Жизнь науки - С. Капица

В протпвоположность этому я постарался с самого начала так построить изложение, чтобы ни одно из вводимых положений не приходилось в дальнейшем ограничивать, а тем более изменять. Этим достигается, по крайней мере, то, что изложенная здесь теория не содержит никаких внутренних противоречий; этим я отнюдь не хочу утверждать, что она не может быть улучшена во многих отношениях как по своей внутренней структуре, так и по части изложения. Я также не ставил себе задачей рассмотреть здесь многочисленные применения квантовой гипотезы в других областях физики, ставшие уже во многих случаях весьма важными; тем более в мою задачу не входил разбор всех воззрений, расходящихся с квантовой гипотезой.

Если таким образом и новое издание этой книги не может претендовать на то, чтобы дать окончательное и удовлетворительное во всех отношениях изложение теории теплового излучения, то для суждения о книге этот недостаток но будет все же решающим. Ведь тот, кто захочт поставить свое отношение к квантовой гипотезе в зависимость от того, удалось ли вполне разъяснить смысл кванта действия для элементарных физических процессов или по крайней мере иллюстрировать его посредством какой-нибудь простой динамической модели,— тот, по-моему, не понимает характера и смысла квантовой гипотезы. Существенно новый принцип не может быть воспроизведен моделями, действующими по законам старой теории. Что же касается окончательной формулировки этой гипотезы, то не следует забывать, что и при классическом изложении физика атома в действительности все время является весьма темной и недоступной областью, куда обещает внести некоторую ясность только* введение элементарного кванта действия.

Поэтому из самого существа дела вытекает, что понадобится еще трудная экспериментальная и теоретическая работа, на протяжении годов, и десятилетий, чтобы постепенно продвинуться вперед в этой новой области. Всякий, отдающий в настоящее время свои силы квантовой гипотезе, должен удовлетвориться сознанием того, что, вероятно, только будущее поколение пожнет плоды затраченных трудов.

Берлин, ноябрь 1912 г.

БОР

Нильс Генрик Бор родился в Копенгагене. Он был старшим сыном Христиана Бора, профессора физиологии Копенгагенского университета. Нильс Бор окончил университет в своем родном городе. Бго первая и единственная экспериментальная работа была посвящена динамическому методу исследования поверхностного натяжения воды. Интересно, что к явлениям поверхностного натяжения он обратился через много лет, в 1939 г. при создании капельной модели ядра и развитии теории открытого тогда деления ядер. В 1911 г. Бор отправился в Англию и работал сначала в Кембридже у Дж. Дж. Томсона, а эатем у Резерфорда в Манчестере; там были написаны его работы по квантовой теории атома.

В 1916 г. Бор вернулся в Данию, где получил кафедру теоретической физики в Копенгагене; в 1920 г. на средства крупнейшего датского пивовара Бор основал Институт теоретической физики. «В эти годы в замечательном сотрудничестве целого поколения физиков-теоретиков многих стран,— писал Бор,—шаг за шагом было соз дано логически непротиворечивое обобщение квантовой механики и электродинамики. Эти годы иногда называют героической эпохой квантовой физики. Всякому, кто следил за этим развитием, представлялось незабываемое свидетельство того, как путем сочетания различных подходов и примененпем соответствующих математических методов возникло повое воззрение, требующее полного охвата физической реальности». В значительной мере этот успех был обязан обаятельной личности Бора; исключительно требовательный к себе и доброжелательный к другим, он смог организовать творческий коллектив своих выдающихся сотрудников.

В 30-е годы внимание Бора было привлечено к проблеме приложения вновь созданной квантовой механики к физике ядра после блестящих успехов в теории атома.

Во время второй мировой войны Бор оказался в оккупированной Дании. В 1943 г., опасаясь ареста гестапо, Бор с семьей бежал на яхте в Швецию. Оттуда он был тайно вывезен сначала в Англию, а затем в США для работы над атомной бомбой. Прогрессивный в своих общественно-политических взглядах, Бор раньше многих понял глубокие изменения в послевоенной международной жизни, которые вызвало появление ядерного оруяшя. В послевоенные годы Бор много сделал для возобновления международного сотрудничества ученых. За год до своей смерти, в 1961 г., он вновь посетил Советский Союз, где впервые был еще до войны.

Мы приводим введение к первой из трех работ Бора «О строении атомов и молекул» (1913), а также предисловие к его последней книге «Атомная физика и человеческое познание» (1958).

Для объяснения результатов опытов по рассеянию а-частиц веществом Резерфорд[89] выдвинул свою теорию строения атома. Согласно этой теории, атом состоит пз положительно заряженного ядра и системы окружающих его электронов, удерживаемых силами притяжения ядра. Общий отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра. В ядре содержится основная часть массы атома, а его линейные размеры исключительно малы по сравнению с линейными размерами всего атома. Число электронов в атоме приблизительно равно половине атомного веса. К этой модели атома нужно относиться с большим вниманием, ибо, как показал Резерфорд, предположение о существовании таких ядер необходимо для объяснения опытных данных по рассеянию а-лучей на боггьпше углы[90].

При попытке объяснить некоторые свойства веществ на основе этой модели атома мы, однако, сталкиваемся с серьезными трудностями, вытекающими пз кажущейся неустойчивости системы электронов. В ранее принятых моделях атома, например предложенной Дж. Дж. Томсоном[91], эти трудности не возникали. По теории последнего, атом состоит ш равномерно заполненного положительным электрическим зарядом шара,, в котором электроны движутся по окружностям.

Основное различие между моделями, предложенными Томсоном и Резерфордом, заключается в том, что силы, действующие на электроны & модели Томсона, допускают определенные конфигурации и движения,, обеспечивающие устойчивое равновесие системы; такие конфигурации^ по-видимому, не существуют для модели Резерфорда. Суть обсуждаемого различия яснее всего проявляется, если заметить, что среди величин* характеризующих первый атом, имеется одна — радиус положительно заряженного шара — с размерностью длины, притом того же порядка, что* и линейная протяженность атома, тогда как среди величин, характеризующих второй атом (заряды и массы электронов и положительного' ядра), такая длина отсутствует, и ее нельзя определить с помощью перечисленных величин.

Способ рассмотрения проблемы такого рода претерпел, однако, за последние годы существенные изменения благодаря развитию теории теплового излучения и появлению прямых подтверждений в опытах над различными явлениями (теплоемкость, фотоэффект, рентгеновы лучи и т.д.) тех новых предположений, которые были введены в эту теорию. Обсуждение этого вопроса приводит к выводу, что классическая электродинамика, очевидно, неприменима для описания поведения систем атомных размеров[92]. Что касается законов движения электронов, то представляется необходимым ввести в эти законы чуждую классической электродинамике величину, а именно постоянную Планка, или, как ее часто называют, элементарный квант действия. Если ввести эту величину, то вопрос

о стабильных конфигурациях электронов в атомах существенно меняется, так как размерность и величина этой постоянной таковы, что вместе с массой и зарядом частиц она позволяет определить длину нужного* порядка.

Настоящая статья является попыткой показать, что применение указанной выше идеи к модели атома Резерфорда создает основу для теории строения атома. Затем будет показано, что дальнейшее развитие* теории ведет пас и к объяснению свойств молекул.

В первой части предлагаемой работы на основе теории Планка рассматривается механизм связывания электронов с ядром. Будет показано, что принятая точка зрения позволяет легко объяснить закономерности в-спектре водорода. В дальнейшем будут даны исходные предпосылки для основной гипотезы, на которой построены все рассуждения, содержащиеся в следующих частях статьи.

Я хочу здесь выразить свою благодарность профессору Резерфорду за его дружеский и ободряющий интерес к этой работе.

Важное значение физической науки для развития общего философского мышления основано не только на ее вкладе в наше непрерывно возрастающее познание той природы, частью которой мы являемся сами; физическая наука важна и тем, что время от времени она давала случай пересматривать и улучшать нашу систему понятий как орудие познания. В нашем столетии изучение атомного строения материи обнаружило неожиданное ограничение области применимости классических физических идей и пролило новый свет на содержащиеся в традиционной философии требования к научному объяснению. Необходимый для понимания атомных явлений пересмотр основ и предпосылок однозначного применения наших элементарных понятий имеет поэтому значение, выходящее далеко за пределы одной только физической науки.