолько похожими в отношении других свойств, что их невозможно разделить химическими методами.

Первое доказательство этого было получено несколько лет назад благодаря открытию Болтвудом иония 1, который химическим путём невозможно отделить от тория и который обладает оптическим спектром, неотличимым от спектра тория, как было показано в то же самое время экспериментами Рессела и Росси в лаборатории Резерфорда. Такие два элемента, которые, очевидно, имеют одинаковые заряды ядер, занимают одну и ту же клетку периодической таблицы и называются изотопами по предложению Содди, благодаря обширным исследованиям которого химических свойств радиоактивных элементов в предшествующие годы было понято общее значение явления изотопии. Тесная связь между периодической таблицей и зарядом ядра, о которой мы скоро будем говорить, вела к дальнейшим перспективам относительно связи между радиоактивностью и химическими свойствами, которая была подтверждена исследованиями Хевеши и Рессела в Манчестере. Полное согласование экспериментального материала в этой области было вскоре получено, как известно, в формулировке так называемого закона смещения, согласно которому -распад сопровождается переходом элемента в клетку периодической таблицы с номером на две единицы меньшим, а -распад — переходом в клетку с номером на единицу больше. В соответствии с этим законом особенно поучительный случай изотопии имеет место для двух членов радиоактивного семейства, между которыми осуществляется одно превращение с испусканием -частицы и два — с испусканием -частицы. В самом деле, равенство зарядов ядер двух таких элементов следует сразу, если учесть, что в таком тройном процессе ядро теряет два отрицательно заряженных электрона и -частицу с двойным положительным зарядом. Это подтверждение рассматриваемых воззрений тем более интересно, поскольку окончательное установление общего закона смещения Фаянса и Содди в 1913 г. было совершенно независимым от развития обсуждавшихся здесь идей строения атома. Как мы теперь знаем из остроумного усовершенствования Астоном анализа ионных лучей, предложенного Томсоном, существование изотопов не ограничивается радиоактивными элементами; почти все обычные химические элементы представляют собой смесь изотопов с различными атомными массами. Таким образом, обычные атомные веса есть средние значения, имеющие второстепенное значение по сравнению с обычными химическими свойствами. Кроме того, открытие Астона, заключающееся в том, что все массы атомов очень близки к целым кратным массы атома водорода, сделало ясным, что ядро любого атома построено из электронов и ядер водорода. В самом деле, мы нашли здесь интересное возрождение идей Праута, которые сто лет назад вызвали так много дискуссий среди химиков.

1 Изотоп тория с массовым числом 230. — Прим. ред.

Осознание того, что электрон и ядро атома водорода, названное «протоном», образуют исходные единицы атомной структуры, открывает перед нами перспективу чисто электрической природы материи. До сих пор, как мы видели, интерпретация основной массы физических и химических опытных данных не зависела от проблемы внутреннего строения атомных ядер, имеющей специфические стороны, которые будут обсуждаться ниже. При этой интерпретации ядро достаточно рассматривать как заряженную материальную точку; и мы касались только проблемы конфигурации внеядерных электронов, число которых в нейтральном атоме, конечно, определяется зарядом ядра. Так, первый элемент в периодической таблице, а именно водород, содержит один электрон в атоме, а второй элемент, гелий, содержит два внеядерных электрона. Поэтому из общих идей Томсона относительно соотношения между числом электронов и периодической таблицей было неизбежным обобщение, состоящее в том, что для любого элемента число внеядерных электронов в нейтральном атоме определяется целым числом, так называемым атомным номером, который определяет положение элемента в периодической таблице, часто называемой «естественной системой элементов». Эта точка зрения находилась в очевидном соответствии с законом радиоактивного смещения и согласовалась в пределах экспериментальных ошибок с первоначальной резерфордовской оценкой заряда ядра, полученной из измерений Гейгера и Мерсдена рассеяния -лучей. Затем это было непосредственно подтверждено более точными измерениями Чэдвика этого рассеяния, так же как и обновлёнными исследованиями рассеяния рентгеновских лучей в веществе, интерпретируемого на основе знаменитой формулы Томсона. Экспериментальное доказательство этого фундаментального пункта получило необычайно сильное подтверждение главным образом благодаря блестящим исследованиям Мозли характеристических рентгеновских спектров элементов. Резюмируя, мы можем сказать, что в отношении согласования всех обычных свойств вещества резерфордовская модель атома поставила перед нами задачу, напоминающую старую мечту философов: свести интерпретацию законов природы к рассмотрению только чисел.

*

Однако, начиная работу по этой интересной программе, сразу сталкиваемся с трудностями чрезвычайно серьёзного характера, которые па первый взгляд казались фатальными для всей концепции электрического строения атома. В самом деле, согласно классическим теориям, никакая система заряженных материальных точек не будет обладать стабильностью, которая должна быть приписана структуре атома, чтобы объяснять химические и физические свойства вещества. Такие системы не будут иметь статических состояний устойчивого равновесия в обычном механическом смысле; требуемым условиям не будет удовлетворять также любое динамическое состояние. Даже в простейшем случае атома, состоящего из положительно заряженного ядра и одного электрона, это совершенно очевидно. Верно, что, согласно механике Ньютона, две частицы, притягивающиеся в соответствии с законом Кулона, будут двигаться по кеплеровскому эллипсу вокруг их общего центра тяжести. Но это решение, которое удовлетворительно объясняет устойчивость движений планет, даёт возможность понять, почему электрон и протон образуют атом с соответствующими химическими свойствами и характерным линейчатым спектром водорода. Без каких-либо теоретических рассуждений о происхождении солнечной системы ясно, что размеры земной орбиты и продолжительность года существенно определяются начальными условиями и могут каждый день меняться при столкновениях с метеоритами. С другой стороны, определённость атома водорода при самых различных условиях весьма впечатляюще проявляется в отождествлении спектральных линий излучения далёких звёзд со спектром водорода, полученным в обычных разрядных трубках. Если мы глубже вникаем в происхождение этого спектра, положение становится ещё хуже. Действительно, само испускание лучистой энергии атомом будет сопровождаться, согласно обычным электромагнитным представлениям, постепенным уменьшением размеров электронной орбиты и периода обращения; такой процесс сделает невозможным появление резких монохроматических спектральных линий и в конечном счёте приведёт к соединению электрона и протона в некоторую нейтральную систему с линейными размерами, чрезвычайно малыми по сравнению с размерами реальных атомов. Подобные замечания, очевидно, справедливы для любой атомной системы рассматриваемого типа. В самом деле, из обычной механики и электродинамики невозможно вывести никаких аргументов, которые позволяют объяснить, почему электрические составные части атома не нейтрализуют друг друга путём, который мог быть катастрофическим для стабильности материальных тел.