Чтение онлайн

Однако оказалось невозможным дать на этом основании детальное объяснение спектров элементов или хотя бы объяснение общего типа соотношений между длинами волн линий этих спектров, выполняющихся с высокой точностью и установленных Бальмером, Ридбергом и Ритцем. В рассмотренной нами картине строения атома эти затруднения выступают ещё яснее, поскольку, оставаясь на почве классической электродинамики, мы вообще не можем понять, как может возникнуть спектр, состоящий из отдельных линий. Эта теория вообще несовместима с предположением о существовании атомов, обладающих описанной выше структурой, так как движения электронов должны сопровождаться непрерывным излучением энергии атома до тех пор, пока электроны не упадут на ядро.

Возникновение квантовой теории

Однако выход из указанных затруднений электродинамики был найден в соображениях, заимствованных из так называемой квантовой теории, которая знаменует собой полнейший разрыв с теми представлениями, которыми пользовались до тех пор для объяснения явлений природы. Начало этой теории было положено, как известно, в 1900 г. Планком в его исследованиях закона теплового излучения. Этот закон вследствие его независимости от конкретных свойств вещества является пробным камнем для испытания применимости законов классической физики к атомным процессам.

Планк рассматривал равновесие излучения для ряда систем с теми же свойствами, что и у системы, рассмотрение которой привело Лоренца к его теории Зееман-эффекта. При этом он смог не только показать, что классическая электродинамика не способна объяснить явления теплового излучения; он нашёл, что полное согласие с экспериментальным законом теплового излучения может быть достигнуто, если в явном противоречии с классической теорией предположить, что энергия колеблющихся электронов изменяется не непрерывно, но только таким образом, что энергия системы всегда остаётся равной целому числу так называемых квантов энергии. Величина такого кванта должна быть пропорциональна частоте колебаний частицы. Относительно этой частоты так же, как и в классической теории, предполагается, что она равна частоте испускаемого света. Коэффициент пропорциональности, так называемая постоянная Планка, должен рассматриваться как новая универсальная постоянная, подобно скорости света или же заряду и массе электрона.

Удивительный результат Планка стоял вначале совершенно особняком в естественных науках. Однако благодаря важным работам Эйнштейна в этой области через несколько лет указанный вывод нашёл широкое применение. Прежде всего Эйнштейн обратил внимание на то, что ограничения, накладываемые на значения энергии колебаний частиц, могут быть проверены исследованием теплоёмкости кристаллических тел, так как в этих телах приходится иметь дело с подобными же колебаниями, но уже не одного электрона, а целого атома около положения равновесия в кристаллической решётке. Эйнштейну удалось показать, что эксперимент подтверждает теорию Планка. Более поздние исследования других авторов показали, что согласие имеет место со всеми предсказаниями этой теории. Кроме того, Эйнштейн подчеркнул и другое следствие, вытекающее из результатов Планка: лучистая энергия может испускаться и поглощаться колеблющейся частицей только в виде так называемых «квантов излучения», величина которых равна произведению постоянной Планка на частоту колебаний.

Стремясь дать наглядное истолкование этому результату, Эйнштейн предложил так называемую «гипотезу световых квантов», согласно которой лучистая энергия вопреки электромагнитной теории света Максвелла должна распространяться не в виде волн, а скорее в виде определённых «атомов» света, каждый из которых должен обладать энергией кванта излучения. Это представление привело Эйнштейна к известной теории фотоэлектрического эффекта. Названное явление, непонятное с точки зрения классической теории, получило в результате этого совершенно новое истолкование, а предсказания теории Эйнштейна за последние годы были столь точно подтверждены экспериментально, что именно измерения фотоэлектрического эффекта стали, по-видимому, самым точным способом определения постоянной Планка. Однако, несмотря на свою эвристическую ценность, гипотеза световых квантов, будучи совершенно несовместимой с так называемыми явлениями интерференции, не может помочь и в выяснении вопроса о природе излучения. Достаточно напомнить только, что явления интерференции предоставляют нам единственный способ исследования свойств излучения и позволяют придать определённый смысл частоте колебаний, которая в теории Эйнштейна определяет величину светового кванта.

В последующие годы было предпринято много попыток применить квантовые представления к вопросам строения атома, причём центр тяжести переносили то на одно, то на другое следствие, полученное Эйнштейном из результата Планка. Из наиболее известных попыток в этом направлении, не давших, однако, никаких определённых результатов, я не могу не упомянуть работы Штарка, Зоммерфельда, Хазенёрля, де Гааза и Никольсона.

