Чтение онлайн

– Все учёные такие… странные? – озадаченно спросила Галатея.

Дзинтара тяжело вздохнула, подняла глаза к потолку, что-то прикинула в уме и коротко ответила:

– Многие.

Она снова уткнулась в книжку.

– Осенью 1912 года Бор начал работать внештатным преподавателем в Копенгагенском университете. В течение года он написал и опубликовал три статьи, которые стали основой атомной физики и вехой в истории естествознания. Бор соединил не только строение атома и линии Фраунгофера, но и добавил в свою теорию, на первый взгляд совсем далёкую от них, плавную кривую Планка, которая описывала непрерывный спектр звёзд и электролампочек.

– Как он смог? – поразилась Галатея. – Объединить атом Резерфорда, линии Фраунгофера и электроламповую кривую Планка?

– Вообще говоря, этого никто не знает – как учёному приходит в голову гениальная идея, объединяющая столько разнородных физических фактов. Но Бору это удалось: он взял модель атома Резерфорда для водорода, где был всего один электрон, и ввел два существенных отличия планетарной модели атома от реальной Солнечной системы. Одно предположение накладывало запрет на свободное расположение орбит: если в Солнечной системе планеты могут вращаться по любым орбитам, в атоме их набор стал жёстко заданным. Зато второе предположение давало электронам невиданную ранее свободу: если реальные планеты, выбрав в момент рождения какую-то орбиту, оставались прикованы к ней навечно, то в атоме Бора электроны могли прыгать с орбиты на орбиту, словно птички по жёрдочкам.

– Птички на жёрдочках! – развеселилась Галатея.

– Да, трудно представить, что Юпитер скачет сначала на орбиту Марса, а потом прыгает в гости к Нептуну! – усмехнулся Андрей.

– Верно, способность к перемене орбит стала кардинальным отличием электрона в атоме от реальной планетной системы. Кроме того, Бор предположил, что в случае прыжка с верхней орбиты на нижнюю электрон выпускает порцию энергии в виде света или электромагнитного излучения. Перейти с нижней орбиты на верхнюю электрон может, только поглотив аналогичную порцию внешнего излучения. Частоту этого излучения Бор умножил на постоянную Планка и получил величину, которую счёл разницей в энергии между орбитами. Тем самым он неожиданно для самого себя объяснил существование серий спектральных линий Бальмера и Лаймана и даже вывел формулу Ридберга, выразив константу Ридберга через фундаментальные физические постоянные.

– Ой, для меня это тоже неожиданно! Как же он объяснил существование этих линий? – всполошилась Галатея.

– Представьте себе десяток жёрдочек. Нижняя имеет первый номер, верхняя – десятый. Пусть по этим жёрдочкам прыгают весёлые птички – синички. Каждый прыжок птички вниз дает излучение определённой длины волны – спектральную линию. Чем больше расстояние между жёрдочками, тем больше энергия излучения – и, по формуле Планка, меньше его длина волны. Пусть на жёрдочках с номерами от двух до десяти сидит по птичке. И пусть каждая из них спрыгнет на пустую нижнюю орбиту-жёрдочку с номером один. Это породит серию ультрафиолетовых линий – серию Лаймана. Если же птички, сидящие на орбитах с третьей по десятую, перескочат не на первую, а на вторую орбиту, энергия излучения будет поменьше – это серия Бальмера из видимого диапазона. А если заставить птичек с орбит четыре-десять перепрыгнуть на орбиту три, мы получим инфракрасную серию линий Пашена.

– Вот оно что! Это не планетарная, а синичная модель атома! – прошептала поражённая Галатея.

– Если мимо наших жёрдочек будет пролетать световой квант подходящей энергии, синичка сможет поймать его и перепорхнуть на более высокую жёрдочку. Такие пойманные в атоме кванты света приведут к появлению тёмных линий Фраунгофера на фоне сплошного спектра. Если посмотреть на формулу Ридберга в свете модели атома Бора, то станет понятно, что число N – это номер орбиты, на которую перепрыгивают синички-электроны, а K – номер орбиты, на которой они сидели раньше. Конечно, число электронных орбит не ограничивается десятью – их бесконечно много, поэтому число К может увеличиваться до бесконечности, но формула Ридберга и правила Бора по-прежнему будут выполняться.

