Даниил Данин - Резерфорд

Каждой орбите соответствует неизменный уровень энергии атома. Чем дальше от ядра, тем выше этот уровень.

Любая система тем устойчивей, чем меньше энергии в ней запасено. Атом всего устойчивей, когда электрон вращается по самой нижней стационарной орбите. И конечно, возбужденный притоком энергии извне, атом стремится вернуться в это основное состояние. Поднятый на далекую орбиту, электрон будет падать вниз — к ядру. Но по дороге он сможет застрять, хотя бы временно, на любой из лежащих ниже стационарных орбит. Только повиснуть между орбитами он не сможет, ибо не обретет там никакой устойчивости. И ниже самой нижней разрешенной орбиты спуститься ему тоже не дано. Вращаться по ней он способен неограниченно долго, ибо в состоянии с минимальной энергией ничто не мешает атому жить бессрочно. И ясно, что в таком нормальном состоянии атом не излучает света.

Зато возбужденный атом, расставаясь с избытком энергии, сигнализирует об этом испусканием электромагнитных волн. И если бы в микромире оставались верными классические законы, атомные «спектры возбуждения», как называют их физики, были бы непрерывными, сплошными. Ведь электрон падал бы на ядро по сужающейся спирали, все убыстряя вращение и на всем пути излучая энергию.

А на деле атомные спектры прерывисты — они состоят из серий отдельных линий разного цвета. Бор объяснил, отчего это так.

Череда стационарных орбит, или разрешенных уровней энергии в атоме, — как лестница со ступеньками разной крутизны. В атоме водорода, по мере удаления от ядра, высота ступенек должна убывать согласно Бору как ряд чисел — 1, 1/4, 1/9, 1/16… 1/k 2… Чем ближе к ядру, тем круче ступеньки — тем больше разрыв между соседними дозволенными уровнями энергии. Когда возбужденный атом возвращается в нормальное состояние, падающий электрон перескакивает с орбиты на орбиту. Или последовательно — со ступеньки на ступеньку; или сразу через несколько ступенек; или одним прыжком прямо вниз — на минимальный уровень. И атом освобождается от своей избыточной энергии не в непрерывном процессе, а скачками!

Это было главное — самое неклассическое — утверждение Бора.

Скачки означали, что атом излучает свет целыми порциями — едиными и неделимыми, ибо задержаться где-то меж двух разрешенных энергетических уровней электрон не может. Схема Бора показала, как рождаются планковские кванты! Величина излученного кванта зависит от размашистости скачка, совершенного электроном. Ясно, что это не одно и то же — упасть с 8-й орбиты на 7-ю или с 9-й на 1-ю. Разность уровней энергии тут разная — во втором случае гораздо большая, чем в первом. Вариантов возможных скачков много. И ровно столько же различных квантов могут испускать возбужденные атомы. А каждый квант — это порция света одной длины волны, то есть одной, и только одной частоты. Потому-то в атомных спектрах наблюдаются не сплошные многоцветные полосы, а прерывистые серии резко выраженных линий. Многоцветный частокол спектральных линий — линейчатые спектры!

У разных атомов — разные ядра, разные количества электронов, разные лестницы разрешенных уровней энергии, разные наборы возможных квантовых скачков.

Бор расчислил орбиты в атоме с одним электроном. Он смог теоретически предсказать то, что давно уже знали спектроскописты: последовательность частот в сериях спектральных линий водорода. В том году, когда Бор только появился на свет, в 1885-м, Иоганн Бальмер заметил, что в водородном спектре частоты убывают, как числа в уже знакомом нам ряду — 1, 1/4, 1/9, 1/16… 1/k 2… А пятью годами позже другой спектроскопист, Иоганн Ридберг, эмпирически нашел постоянную величину, которую нужно умножать на комбинации этих чисел, чтобы получать сами частоты электромагнитных колебаний в линейчатых спектрах и водорода и других элементов. Происхождение этой «постоянной Ридберга» оставалось совершенно загадочным. А Бор сумел показать, что она служит как бы архитектурным модулем в построении лестницы уровней энергии атома. И математически выразил ее через другие универсальные постоянные — заряд электрона «e», массу электрона «m» и постоянную Планка «h». Это было красиво и убедительно, хотя формула выглядела немножко громоздко:

Главное же — получилось отличное согласие теории с опытом.

Стало ясно: Бор нашел ключ к внутренней — неклассической — механике атома.

Так мог ли Резерфорд не прочесть ту рукопись залпом?!

«Я получил ответ немедленно, и был он столь характерен для Резерфорда по острой проницательности научных суждений и по человеческой благожелательности…» — много лет спустя вспоминал Бор.

Начинался этот ответ так:

Манчестер

20 марта 1913

Дорогой д-р Бор!

…Я прочел вашу работу с великим интересом, но мне хочется бережно просмотреть ее снова, когда у меня будет больше досуга. Ваши взгляды на механизм рождения водородного спектра очень остроумны и представляются отлично разработанными. Однако сочетание идей Планка со старой механикой делает весьма затруднительным физическое понимание того, что же лежит в основе такого механизма. Мне сдается, что есть серьезный камень преткновения в вашей гипотезе, и я не сомневаюсь, что вы полностью сознаете это, а именно: как решает электрон, с какой частотой должен он колебаться, когда происходит его переход из одного стационарного состояния в другое? Мне кажется, вы будете вынуждены предположить, что электрон заранее знает, где он собирается остановиться…

Это замечание поразило молодого Бора. Он помнил его, как мы увидим, и почти полвека спустя. Но в «крайне затруднительное положение» поставили его совсем другие строки из письма Резерфорда:

…Я думаю, что в своем стремлении быть ясным вы уступаете тенденции делать статьи непомерно длинными и позволяете себе повторять одни и те же положения в разных частях работы. Полагаю, что ваша статья действительно должна быть сокращена, и думаю, что это может быть сделано без какого бы то ни было ущерба для ее ясности. Не знаю, принимаете ли вы во внимание тот факт, что длинные сочинения отпугивают читателей, чувствующих, что они не имеют времени в них углубляться. [9] Автор хочет отметить в сноске, что он отлично сознает, как неосмотрительно с его стороны цитировать здесь это сердито-справедливое замечание Резерфорда.

А через пару строк снова:

…Мне будет очень приятно отправить вашу статью в Phil. mag., но это доставило бы мне больше удовольствия, если бы ее объем был значительно урезан. Во всяком случае, я внесу все необходимые коррективы с точки зрения английского языка.

И еще раз — в связи с обещанием Бора прислать следующие главы работы: