Квантовая модель атома. Нильс Бор. Квантовый загранпаспорт. - Jaume Navarro

Дарвин, в свою очередь, стремился объяснить математически потерю энергии α-частиц при их прохождении через разные материалы. Если Резерфорд прав, большинство α-частиц (которые не сталкиваются с ядром) подвергались бы некоторому отклонению во время столкновения с электронами атомов, расположенных далеко от ядра. Так как электроны примерно в 8000 раз меньше α-частиц, эти столкновения производили бы лишь незначительные отклонения и легкие потери энергии. Однако, помимо прочих неизвестных, загадкой оставалось и расположение электронов в атоме. Вопрос был важным, поскольку, представив себе столкновения между α-частицами и электронами, мы убедимся: вовсе не одно и то же, если последние распределены произвольно, если они все сосредоточены на внешней поверхности атома или если они организованы по орбитам.

Изолированные материальные частицы — это абстракции, свойства которых могут быть определены и зафиксированы только при их взаимодействии с другими системами.

Нильс Бор, «Теория атома и принципы описания природы» (1934)

Работы двух его коллег из Манчестера, особенно Дарвина, вызвали у Бора интерес к структуре атома, а именно к конфигурации электронов ядра в том виде, в каком это представлял Резерфорд. Но как вообразить стабильную структуру электронов вокруг ядра? С тех пор как Ньютон сформулировал в конце XVII века теорию гравитации для объяснения движения планет вокруг Солнца, многие физики и математики занимались расчетами для описания всех возможных орбитальных систем, существующих и отсутствующих. В системе, где тела притягиваются силами, пропорциональными расстоянию, единственная невозможная система — та, в которой тела не движутся. Если бы планеты и спутники не находились в движении, они притягивались бы друг к другу, пока не упали бы друг на друга и на Солнце. То же самое происходит с электронами в ядерном атоме: электроны должны двигаться на больших скоростях, чтобы избежать «падения» на ядро.

Движение электронов представляло собой проблему, когда их число было малым, потому что само движение являлось причиной потери энергии и столкновения с ядром. Но это не первая проблема, с которой столкнулся Бор. Его заботило, как получить информацию о движении электронов в настоящих атомах. Вспомним, что не существует микроскопа, который позволил бы заглянуть внутрь атома. В астрономии с движением планет все было понятно: когда Ньютон сформулировал теорию гравитации, в его распоряжении имелось очень точное описание планетных орбит, которое сделал Иоганн Кеплер за несколько десятилетий до этого. Но в случае с атомом, казалось, все было по-другому.

С этим новым интересом к структуре атома завершился первый опыт постдокторской работы, и Бор вернулся в Данию летом 1912 года. На родине ему предстояло множество дел. Сначала нужно было найти подходящую должность. Это оказалось непросто: в Дании существовал только один университет, и за время отсутствия Бора на кафедре физики произошли изменения. Очевидно, что хотя он и обладал блестящим умом, он был слишком молод, чтобы возглавить эту кафедру, и должность получил Мартин Кнудсен (1871-1949). Бор же стал преподавать физику студентам медицины и прочих специальностей.

Другой его целью тем летом была свадьба. После нескольких лет отношений с Маргрет пришло время жениться. Пара сочеталась 1 августа в муниципалитете Слагельсе; церемония заняла едва ли несколько минут и была проведена начальником полиции. Ввиду застенчивости и гиперактивности молодого Бора празднование максимально сократилось, к разочарованию матери Маргрет, которая надеялась, что ужин продлится около трех часов (вечность для Бора). Молодожены отправились в свадебное путешествие в Англию, а именно в Кембридж и Манчестер, где Бор продолжил размышлять и собирать информацию о структуре атома. Так был заключен брак, в котором физика стала частью семейного ядра.

В XIX веке, несмотря на то что не все принимали само существование атомов, некоторые представляли себе, что в атоме должна происходить некая внутренняя деятельность, возможно в виде вибраций или пульсаций, как, например, у мыльного пузыря. Это было еще до того, как на сцене появился электрон, а вместе с ним возникла идея о внутренней структуре атома. Подобные размышления были вызваны необходимостью объяснить спектр элементов, типы света, который испускает каждый элемент в знак собственной идентичности. Электромагнитная теория Максвелла показала: свет есть электромагнитное излучение, результат периодического движения тел с электрическим зарядом. Следовательно, если атомы испускают свет, внутри них должно существовать какое-то движение.

