«Эврика» 1962. НЕИЗБЕЖНОСТЬ СТРАННОГО МИРА

Устойчивые орбиты Бора

Друг и биограф Резерфорда профессор Ив позже вспоминал: «Однажды в 1913 году, когда я был у Резерфорда дома, в комнату вошел юноша довольно хрупкого вида. Ре- зерфорд тотчас увел его в свой кабинет. Жена Резерфорда объяснила мне, что этот юноша — из Дании и что ее муж очень высоко расценивает его работу. Не нужно удивляться— это был Нильс Бор!»

В самом деле, в поспешности, с какою Резерфорд увел своего копенгагенского ученика в кабинет, не заключалось ничего удивительного: им было о чем поговорить! Именно тогда Нильс Бор первым увидел путь спасения планетарной модели атома. Со временем этот путь привел к созданию механики микромира.

Ученые-естествоиспытатели всегда на стороне действительности. У них нет права сказать: «Тем хуже для фактов». Раньше или позже они приходят к добровольному признанию: «Тем хуже для теории». Физики поссорились с классической электродинамикой потому, что она поссорилась с атомом. Ее законы предсказывали одно, а он вел себя по-другому. Значит/где-то на границах атома власть классических законов кончалась. Надежда на спасение планетарной модели могла заключаться только в том, что, быть может, у природы есть какие-то неизвестные законы, которым подчинила она внутриатомные электроны. Тогда этими-то еще неведомыми законами объясняется, почему устойчивы атомы.

Однако так ли уж обязательно было спасать модель Резерфорда? Не проще ли было просто отвергнуть ее и придумать другую? Нужно понять, что у физиков не было рыбора. После того как они убедились, что все положительные заряды концентрируются в сердцевине атома — в тес-' ном ядре, — у них уже не было выбора! В самом деле: для отрицательно заряженных электронов (а число их должно было равняться заряду ядра, дабы атом в целом был нейтрален) не оставалось другого места, как вдали от ядра. Представить, что электроны покоятся в отдалении от центра атома, было невозможно: тогда ядро немедленно притянуло бы их. Вообразить их в прямолинейном и равномерном движении было столь же нелепо: тогда они покинули бы пределы атома. Им надлежало двигаться вокруг центра по замкнутым орбитам, чтобы атом не распылился сам собой. И при этом двигаться довольно быстро, чтобы центробежная сила была в состоянии противоборствовать силе притяжения ядра- Образ планетной системы возник по необходимости: вы сами видите — выбора не было.

Но движение по замкнутым орбитам — это движение по кривым, движение с непрерывными поворотами, с неизбежным излучением, с потерями энергии, с неминуемым падением по спирали па неумолимо притягивающее ядро.

Можно было подвергнуть сомнению две вещи ~ или неумолимость притяжения, или неизбежность излучения. Однако сомневаться во взаимном притяжении положительных и отрицательных зарядов не позволяли ни опыт, ни логика. Опыт подтверждал это постоянно, начиная с той легендарной поры, когда древние греки натирали янтарь и притягивали натертой палочкой всякую мелкую всячину. Само понятие электричества пошло отсюда, потому что по-грече- ски янтарь — «электрон». Стоней только вспомнил это слово, когда решил в 1891 году дать название еще не открытому гипотетическому единичному заряду. А логика говорила: если нет притяжения со стороны ядра, тогда электроны — вольные птицы, тогда вообще нет атома и не из-за чего копья ломать.

Оставалось усомниться в неизбежности излучения. Вот этой неизбежности вовсе не требовала логика и ее не подтверждал опыт. На ней настаивала лишь старая теория. Логика говорила: если излучение неизбежно, то атом обречен, а так как он устойчив, то, очевидно, такой неизбежности нет. Опыт вопрошал: если излучение обязательно, то оно должно происходить непрерывно, но тогда отчего же спектры атомного излучения прерывисты? Отчего разные атомы дают разные цветовые наборы отдельных спектральных линий?

Дело в том, что атомы действительно излучают световую энергию. Мы живем в разноцветном мире. Мириады сигналов о маленьких актах преломления, отражения, излучения света приходят к нам со всех сторон, ото всех веществ. Нет смысла гадать, как выглядел бы наш мир, если бы все атомы на протяжении всей своей жизни непрерывно излучали свет: зрелище такого мира, сотканного из обреченных ато- •мов, было бы кратко, как мгновенный промельк кадра на вдруг оборвавшейся киноленте.

Да, атомы излучают. Но совсем не так, как полагалось бы по прогнозам старой теории.