Интересно, что ещё в начале 1913 года Бор писал Резерфорду и своему другу Хевеши, который был пионером в использовании радиоактивных изотопов в биологических исследованиях, что не занимается вычислением частот наблюдаемых спектральных линий. Но ранней весной 1913 года на глаза Бору попалась книжка, где популярно объяснялись законы спектральных линий и приводилась формула Бальмера. Бора озарило – он понял, что закономерности расположения спектральных линий являются ключом к пониманию атома. Впоследствии он вспоминал, что, как только увидел формулу Бальмера, ему всё стало ясно.

– Вот так просто – увидел и понял? – недоверчиво спросила Галатея.

– Конечно, нет! Нужно долго и упорно думать над проблемой, чтобы она могла быстро решиться внезапным озарением. Новая теория Нильса Бора противоречила классической физике, потому что гласила: на стабильных орбитах электроны не излучают. А теория Максвелла утверждала, что заряженные частицы, двигающиеся по кругу, должны излучать. Бор утверждал: электроны могут испускать и поглощать только определённые порции энергии – световые кванты. Это тоже было странно и необычно для классических физиков, привыкших к непрерывным и ничем не ограниченным процессам. Но Бор знал о квантах Планка и показал, что атом и электронные структуры в нём построены на квантовании энергии. Теория Планка, созданная для свечения электролампочек, отвечала и за самые тонкие внутриатомные процессы.

Резерфорд отнесся к модели Бора с интересом, хотя заметил, что она не лишена противоречий, базируясь одновременно и на квантовой идее Планка, и на классической механике. Профессор написал Бору: «Ваши мысли относительно причин возникновения спектра водорода очень остроумны и представляются хорошо продуманными, однако сочетание идей Планка со старой механикой создает значительные трудности для понимания того, что же всё-таки является основой такого рассмотрения. Я обнаружил серьёзное затруднение в связи с Вашей гипотезой, в котором Вы, без сомнения, полностью отдаете себе отчёт; оно состоит в следующем: как может знать электрон, с какой частотой он должен колебаться, когда он переходит из одного стационарного состояния в другое? Мне кажется, что Вы вынуждены предположить, что электрон знает заблаговременно, где он собирается остановиться».

Корифеи науки Томсон и Рэлей не приняли новые идеи Бора. Лорд Рэлей высказал такое мнение о работе молодого датчанина: «Я её просмотрел, но не вижу, чем бы она могла быть мне полезна. Не берусь утверждать, что открытия так не делаются. Может быть, и делаются. Но меня это не устраивает». Эйнштейн заявил: «Если всё это правильно, то здесь – конец физики». Тем не менее много позже тот же Эйнштейн напишет, отдавая должное модели Бора: «Мне всегда казалось чудом, что этой колеблющейся и полной противоречий основы оказалось достаточно, чтобы позволить Бору – человеку с гениальной интуицией и тонким чутьем – найти главнейшие законы спектральных линий и электронных оболочек атомов, включая их значение для химии. Это мне кажется чудом и теперь. Это – наивысшая музыкальность в области мысли».

Многие видные учёные, такие как Джинс и Лоренц, сразу заинтересовались новой теорией – уж очень изящно она объяснила спектральные линии водорода и водородоподобных атомов.

– Да, синички на жёрдочках – это красиво! – подтвердила Галатея.

– В середине сентября 1913 года в Англии проходила научная конференция, на которой присутствовали такие корифеи науки, как Томсон, Рэлей, Мария Кюри, Джинс и Лоренц. Дискуссия велась, в основном, вокруг только что опубликованных статей Бора.

Джинс во вступительном докладе отметил: «Доктор Бор пришёл к чрезвычайно остроумному, оригинальному и, можно сказать, убедительному толкованию законов спектральных линий».

В ответ на скепсис аудитории он решительно заявил:

Интерес к теории Бора ничего не изменил в положении молодого преподавателя. В марте 1914 года Бор с горечью написал своему шведскому другу: «Занимаемая мною должность не предусматривает предоставления мне какой-либо лаборатории… Мои обязанности сводятся к преподаванию физики студентам-медикам и не имеют ничего общего с научными исследованиями; у меня нет никакой возможности получить учеников или ассистентов». Бор сообщил, что добивается открытия вакансии преподавателя по теоретической физике, но «факультет постоянно противится учреждению этой должности».