Чтение онлайн

В соответствии с идеями квантовой теории каждая линия спектра, подобного дуговому спектру калия, испускается атомом во время процесса перехода между двумя из множества стационарных состояний. В таких состояниях один электрон движется по орбите, размеры которой велики по сравнению с размерами орбит других электронов в атоме, образующих вместе с ядром, так сказать, внутреннюю систему. В первом приближении орбита внешнего электрона будет плоской периодической орбитой, которая, кроме того, равномерно вращается в своей плоскости. Поэтому для стационарных состояний внешнего электрона движение в первом приближении задаётся известным способом с помощью двух квантовых чисел, которые можно обозначить n1 и n2. При этом n1 определяется некоторым условием, связанным с радиальные движением электрона; n2 задаёт момент импульса электрона относительно центра орбиты, согласно условию, что этот момент равен n2h/2 Предполагается, что эти числа связаны со спектральными термами таким образом, что n1 возрастает на единицу, когда в пределах некоторой серии термов мы переходим от одного её терма к следующему, тогда как n2 остаётся постоянным для каждой серии термов и возрастает на единицу, когда мы переходим от S-термов к P-термам, от P-термов к D-термам и т.д. Однако эта классификация термов имеет отношение только к структуре спектров в целом. Для того чтобы учесть сложную структуру линий (дублеты, триплеты), надо рассмотреть более сложные детали всего набора стационарных состояний. Они возникают за счёт усложнения движения внешнего электрона вследствие малого отклонения симметрии внутренней системы от центральной. Это приводит к появлению слабой прецессии плоскости орбиты внешнего электрона вокруг оси, совпадающей с направлением момента импульса атома. Вследствие такого усложнения движения при задании стационарных состояний придётся ввести третье квантовое число n3, которое фиксирует ориентацию плоскости вращения внешнего электрона относительно оси внутренней системы при помощи условия равенства полного момента импульса атома величине n3h/2. Это третье квантовое число связано со сложной структурой всего набора спектральных термов зa счёт того, что компоненты некоторого набора термов с одинаковыми значениями n1 и n2 различаются значениями n3.

Далее, так называемый принцип отбора появляется при рассмотрении ограничений на возможность перехода между стационарными состояниями. Это рассмотрение основано на двух совершенно различных аргументах.

Один из них покоится на принципе соответствия, согласно которому возможность перехода между двумя стационарными состояниями, приводящего к испусканию гармонических волн, кроется в наличии некоторых, «соответствующих» компонент гармонических колебаний в движении атома. Для стационарных состояний атома описанного выше типа этот аргумент приводит к выводу о том, что в то время как на изменение квантового числа n1 не накладывается никаких ограничений, число n2 при переходе должно всегда изменяться на единицу, а число n3 может либо измениться на единицу, либо остаться неизменным.

Второй аргумент вытекает из того факта, что в некоторых случаях можно запретить переходы между стационарными состояниями с помощью условия сохранения момента импульса во время процесса излучения. Что касается рассматриваемой проблемы, это приводит к заключению о том, что квантовое число n3, которое, как упоминалось, прямо связано с полным моментом импульса атома, не может меняться при переходе больше, чем на единицу. В то же время из этого аргумента не удается получить никакой прямой информации относительно ограничений на квантовые числа n1 и n2.

Что касается сопоставления этих выводов с экспериментом, наше понимание природы сложной структуры спектральных линий в настоящее время ещё не настолько развито, чтобы обеспечить определённую проверку детальной интерпретации квантового числа n3 а следовательно, и правил отбора, базирующихся на законе сохранения момента импульса. Основная проблема (с которой сталкиваются в экспериментах, описанных в упомянутой выше заметке) состоит сейчас в проверке выводов, касающихся изменения квантовых чисел n1 и n2 от которых в первом приближении зависят спектральные термы. Полученные ранее экспериментальные результаты о структуре спектров, казалось, убедительно подтверждали вывод, полученный с помощью принципа соответствия, о том, что в случае, когда на излучающий атомы не влияют никакие внешние воздействия, могут появляться только такие спектральные линии, которые отвечают комбинации термов с квантовыми числами n2, отличающимися на единицу. Это можно рассматривать как очень важный результат, поскольку можно утверждать, что квантовая теория, впервые предложившая простую интерпретацию фундаментального принципа комбинации спектральных линий, в то же время, так сказать, сняла покров таинственности, который существовал вокруг применения этого принципа вследствие кажущегося непостоянства появления предсказываемых комбинационных линий. Особое внимание следует обратить на простую интерпретацию, которую получает в рамках квантовой теории появление некоторых новых серий линий, наблюдавшихся Штарком с сотрудниками. Эти серии не появляются при обычных условиях, но возбуждаются, когда излучающие атомы подвергаются воздействию сильных внешних электрических полей. Действительно, согласно принципу соответствия, этот факт находит немедленное объяснение при изучении возмущений в движении внешнего электрона. Помимо колебаний, соответствующих простой центрально-симметричной орбите, возникает ряд составляющих гармонических колебаний нового типа с амплитудой, пропорциональной напряжённости внешних полей. Называть такой эффект, как это часто делается, «нарушением» принципа отбора не совсем удачно. Это — терминология, не адекватная характеру той теоретической интерпретации, которая может быть дана рассматриваемому явлению.