Электроны предполагали новую переменную, которая может объяснить спектр химических элементов. Возможно, свет, испускаемый атомами, — это результат вибраций (или другого типа периодического движения) электронов. Томсон, немецкий ученый Йоханнес Штарк (1874-1957) и ряд других исследователей безуспешно пытались учесть экспериментальные данные спектроскопии в своих предположениях о структуре атома. Начиная с февраля 1913 года Нильс Бор также занимался этим, хотя сосредоточился исключительно на спектре атома водорода. Уже в марте он отправил Резерфорду статью для публикации в «Философском журнале*, самом молодом научном издании того времени. Это была первая из трех статей, опубликованных им в том году и навсегда изменивших атомную физику.

Благодаря научной фантастике на сегодняшний день уже несколько поколений совершили межгалактические путешествия, однако на самом деле человек смог лишь несколько раз долететь до Луны. Имеющееся у нас знание о других планетах и галактиках — результат не того, что мы были там, а того, что само пришло к нам оттуда. Особенно это справедливо в отношении Солнца и других звезд. Сколько бы путешествий в гиперпространстве ни осуществляли персонажи научной фантастики, даже они не осмеливались приближаться к Солнцу. Тогда откуда известно, что Солнце состоит в основном из водорода, небольшого количества гелия и некоторых более тяжелых элементов? Это возможно благодаря свету, который испускает звезда, а именно спектральным линиям. Ньютон первым понял, что естественный свет состоит из целого ряда цветов радуги. С помощью призмы он заметил, что обычный белый свет — это результат сочетания нескольких различных «светов», и каждый из них можно изучать отдельно. Но не каждый свет белый. Если нагреть, например, медь, получается сине-зеленый свет; литий дает красный свет, а натрий — желтый. У каждого химического элемента есть собственная визитная карточка — свет. Так в XIX веке развивалась наука спектроскопия, анализирующая тип света, испускаемого определенным химическим веществом. Технология была относительно простой. Сначала нагревали изучаемое вещество в газообразном состоянии, пока оно не начинало испускать собственный свет. Его проводили через призму, которая разлагала свет, как в случае с радугой. Так как это разложение было крошечным, получившийся спектр (цвета) наблюдали затем через микроскоп. Информация о спектре каждого элемента была все более точной. Едва стали детально известны спектры элементов, свойственных Земле, можно было сравнить их со спектром света, посылаемого Солнцем и другими небесными телами. Поскольку спектр солнечного света во многом совпадает со спектром водорода, пришли к заключению, что Солнце состоит в основном из этого элемента.

Спектроскоп, разработанный Густавом Кирхгофом и Робертом Бунзеном, 1860 год.

Бор и любой, кто пытался объяснить спектр элементов на основе движения электронов, сталкивались с двумя основными взаимосвязанными проблемами. О первой уже было сказано ранее: движение электронов для начала предполагало потерю энергии, которая приговаривала атом к смерти. Но была также и вторая загадка: факт, что спектры обычно дискретны, а не непрерывны.

Каждый элемент испускает определенные цвета, или частоты. Обычно они визуализируются на фотографической пластине в виде ряда параллельных лучей, каждый из которых соответствует определенной частоте. Но если происхождение этих частот, этого света, испускаемого атомами, заключалось в какой-то форме потери энергии атомными электронами, почему свет наблюдается только на некоторых частотах, а не на непрерывном потоке света? Другими словами, если электроны постепенно тормозят, предполагается, что в процессе торможения они пройдут через все возможные значения энергии, как автомобиль, снижающий скорость с 80 до 20 км/ч, проходит через все промежуточные скорости. Ведь природа (по крайней мере так думали ранее) не должна делать скачков.

Именно здесь Бор выдвинул новую несколько рискованную гипотезу, которую физики того времени, особенно британские, в основном не приняли: гипотезу Планка. В конце 1900 года, практически от отчаяния, профессор теоретической физики Берлинского университета Макс Планк (1858-1947) объяснил давнюю проблему излучения, предположив, что взаимообмен энергией на микроскопических уровнях не непрерывный, а происходит малыми дозами; то есть природа, похоже, все-таки делает скачки. Также нужно знать, что только после 1906 года, когда молодой и почти неизвестный Альберт Эйнштейн (1879-1955) воспользовался той же самой гипотезой для объяснения давней аномалии удельной теплоемкости твердых тел, некоторые немецкие физики начали воспринимать гипотезу Планка всерьез.