Даниил Данин - Неизбежность странного мира

А дальше эта идея уже сама повела воображение физика. Вот по какой-нибудь причине, до которой нам нет сейчас никакого дела, один из электронов сорвался со своей удивительной орбиты. Что с ним произойдет? Ведь запрет на излучение кончится? Конечно. Так значит теперь, теряя энергию, электрон превратится в спутника и станет по спирали падать на ядро? Да, станет падать. Однако еще вдали от ядра какой-нибудь очередной виток спирали сможет слиться с трассой другой устойчивой орбиты. Тогда, едва попав на нее, электрон тотчас снова перестанет излучать. Потеря энергии прекратится — прекратится падение. Атом придет в новое состояние устойчивости.

Это похоже на то, как если бы мячик спокойно катился по коридору, скажем, шестого этажа и не падал вниз, хотя земля его и притягивает. Но, угодив нечаянно в дырку, он уже избежать падения не смог бы. Однако его почти тотчас подхватил бы пол пятого этажа. Попав на уровень этого нижнего коридора, он уже снова начал бы спокойно катиться, не боясь падения, пока новая дырка снова не подвела бы его. Впрочем, и тогда ниже коридора четвертого этажа он сразу не провалился бы.

Так, одна за другой, этаж за этажом, следуют на разных расстояниях от ядра устойчивые орбиты Бора.

Что же получается? На орбитах действуют законы классической механики, а в пространстве между орбитами, где электрон излучает, вступают в силу законы классической электродинамики.

Вот отчего можно было сказать, что подъем на кручи новых идей начинался полого: казалось, Бор не вышел за пределы двух классических теорий, только каждой из них он отвел свое место. Однако это лишь казалось. Крутизна была уже тут как тут.

Наглядную картинку — шарик-электрон переходит по спирали с орбиты на орбиту — сразу пришлось отвергнуть. Она не могла быть верна! При таком переходе излучение электрона между орбитами снова должно было бы оказаться непрерывным: по мере сужения витков спирали он испускал бы световые волны все укорачивающейся длины. В спектре атомного излучения такой переход отразился бы размытой полоской: каждая длина волны дала бы свое изображение щели — непрерывно следуя друг за другом, линии слились бы в сплошной участок радуги, узкий или широкий — это уже не важно. А сплошных многоцветных полосок в атомных спектрах нет — есть только четкие линии определенной длины волны! Нет, примирение с классикой не могло состояться: классическая непрерывность движения опять вступала в противоречие с прерывистостью излучения атомов. (Недаром физики просили босого господа бога продиктовать им хотя бы парочку новых законов.)

Один неклассический закон Бор уже нащупал: у атомных электронов есть прерывистый ряд устойчивых орбит, у атомов — такой же ряд устойчивых энергетических состояний. Теперь надо было нащупать закон перехода из одного состояния в другое — закон излучения атома.

Раз плавного классического перехода быть не могло, в распоряжении логики оставался скачок. И Нильс Бор решился: он сказал — да, нужно признать, что электроны переходят с орбиты на орбиту не иначе, как скачками. Этого нельзя не признать, если только слушать голос природы, а не наставления старой теории!

А при скачке уже нет постепенной потери энергии на спиральном пути: все, что электрону предстоит потерять при переходе с одной дозволенной орбиты на другую, он теряет сразу — единым махом, единой порцией. И нет причин, чтобы при этом возникала многоцветная смесь электромагнитных волн разной длины. Естественно ожидать, что с каждой такой порцией атом исторгает излучение какой-то одной частоты колебаний — одного цвета. Это и подтверждает прерывистый вид атомных спектров.

Пройдя через призму, такая порция атомного света вся преломляется одинаково, и неоткуда взяться вееру. На фотопластинке появляется четкая линия, а не размазанная полоса. Так идеи Бора пришли к согласию с опытом.

Но в атомных спектрах не одна линия, а частоколы линий. Откуда они? Однако лучше спросить: о чем они говорят? Любая линия, взятая наугад, есть свидетельское показание о перескоке электронов с какой-то одной орбиты на другую., Множество линий свидетельствует о множестве возможных перескоков. И не просто возможных, а и действительно происходящих. Но это значит, что в атомах существует множество орбит, чем-то отличных одна от другой, так что разные переходы электронов сопровождаются потерями разных порций энергий. Разные порции — разные длины волн — разное преломление в призме — частокол линий в спектре…

Чем же отличаются эти устойчивые орбиты Бора, что их делает неравноценными? Неважно, какая у них форма: круги ли они, или эллипсы, или даже розетки. Важно только, что на разных орбитах у электронов разный запас энергии. Оттого перескоки и могут приводить к излучению: падая, какой-нибудь электрон теряет избыток энергии — то, что ему уже не нужно для устойчивого вращения на новой орбите.

Однако энергия атомного электрона принадлежит ведь всему атому. Электрон — его составная часть, его подданный. Электрон взаимодействует с атомным ядром. И когда он вращается по далекой от ядра орбите, ему нужно обладать большим запасом энергии, чем на близкой орбите: такой запас — единственное, что удерживает его вдали от ядра. Но этот запас — собственность всего атома. А так как природа разрешила электронам двигаться лишь по определенным орбитам, то, стало быть, она и атому разрешила обладать лишь определенными, а не любыми уровнями энергии, как говорят физики.

Прерывистый ряд разрешенных орбит… Прерывистый ряд разрешенных запасов энергии… Вот какие странные черты Проступили на смутной картине внутриатомной жизни, когда физики смогли, наконец, после открытия электрона пристально вглядеться в древнюю — «неделимую и простейшую» — крупицу материи. Но это было лишь началом неожиданностей.

Прерывистость состояний. Порции энергии. Скачки.

Что-то знакомое чувствуется за всем этим, не правда ли? Конечно! Тотчас вспоминаются кванты Планка и фотоны Эйнштейна. Сейчас от этого уже веет запахом истории — новой устоявшейся классикой самого XX века. Но в 1911–1913 годах молодому Нильсу Бору не пришлось копаться в своей памяти, чтобы вспомнить о порциях энергии и частицах света: они были спорной злобой дня, большинство физиков вообще не верило, что кванты существуют на самом деле, а не только в теории.

В ту пору даже слово «фотон» еще никем не было произнесено. Хотя это понятие Эйнштейн уже и ввел в науку в 1905 году, но слово еще не появилось. Со световой частицей произошла история, прямо противоположная той, что случилась с атомом электричества: электрон был сначала назван, а потом открыт, фотон был сначала открыт и лишь потом назван. Кванты света удостоились крещения — как настоящие частицы! — только через два с лишним десятилетия после своего рождения в науке. Фотонами их впервые назвал в 1926 году малоизвестный физик Н. Льюис.