В новых экспериментах, результаты которых опубликованы в заметке, упомянутой в начале настоящей статьи, были приняты специальные меры для того, чтобы заэкранировать излучающие атомы от влияния внешнего электрического поля, обусловленного потенциалом, приложенным к разрядной трубке. Несмотря на эту предосторожность, было найдено, что при определённых условиях наблюдаемые спектры содержали помимо обычных линий калия некоторые линии, соответствующие комбинациям двух термов, для которых n2 отличаются на двойку. Они соответствуют упомянутой выше новой серии, которая появляется, когда излучающие атомы помещены в сильные электрические поля. Этот факт рассматривается авторами как важное исключение из принципа отбора, поскольку появление этих линий, очевидно, не могло быть вызвано внешними полями, как это имеет место в обычном эффекте Штарка. Однако при более внимательном изучении экспериментальных условий оказывается, что опубликованные результаты скорее подтверждают, нежели опровергают, теорию. Прежде всего было обнаружено, что рассматриваемые линии появлялись только в том случае, если через аппаратуру проходил очень сильный ток. Когда же в трубке протекал разряд с меньшей плотностью тока, эти линии не появлялись. Таким образом, в тех случаях, когда с достаточно хорошей точностью удовлетворялось условие применимости теории, т. е. на атомы не действовали никакие внешние силы, не наблюдалось никаких отклонений от простого правила отбора. Это указывает на то, что наличие новых линий в случае более высоких плотностей тока было вызвано неким фактором, влияющим на обычное движение электронов в атомах. Если попытаться обнаружить этот эффект, то оказывается, что именно благодаря применённой экранировке от внешних воздействий описываемая экспериментальная установка будет особенно удобна для накопления ионов в области разрядной трубки, использованной для наблюдения спектра. На этот эффект по ходу дела обращают внимание и сами авторы как на возможную причину возникновения новых линий. Не имея более полной информации о размерах аппаратуры и о деталях установки, нежели это даётся в указанной заметке, невозможно провести точную оценку плотности ионов, которые могли бы возникнуть в условиях этого эксперимента. Однако даже грубые оценки делают весьма вероятным, что поля, вызванные соседними ионами и свободными электронами и действовавшие на излучающие атомы, были по порядку величины равны тем, которые, согласно квантовой теории, необходимы для появления новых линий с наблюдаемой интенсивностью. Особо следует отметить, что напряжённость этих полей могла оказаться во много тысяч раз большей, нежели напряжённость внешних электрических полей в неэкранированной части аппаратуры.

В целом теория спектров, основанная на квантовой теории, по-видимому, позволяет единым образом объяснить экспериментальные факты. При этом не следует считать, что относительные интенсивности, с которыми появляются комбинационные линии при разных экспериментальных условиях, выдвигают серьёзные трудности перед теорией; скорее они предоставляют информацию для изучения условий, при которых были испущены спектры. Например, изучение появляющихся комбинационных линий, возможно, откроет наиболее прямые пути к оценке плотности ионов в разных частях разрядной трубки. Что касается более детального описания теории сложных спектров и ссылок на литературу по этому вопросу, читателю можно порекомендовать статью о действии электрических и магнитных полей на спектральные линии, которая основана на Гэтриевской лекции, прочитанной автором в Лондонском физическом обществе 24 марта, и которая вскоре появится в трудах этого общества.

Копенгагенский университет,

11 апреля 1922 г.

1923

21 ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА СПЕКТРАЛЬНЫЕ ЛИНИИ *

*The Effect of Electric and Magnetic Fields on Spectral Lines. Proc. Phys. Soc., 1923, 35, 275—302. (7-я Гэтрневская лекция, прочитанная Бором в Лондонском физическом обществе 24 марта 1922 г,— Ред.)

