Валентин Рич - Виток спирали

Получалось одно из двух: либо природа играла не по правилам, либо правила были не по природе.

Она почти всегда существует — еще не известная, третья возможность: в запасе у Природы есть кое-какие правила, которым и подчиняется вновь обнаруженная игра. В случае с атомом это означало, что законы для макромира — для тел величиной с атом и больших, чем атом, недействительны для микромира — для тел меньшей величины.

…Закон для тел меньше атома был обнаружен берлинским физиком Максом Планком в 1900 году, еще до того, как заговорили об атомном ядре. И тогда никто не понимал, что с этим законом делать, к чему его приложить?

Макс Планк изучал спектры нагретых веществ. Давно было известно, что цвет нагреваемого тела меняется: сперва он красный, потом желтеет, голубеет… В зависимости от того, сколько энергии получало нагреваемое тело, менялось и его излучение.

Планк старался понять, как же именно распределяется энергия по разным излучениям. И когда он собрал множество фактов, связанных с этим процессом, то оказалось, что многим бесспорным данным невозможно найти объяснения, оставаясь на позициях, типичных для макромира.

Превращения в мире веществ нельзя было понять, пока не установили главное: вещества состоят из минимальных порций — атомов. Превращения в мире излучений тоже невозможно было понять, пока Планк не пришел к гениальной мысли: надо отказаться от представления, будто энергия течет сплошным потоком, а представить себе, что энергия, как и вещество, делится на порции, и что излучение состоит из минимальных порций — Макс Планк назвал их квантами.

Почему теплота, свет, рентгеновы лучи должны обладать зернистым, как говорили в старину — корпускулярным, строением, никто не понимал. Кому и зачем могли понадобиться эти минимальные порции энергии, было неизвестно. Известно было одно: профессор Планк, изучая спектры, не смог свести концы с концами, пока не предположил, что есть такая штука — наименьшая порция излучения — квант.

Альберт Эйнштейн первый объяснил с помощью кванта одно из ранее непонятных явлений. В то время, когда Планк ломал голову над спектрами, Эйнштейн еще учился в институте. А потом стал преподавателем. В школе Эйнштейн проработал всего два года: у него было множество собственных мыслей о природе вещей, и ему хотелось найти такую работу, чтоб голова оставалась более или менее свободной для размышлении. А кому не известно, каково приходится учителям…

В 1902 году скромному двадцатитрехлетнему учителю Эйнштейну из маленького городка Шафгаузен повезло: он получил место в столице Швейцария Берне, в патентном бюро. Там, отработав положенные часы, можно было спокойно раздумывать над устройством мира.

…Когда Альберт Эйнштейн прочел статью Макса Планка о квантах, то, поразмыслив, он нашел этим квантам дело.

Давно было известно, что, облучив металлическую пластинку ультрафиолетовыми лучами, можно возбудить в ней электрический ток. И что лучи меньшей энергии, скажем, фиолетовые, сделать этого не могут. Это был твердо установленный, но совершенно непонятный факт! Казалось бы, не все ли равно — пять минут облучать ультрафиолетовыми лучами или пять часов фиолетовыми? Ведь можем же мы испарить ведро воды и на спиртовке, и на керосинке, и на газовой плите — вся разница только во времени. Но то, что получалось с испарением молекул воды, никак не получалось с электронами. Что-то мешало!

Эйнштейн понял что: кванты. Один электрон выбивается из металла одним квантом… Ультрафиолетовый квант энергичней, чем фиолетовый, вот он и выбивает электрон. А у фиолетового кванта энергии для этого не хватает.

Так в 1905 году появилась физическая теория, объясняющая, что обыкновенный свет состоит из квантов — порций энергии разной величины. Величина энергии зависит от длины волны. Чем короче волна, тем энергичней квант.

Теперь хорошо было бы узнать, откуда эти кванты берутся.

Нильс Бор родился в Копенгагене, в семье профессора филологии, и учился физике. Когда он узнал об атомном ядре, открытом Резерфордом, ему было 26 лет. Он приехал в Англию и вскоре поступил стажером в лабораторию Резерфорда, Этому молодому датскому физику предстояло спасти планетарный атом Резерфорда.

Рассуждение Нильса Бора сводилось, в общем, к отказу считать всеобъемлющим правило Максвелла, отрицающее существование атома с ядром, поскольку опыт свидетельствовал, что такой атом есть. И поскольку, кроме всем известного и понятного правила Максвелла, насчет излучений, уже существовало малоизвестное и не очень понятное правило Планка о квантах. И это непонятное правило неплохо подходило к непонятному атому с ядром…

Если бы электрон непрерывно излучал, он упал бы на ядро. Но он не падает, значит, он не излучает непрерывно. Уже потому не излучает непрерывно, что непрерывное излучение невозможно — оно делится на порции, кванты.

Но каким образом эти кванты излучаются электроном?

Основные, первоначальные, принципы теории строения простейшего атома водорода Бор изложил в статье, опубликованной в 1913 году.

Чтобы более или менее наглядно представить себе обоснованное в этой статье поведение электрона, вращающегося вокруг атомного ядра, попробуем обратиться к аналогии.

Разумеется, нельзя забывать, что наглядное представление о процессах внутри атома вообще не может не быть грубо упрощенным. Аналогия же никогда не соответствует истинной картине — в лучшем случае, она лишь помогает понять ее…

Есть такая игра — один из видов бильярда: наклонная доска с круглыми гнездами, по которой катятся металлические шарики. Чем ниже скатывается шарик, тем трудней ему застрять в каком-нибудь гнезде. Ведь, снижаясь, он катится все быстрей, потому что все большая часть потенциальной энергии превращается в кинетическую, в энергию движения.

Так вот. В определенном смысле атомное ядро ведет себя, как наклонная доска, электроны — как шарики, а гнезда играют роль таких уровней, на которых электрону "разрешено" находиться, не излучая. Попав в гнездо, шарик уже не расходует на движение потенциальную энергию, а лежит себе и лежит. Попав на один из разрешенных уровней, электрон уже не расходует на излучение запасенную на прежнем уровне энергию, а спокойно движется вокруг ядра.

А излучает электрон только при перескоке с одного разрешенного уровня на другой, более близкий к ядру. При этом излучается ровно квант энергии. Электрон не может излучить, скажем, полкванта — ведь он не может прекратить свое "падение" к ядру на полдороге, до следующего разрешенного уровня.