Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство - Ирина Львовна Радунская

Из прошлого в будущее

Идеи Бора произвели сильное впечатление на современников. Но никто из них поначалу не обратил внимания № содержащийся в его постулатах намек на трудности философского осмысления атомных процессов. Вспомним, энергия фотона, излученного электроном, определяется двумя состояниями: орбитой, которую он покидает (то есть прошлым), и орбитой, на которую он приходит (то есть будущим).

Так возникает странная ситуация, при которой физический процесс зависит не только от прошлого, но и от будущего!

Это качественно новая проблема, возникшая перед физиками в мире атома, незнакомая им в мире больших вещей. Физики встретились с ней впервые. Она противоречила всему многовековому опыту, положениям классической физики, которая выявила, казалось, неопровержимую истину: каждое явление определяется предшествующим событием. А теперь в микромире выяснилось, что иногда это явление предопределено, зависит от будущего. Создавалось впечатление, что электрон, покидая свою орбиту, знает, куда, на какую из многочисленных доступных ему орбит, он стремится.

Физики этого не знали. Но это надо было научиться предсказывать, если они хотели овладеть тайной атома.

Образовалась еще одна трещина в классической физике. Ученые не могли считать, что фотон рождается после того, как электрон покидает свою первоначальную орбиту — в тот момент, когда он занимает новую орбиту. Потому что он появляется на ней в точном смысле в тот самый момент, как исчезает с первоначальной. Этот процесс не имеет длительности. Что же предопределяет поведение электрона?

Особенно таинственным и необъяснимым казалось то, что расстояние орбит от центра ядра характеризуется определенными числами. Придумав эти числа, назвав их квантовыми, Бор ввел их в расчеты, однако объяснить физический смысл не мог. Но они не были случайностью — тут сказывался жесткий закон. Какой?

Удивительные ответы на эти вопросы дал молодой француз, который начал свою взрослую жизнь со сдачи экзаменов на звание бакалавра по истории, прошел первую мировую войну связистом и заразился физикой от всего старшего брата, рассказавшего ему о волнениях, которые внесли в жизнь ученых кванты. Младший брат, его звали Луи де Бройль, увлекся. Можно сказать, кванты подарили миру великого ученого. Его вклад в науку огромен. Отметим только одну из его работ, имеющую непосредственное отношение к нашей теме.

Размышляя над загадкой электронных орбит, Луи де Бройль представил себе, что электроны в атоме — словно ноты на нотных строчках. Разумеется, это не буквальная аналогия.

Частота звукового тона определяется тем, на какой из строчек нотной записи находится соответствующая нота. Частота электромагнитного поля, которому соответствует излученный электроном квант энергии, — фотона определяется расстоянием между орбитами: той, с которой электрон исчез, и той, на которой появился. Разность звуковых частот между соседними нотными строчками описывается определенными числами. Подобные числа появляются и при вычислении разности энергии электрона на орбитах в атоме.

Де Бройль представил себе, что электрон, словно некое умозрительное подобие звучащей ноты, связан со своей волной. Что ему уютно только на такой орбите — строчке, где укладывается целое число связанных с ним волн. И если ему суждено перескочить на другую орбиту, он выберет такую, где тоже укладывается целое число волн. У каждого вещества есть свой набор нотных строчек — орбит. Это они определяют, какие именно фотоны способны рождать электроны, перескакивая с орбиты на орбиту в атоме данного элемента.

Так де Бройль связал между собой модель атома, придуманную Бором, с особыми волнами, управляющими поведением электронов в атоме. Расчет, произведенный де Бройлем, привел его к боровским орбитам. Квантовые числа Бора обрели физический смысл.

Внутреннее строение атома все более прояснялось. Оно четко проявлялось и в расположении цветных линии оптического спектра, и в значениях квантовых чисел.

Для того чтобы избежать недоразумений, следует напомнить, что в дальнейшем квантовая физика была вынуждена отказаться от представления движения электронов при помощи определенных орбит. В соответствии с этим изменился и смысл, вкладываемый в квантовые числа, введенные Бором и Зоммерфельдом. Но эти квантовые числа остались необходимыми и в новой квантовой теории, пришедшей на смену квантовой механике Бора — Зоммерфельда.

Метод квантования, который Зоммерфельд назвал колдовством, прочно вошел в обиход физики. Но приемы колдовского ритуала постепенно совершенствовались. Этим колдовством в совершенстве овладел Эдмунд Клифтон Стонер, талантливый физик-теоретик, окончивший Кембриджский университет. Он стал в 1937 году членом Лондонского королевского общества. Круг его научных интересов — проблемы магнетизма, атомной структуры веществ, квантовая статистика. В 1925 году он ввел в науку подразделение электронных оболочек атома на подоболочки. Путь к этому начался так.

Стонер сопоставлял спектральные линии в оптических спектрах атомов со всем набором возможных сочетаний трех квантовых чисел, введенных Бором и Зоммерфельдом перед ним распахнулись двери, ведущие в «кухню» природы, где по вполне определенным рецептам «приготовлялись» те или иные атомы.

Стонер сумел проследить, как из спектров атомов с необходимостью вытекает порядок распределения электронов орбитам, начиная от простейшего атома водорода, имеющего один электрон, к сложным многоэлектронным атомам. В 1924 году в статье «Распределение электронов по атомным уровням» он показал соответствие между рентгеновскими спектрами элементов и квантовыми числами Бора и Зоммерфельда.

Стонер пишет: «Электроны могут входить в группу (группами он называл электронные оболочки) до тех пор, пока не будут заняты все возможные (для этой оболочки) орбиты, и тогда атом будет обладать симметричной структурой.

Работа Стонера послужила в определенном смысле завершением работы Менделеева по выявлению связи физических и химических свойств атомов с их взаимным расположением в периодической системе элементов. Запомним: химические свойства элементов определяются количеством электронов во внешней оболочке атома. Внутренние оболочки иногда влияют на химические свойства, но гораздо слабее, чем электроны внешней оболочки.

Теперь в каждой из клеток периодической системы элементов можно было просто нарисовать схему расположения электронных орбит, которые группируются в оболочки, соответствующие периодам таблицы Менделеева. Вопрос о том, как устроены атомы и как их устройство связано с их свойствами, казался выясненным окончательно.

За кулисами периодического закона

Истинным ученым ни один шаг не кажется последним. Прозрачная ясность схемы Стонера неизбежно породила вопрос: почему заполнение электронных оболочек происходит именно так, а не иначе? Что стоит за периодическим законом, на чем основан этот закон?

Уже в марте 1925 года немецкий физик-теоретик Вольфганг Паули ответил на этот вопрос. Ответил введением постулата, ставшего затем одним из фундаментов квантовой физики. Этот постулат известен теперь как «принцип запрета» Паули.

Незадолго до того, анализируя с квантовой точки зрения влияние внешнего магнитного поля на спектр атомов, Паули пришел к любопытному