К этому же времени относится работа датского химика Бьеррума по полосам поглощения в инфракрасной области, хотя и не связанная непосредственно с вопросом о строении атома, однако имевшая важное значение для развития квантовой теории. Он обратил внимание на тот факт, что вращение газовых молекул можно изучать по изменениям определённых линий поглощения при изменении температуры. Одновременно он указал на то, что результат этого вращения не должен состоять в непрерывном уширении линий, как этого следовало бы ожидать на основании классической теории, ничем не ограничивающей вращательное движение молекул. В соответствии с квантовой теорией он предсказывал, что линии должны распадаться на ряд компонент, соответствующих ряду дискретных вращательных движений, доступных для молекул. Это предсказание было подтверждено несколькими годами спустя Евой фон Бар. Данное явление и до сих пор может рассматриваться как одно из наиболее ярких доказательств реальности квантовой теории, несмотря на то, что с современной точки зрения первоначальное толкование должно претерпеть существенные изменения во многих отношениях.

Квантовая теория строения атома

Вопрос о дальнейшей разработке квантовой теории получил новое освещение в результате открытия атомного ядра Резерфордом (1911 г.). Мы уже видели, как после этого открытия стало очевидным, что с помощью одних только классических представлений оказывается невозможным понять наиболее существенные свойства атомов. Поэтому начались поиски такой формулировки принципов квантовой теории, которая могла бы объяснить устойчивость строения атомов и свойства излучения, испускаемого атомами, из которых состоит вещество. Подобная формулировка была предложена мной в 1913 г. в виде двух постулатов, содержание которых можно выразить следующим образом.

1. Среди всех мыслимо возможных состояний движения атомной системы существует ряд так называемых стационарных состояний, которые, несмотря на то, что движение частиц в этих состояниях подчиняется в значительной степени законам классической механики, обладают своеобразной устойчивостью, необъяснимой в рамках классической теории, в результате чего всякое изменение движения системы должно состоять в переходе из одного стационарного состояния в другое.

2. В самих стационарных состояниях, в противоречии с классической электромагнитной теорией, атом не излучает. Однако процесс перехода между двумя стационарными состояниями может сопровождаться испусканием электромагнитного излучения, обладающего теми же свойствами, что и излучение, посылаемое согласно классической теории электрически заряженной частицей, совершающей гармонические колебания с постоянной частотой. Однако эта частота не находится в простом отношении к движению атома, а определяется условием

h = E' - E'',

где h — постоянная Планка; E' и E'' — значения энергии атома в двух стационарных состояниях, представляющих соответственно начальное и конечное состояние атома в процессе излучения. Облучение атома электромагнитными волнами этой частоты может привести к процессу поглощения, переводящему атом из конечного состояния в начальное.

Тогда как первый постулат подчёркивает общую устойчивость атома, второй прежде всего имеет в виду существование спектров, состоящих из резких линий. Более того, квантовое условие, определяемое вторым постулатом, является исходным пунктом для интерпретации спектральных законов. Самый общий из этих законов, комбинационный принцип, установленный Ритцом, гласит, что частота для каждой линии спектра некоторого элемента может быть представлена формулой

h = T'' - T',

где T'' и T' — два так называемых спектральных терма, принадлежащих к совокупности термов, характерных для данного элемента.

В соответствии с нашими постулатами этот закон находит немедленное объяснение с помощью предположения о том, что спектр соответствует переходам между стационарными состояниями, в которых численные значения энергии атома равняются значениям спектральных термов, умноженных на постоянную Планка. Такое толкование комбинационного принципа существенно отличается от обычных электродинамических представлений отсутствием простой связи между движением атома и излучаемым светом. Отличие наших соображений от представлений, используемых обычно при описании явлений природы, станет совершенно очевидным, если обратить внимание на то, что появление двух спектральных линий, соответствующих комбинациям одного и того же спектрального терма с двумя другими термами, означает, что свойства излучения атома определяются не только состоянием атома в начале процесса излучения, но зависят также и от того состояния, в которое атом перейдёт в результате этого процесса.

Поэтому на первый взгляд могло бы показаться, что изложенное формальное толкование комбинационного принципа едва ли удастся связать с нашими представлениями о строении атома, основанными на экспериментальных данных, трактуемых с помощью классической механики и электродинамики. Более подробное исследование показало, однако, что на основании этих постулатов можно установить определённую связь между спектрами элементов и строением их атомов.

Спектр водорода

Спектр водорода является простейшим из всех известных нам спектров. Частоты линий этого спектра могут быть описаны с большой точностью формулой Бальмера