Квантовая модель атома. Нильс Бор. Квантовый загранпаспорт.

Однако предложение Резерфорда осталось практически незамеченным. Это не было великой революцией, великим открытием, о нем не писали в газетах, его не обсуждали в кафе, оно даже не привлекло внимания ученых, которые восприняли его как частный случай поведения α-частиц. Кроме того, Резерфорд не интересовался теоретической физикой, он был экспериментатором и не мог развить теоретические следствия из данной модели.

С другой стороны, у Резерфорда эта идея возникла не только на основе его с Гейгером и Марсденом экспериментов: это предложение должно рассматриваться в контексте стремления понять, что же такое α-частицы. Уже было сказано, что они обладают массой, схожей с массой атома гелия, и заряд их в два раза превосходит заряд электрона, но при этом он положительный. Информация о радиоактивности оставалась такой скудной, что никто еще не знал, существуют α-частицы в атомах или образуются при испускании из них. Резерфорд был ярым сторонником первого варианта, поскольку уже некоторое время считал, что α-частицы входят в состав структуры атома. До представления об атоме с ядерной структурой оставалась пара шагов.

Если Кембридж на тот момент обладал семивековой историей, Манчестерскому университету было всего-то несколько десятилетий от роду. Город был эпицентром промышленной революции и в начале XX века в нем была сосредоточена большая часть британского производства, где каждый раз все более влиятельная и образованная буржуазия способствовала развитию науки и искусства. Так был учрежден местный университет, который в 1903 году получил имя королевы Виктории.

Нильс Бор приехал в Манчестер в марте 1912 года с надеждами, возродившимися после неудачного опыта с Томсоном. Поскольку это был мировой центр экспериментальной радиоактивности, Бор согласился пройти элементарную практику работы в лаборатории, после чего Резерфорд поручил ему изучение поглощения α-лучей в алюминии. Но Бор скучал в лаборатории: его большой страстью была теоретическая физика, великие понятия, математические и философские составляющие научных новшеств, а не изнуряющий и рутинный ручной труд экспериментатора. В этом Резерфорд и Бор были антиподами. Первый ненавидел громоздкие умозаключения и чрезвычайно сложные математические теории. У второго не хватало терпения на многочасовую работу с веществами и на бесконечные повторения экспериментов. Возможно, именно поэтому с годами их связала крепкая дружба и профессиональное сотрудничество на уровне организаций, когда после Первой мировой войны они возглавили самые значимые центры физики в Кембридже (Резерфорд) и Копенгагене (Бор).

Единственное, что было известно о структуре атомов к 1910 году,— то, что они содержат электроны, часть из которых может отделяться, после чего атом оказывается заряженным положительно; или, наоборот, атом может принять некий внешний электрон и обрести отрицательный заряд. За век до описываемых событий заряженные положительно или отрицательно атомы называли «ионами». Новое явление радиоактивности говорило о другом типе излучения, намного более сильном, чем потеря или поглощение электронов, и оно предполагало изменение химических (а не только электрических) свойств атомов. Во второй половине XIX века Дмитрий Менделеев создал таблицу, в которой организовал известные на тот момент химические элементы. Эта периодическая таблица, где по горизонтали они располагаются по возрастанию измеренной массы атомов, а по вертикали — по своим химическим свойствам, стала одним из самых простых и полезных инструментов развития химии; она даже служила для предсказания существования неизвестных до тех пор химических элементов. Один из компонентов таблицы, не все следствия которого еще были известны, — положение элемента согласно его «атомному номеру». Так, например, водород — первый элемент; углерод — шестой; хлор — 17- й, а золото занимает место 79. Этот атомный номер (обычно обозначаемый Z) оказался определяющим при понимании преобразований из-за радиоактивности: испускание α-частицы предполагает потерю двух порядковых номеров в периодической таблице (уменьшение Z на две единицы), в то время как испускание β-частиц увеличивает атомный номер Z на единицу. Значение всего этого еще предстояло определить.

Например,на диаграмме показаны радиоактивный ряд урана и его преобразование в другие элементы вплоть до свинца.

Вначале показалось, что Манчестер — также не идеальное место для Бора. Почти все специалисты занимались там экспериментальной физикой, и едва нашлась пара человек, которых интересовала теория. Однако эти двое ученых оказались хорошими собеседниками, более того, они повлияли на выбор Бором направления исследований.

Первым был Дьёрдь де Хевеши (1885-1966), происходивший из венгерских аристократов и хорошо знавший радиоактивные ряды. Второй — Чарльз Галтон Дарвин (1887-1962), которого Бор характеризовал в письмах своему брату как «внука настоящего Чарльза Дарвина», создателя теории естественного отбора. Молодой Дарвин был из Кембриджа и, получив диплом, решил искать новые идеи в Манчестере.

Побеседовав с Хевеши, Бор предположил, что происхождение радиоактивности, как α, так и β, кроется в атомном ядре, о котором заявил Резерфорд. Бор совещался с Резерфордом пять раз, но тот, не принимая умозрительных рассуждений, не пожелал, чтобы Бор опубликовал свою идею. Как возможно, что p-радиоактивность, испускание электронов, исходит от ядра, если он сам предположил, что ядро — это положительно заряженная часть атома? В этом не было особого смысла. Бор принял критику Резерфорда и отказался от идеи публикации.

Дарвин, в свою очередь, стремился объяснить математически потерю энергии α-частиц при их прохождении через разные материалы. Если Резерфорд прав, большинство α-частиц (которые не сталкиваются с ядром) подвергались бы некоторому отклонению во время столкновения с электронами атомов, расположенных далеко от ядра. Так как электроны примерно в 8000 раз меньше α-частиц, эти столкновения производили бы лишь незначительные отклонения и легкие потери энергии. Однако, помимо прочих неизвестных, загадкой оставалось и расположение электронов в атоме. Вопрос был важным, поскольку, представив себе столкновения между α-частицами и электронами, мы убедимся: вовсе не одно и то же, если последние распределены произвольно, если они все сосредоточены на внешней поверхности атома или если они организованы по орбитам.

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.