Нужно ли рассказывать, почему в гранях призмы возникает радуга? Световые лучи разной частоты электромагнитных колебаний по-разному преломляются призмой и, входя в нее параллельным пучком, выходят веером. Физики пропускают смешанный световой поток через узкую щель, он падает на призму, и за нею — на экране или на фотопленке— появляется веер изображений щели: каждый луч определенной частоты дает свою фотографию щели — узкую полоску. Это и есть спектральная линия. Когда в смешанном потоке присутствуют лучи любой длины волны, в спектральном веере уже нельзя различить отдельных линий — следуя непрерывно друг за другом, они сливаются в одну сплошную полосу, красную на одном конце и фиолетовую на другом. Они сливаются в радугу.

Так выглядит спектр непрерывного излучения. Но атомные спектры выглядят вовсе не так. Они пунктирны: на темном фоне фотопластинки выстраивается частокол из отдель

ных линий. Для каждого элемента — свой частокол, строго свой!

Задолго до открытия электрона физики стали собирать коллекции атомных спектров. Это были, говоря шутливо, документы к «Делу об атоме», хотя сам подследственный еще оставался неуловимым. Ученые сравнивали разные спектры, измеряли длины волн для каждой спектральной линии, искали и находили закономерности их чередования. Но не имели при этом ни малейшего представления о том, как рождаются спектры. Наш известный физик-теоретик Яков Ильич Френкель лет тридцать назад писал, что «недаром с легкой руки Эйнштейна эта область физики... получила несколько презрительное название зоологии». Спектроскопия была похожа на столичный зоопарк, где рассаживают по клеткам ,живую тварь всех видов, подвидов, мастей, ничего не зная о происхождении самой жизни. Но эта зоологическая стадия неминуема в любой науке. В атомной физике она была только уж очень подчеркнуто выражена.

Истинная модель атома обязана была объяснить, наконец, происхождение спектров. Иначе, о какой же истинности можно было бы говорить? Не о второстепенных деталях в поведении атомов рассказывали спектры, а о самом главном— об излучении электромагнитной энергии из атомных глубин, о переходах этих сложных микромиров из одного энергетического состояния в другое-

Атом Резерфорда выдержал такое испытание на истинность. Провел испытание Нильс Бор.

Не слишком ли долго топтались мы на подступах к новым неклассическим идеям внутриатомной механики? Не забыли ли мы зарок — не влезать в подробности? Может быть, грех и был, но есть и оправдание: при знакомстве с наукою нашего времени, — хочется повторить это, — труднее всего поверить в обязательность ее странных представлений о многих вещах. Я не беру в кавычки слово «странных», потому что именно такими кажутся часто современные физические представления. И нередко у людей XX века возникает сомнение: быть может, все-таки это не сама материя устроена так странно, а только головы физиков? Чтобы рассеялись эти сомнения, надо хоть на минуту почувствовать себя свидетелем рождения новых физических идей — побродить хоть недолго у самых истоков реки Непонятного. Тогда легче увериться, что даже наиболее причудливые черты в физической картине движущейся материи выдумала и тонко прорисовала своим вечным пером сама природа, а ученые если в чем и повинны, то лишь в непредвзятой зоркости.

Ради того, чтобы сполна почувствовать это, стоило бы и еще потоптаться на подступах к самому трудному подъему в затеянном нами путешествии по миру элементарных частиц. Избежать этого подъема нельзя. Но нет, наша цель не карабкаться вслед за учеными, а только понять, что они- то не могли не преодолевать крутизны! Так надо по крайней мере закинуть голову и увидеть, что готовой дороги не бьн ло, надо хоть взглядом смерить высоту...

Начинался подъем полого.

Нильс Бор сделал самое естественное предположение: раз атомы устойчивы, значит есть в атомном пространстве пути, двигаясь по которым электроны вовсе не излучают — не теряют энергии и потому-то не падают на ядро.

Какие это пути — любые? Ясно, что нет! Если бы неизвестные законы атома запрещали электронам излучать энергию на любом пути вокруг ядра, атомы вообще никогда не испускали бы световых волн. А как же тогда спектры? Откуда они берутся?

Факты и логика заставили Бора прийти к простой, но неожиданной идее: атом устроен природой так, что среди бесконечного обилия всех мыслимых электронных путей существует набор устойчивых орбит. Пока электроны вращаются вокруг ядра по этим орбитам, атом пребыйает в неизменном энергетическом состоянии. На таких избранных путях электроны действительно ведут себя, как идеальные планеты: они движутся, не теряя энергии. И весь атом в таких устойчивых состояниях действительно подобен солнечной системе: планеты-электроны подчиняются законам классической механики.

А дальше эта идея уже сама повела воображение физика. _.Вот по какой-нибудь причине, до которой еам нет сейчас никакого дела, один из электронов сорвался со своей удивительной орбиты. Что с ним произойдет? Ведь запрет па 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 оказать* ся 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.