ВВЕДЕНИЕ

Характерные изменения спектральных линий, наблюдаемые при воздействии магнитных или электрических полей на излучающие вещества, служат ценным источником информации о строении атомов. Действительно, эти эффекты являются средством детального исследования влияния контролируемых факторов на внутриатомные процессы. Этот факт был осознан физиками в основных чертах ещё со времени фундаментального открытия Зееманом 1 25 лет тому назад характерного воздействия магнитных полей на спектральные линии. Внимание к этой проблеме было ещё более привлечено после открытия Штарком 2 около десяти лет тому назад аналогичного эффекта в электрических полях. Однако вследствие развития нашего понимания электромагнитного излучения за этот отрезок времени весь подход к проблеме, в рамках которого велись поиски объяснений этих эффектов в связи с теориями строения атома, претерпел существенные изменения. Основной предмет этой лекции состоит в том, чтобы, по возможности, яснее показать принципиальные особенности этого развития.

1 Р. Zeeman. Phil. Mag., 1897, 43, 226; см. также: Zeeman’s collected papers on magnetooptical phenomena. Leiden, 1921.

2 J. Stаrк. Berliner Sitzungsber, 1913 Nov.; см. также: Elektrische Spektral-analyse. Leipzig, 1914.

I. ЭФФЕКТЫ ЗЕЕМАНА И ШТАРКА И КЛАССИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ

Согласно классической электродинамике, характер излучения, испускаемого системой заряженных частиц, должен непосредственно зависеть от движения этих частиц. В самом деле, из этой теории следует, что каждая компонента гармонических колебаний электрического момента системы должна приводить к испусканию воли с частотой, совпадающей с частотой этого колебания, и с интенсивностью, зависящей от его амплитуды. Несмотря на трудности учёта простым способом замечательных эмпирических законов, управляющих частотами в спектрах разных элементов, характерные черты открытия, сделанного Зееманом, получили в рамках теории, как было показано Лоренцом, непосредственную интерпретацию. Лоренц 1 предположил, что каждая линия в спектре невозмущённого атома возникает вследствие движения заряженной частицы, совершающей гармонические колебания относительно положения устойчивого равновесия в атоме под действием притяжения, направленного в сторону этого положения равновесия и пропорционального смещению в первой степени. Компонента этого смещения в заданном направлении в пространстве может быть записана в виде

=C cos 2(

0

t+),

где частота 0 не зависит от амплитуды колебания C.

1 См.: Н. A. Lоrеntz. The Theory of Electrons, Ch. 3. Leipzig, 1909.

Анализируя изменения в движении частицы, вызываемые наличием внешнего магнитного поля, Лоренц показал, что при рассмотрении этой задачи в рамках обычной электродинамики первоначальное чисто гармоническое движение изменяется таким образом, что его можно уже рассматривать как состоящее из трёх гармонических компонент. Одной из них является линейное гармоническое колебание параллельно магнитному полю с частотой, совпадающей с частотой невозмущённого движения. Две другие компоненты представляют собой круговые вращения в противоположных направлениях в плоскости, перпендикулярной приложенному полю, с частотами, задаваемыми соотношениями

=

0

±

H

,

(2)

где два знака соответствуют двум противоположно направленным вращениям. Выражение для H имеет вид

H

=

eH

4cm

(3)

где H — напряжённость магнитного поля, e и m — соответственно заряд и масса осциллирующей частицы, а c — скорость света.

Этот результат оказался в превосходном согласии с измерениями Зеемана. Действительно, было обнаружено, что в ряде случаев спектральная линия расщепляется на три компоненты, одна из которых линейно поляризована и находится точно на месте первоначальной линии, тогда как две другие располагаются симметрично относительно первоначальной линии и обладают круговой поляризацией в противоположных направлениях. Далее, отношение заряда к массе осциллирующей частицы, вычисленное по формулам Лоренца из смещения этих компонент, как было найдено, находится в хорошем согласии с величиной, полученной из опытов по отклонению катодных лучей в электрических и магнитных полях. При этом из поляризаций, наблюдаемых у внешних компонент, было видно, что заряд этих частиц, подобно заряду частиц катодных лучей, был отрицательным. Этот результат был повсюду воспринят как наиболее убедительное доказательство электронной теории вещества. Можно с определённостью сказать, что он вне всякого сомнения подтвердил вывод о том, что природу возникновения спектров следует искать в движении электронов, в атоме.

С точки зрения общего обсуждения эффекта Зеемана существенное значение имеет теорема, впервые установленная в электродинамике Лармором 1. Согласно этой теореме, движение совокупности электронов в центральном поле будет при наличии однородного магнитного поля претерпевать изменение, сводящееся к тому, что движение системы в первом приближении можно описать как возможное движение электронов в отсутствие поля, на которое наложено равномерное вращение всей системы вокруг оси, параллельной направлению поля, с частотой H, задаваемой формулой (3).