Jaume Navarro - Квантовая модель атома. Нильс Бор. Квантовый загранпаспорт.

Изолированные материальные частицы — это абстракции, свойства которых могут быть определены и зафиксированы только при их взаимодействии с другими системами.

Нильс Бор, «Теория атома и принципы описания природы» (1934)

Работы двух его коллег из Манчестера, особенно Дарвина, вызвали у Бора интерес к структуре атома, а именно к конфигурации электронов ядра в том виде, в каком это представлял Резерфорд. Но как вообразить стабильную структуру электронов вокруг ядра? С тех пор как Ньютон сформулировал в конце XVII века теорию гравитации для объяснения движения планет вокруг Солнца, многие физики и математики занимались расчетами для описания всех возможных орбитальных систем, существующих и отсутствующих. В системе, где тела притягиваются силами, пропорциональными расстоянию, единственная невозможная система — та, в которой тела не движутся. Если бы планеты и спутники не находились в движении, они притягивались бы друг к другу, пока не упали бы друг на друга и на Солнце. То же самое происходит с электронами в ядерном атоме: электроны должны двигаться на больших скоростях, чтобы избежать «падения» на ядро.

Движение электронов представляло собой проблему, когда их число было малым, потому что само движение являлось причиной потери энергии и столкновения с ядром. Но это не первая проблема, с которой столкнулся Бор. Его заботило, как получить информацию о движении электронов в настоящих атомах. Вспомним, что не существует микроскопа, который позволил бы заглянуть внутрь атома. В астрономии с движением планет все было понятно: когда Ньютон сформулировал теорию гравитации, в его распоряжении имелось очень точное описание планетных орбит, которое сделал Иоганн Кеплер за несколько десятилетий до этого. Но в случае с атомом, казалось, все было по-другому.

С этим новым интересом к структуре атома завершился первый опыт постдокторской работы, и Бор вернулся в Данию летом 1912 года. На родине ему предстояло множество дел. Сначала нужно было найти подходящую должность. Это оказалось непросто: в Дании существовал только один университет, и за время отсутствия Бора на кафедре физики произошли изменения. Очевидно, что хотя он и обладал блестящим умом, он был слишком молод, чтобы возглавить эту кафедру, и должность получил Мартин Кнудсен (1871-1949). Бор же стал преподавать физику студентам медицины и прочих специальностей.

Другой его целью тем летом была свадьба. После нескольких лет отношений с Маргрет пришло время жениться. Пара сочеталась 1 августа в муниципалитете Слагельсе; церемония заняла едва ли несколько минут и была проведена начальником полиции. Ввиду застенчивости и гиперактивности молодого Бора празднование максимально сократилось, к разочарованию матери Маргрет, которая надеялась, что ужин продлится около трех часов (вечность для Бора). Молодожены отправились в свадебное путешествие в Англию, а именно в Кембридж и Манчестер, где Бор продолжил размышлять и собирать информацию о структуре атома. Так был заключен брак, в котором физика стала частью семейного ядра.

В XIX веке, несмотря на то что не все принимали само существование атомов, некоторые представляли себе, что в атоме должна происходить некая внутренняя деятельность, возможно в виде вибраций или пульсаций, как, например, у мыльного пузыря. Это было еще до того, как на сцене появился электрон, а вместе с ним возникла идея о внутренней структуре атома. Подобные размышления были вызваны необходимостью объяснить спектр элементов, типы света, который испускает каждый элемент в знак собственной идентичности. Электромагнитная теория Максвелла показала: свет есть электромагнитное излучение, результат периодического движения тел с электрическим зарядом. Следовательно, если атомы испускают свет, внутри них должно существовать какое-то движение.

Электроны предполагали новую переменную, которая может объяснить спектр химических элементов. Возможно, свет, испускаемый атомами, — это результат вибраций (или другого типа периодического движения) электронов. Томсон, немецкий ученый Йоханнес Штарк (1874-1957) и ряд других исследователей безуспешно пытались учесть экспериментальные данные спектроскопии в своих предположениях о структуре атома. Начиная с февраля 1913 года Нильс Бор также занимался этим, хотя сосредоточился исключительно на спектре атома водорода. Уже в марте он отправил Резерфорду статью для публикации в «Философском журнале*, самом молодом научном издании того времени. Это была первая из трех статей, опубликованных им в том году и навсегда изменивших атомную физику.

Благодаря научной фантастике на сегодняшний день уже несколько поколений совершили межгалактические путешествия, однако на самом деле человек смог лишь несколько раз долететь до Луны. Имеющееся у нас знание о других планетах и галактиках — результат не того, что мы были там, а того, что само пришло к нам оттуда. Особенно это справедливо в отношении Солнца и других звезд. Сколько бы путешествий в гиперпространстве ни осуществляли персонажи научной фантастики, даже они не осмеливались приближаться к Солнцу. Тогда откуда известно, что Солнце состоит в основном из водорода, небольшого количества гелия и некоторых более тяжелых элементов? Это возможно благодаря свету, который испускает звезда, а именно спектральным линиям. Ньютон первым понял, что естественный свет состоит из целого ряда цветов радуги. С помощью призмы он заметил, что обычный белый свет — это результат сочетания нескольких различных «светов», и каждый из них можно изучать отдельно. Но не каждый свет белый. Если нагреть, например, медь, получается сине-зеленый свет; литий дает красный свет, а натрий — желтый. У каждого химического элемента есть собственная визитная карточка — свет. Так в XIX веке развивалась наука спектроскопия, анализирующая тип света, испускаемого определенным химическим веществом. Технология была относительно простой. Сначала нагревали изучаемое вещество в газообразном состоянии, пока оно не начинало испускать собственный свет. Его проводили через призму, которая разлагала свет, как в случае с радугой. Так как это разложение было крошечным, получившийся спектр (цвета) наблюдали затем через микроскоп. Информация о спектре каждого элемента была все более точной. Едва стали детально известны спектры элементов, свойственных Земле, можно было сравнить их со спектром света, посылаемого Солнцем и другими небесными телами. Поскольку спектр солнечного света во многом совпадает со спектром водорода, пришли к заключению, что Солнце состоит в основном из этого элемента.