Квантовая модель атома. Нильс Бор. Квантовый загранпаспорт.

Эксперименты Резерфорда 1911 года показали, что атом неоднороден: почти вся масса сосредоточена в центральной части, в ядре, вокруг которого по орбитам вращаются электроны. Постепенно формировавшаяся гипотеза сводилась к тому, что масса ядер различных атомов кратна массе ядра водорода, Н в связи с чем допускалось, что все ядра состоят из этого типа частиц, которые назвали «протонами».

Слово «протон» в начале XIX века ввел английский химик Уильям Праут (1786-1850), который заметил, что некоторые известные в его время атомные массы приблизительно кратны массе водорода. Термин Праута происходит от греческого понятия proto hyle — исходный, или первичный, материал. Эта гипотеза постепенно истаяла с повышением точности измерения атомной массы и с открытием новых элементов. Когда Резерфорд возродил эту гипотезу, пусть только в отношении атомного ядра, он решил использовать то же самое слово.

В результате своих исследований радиоактивности Резерфорд получил окончательное подтверждение существования Н* — протонов — во всех атомных ядрах. В 1919 году, изучая эффект столкновения а-частиц с атомами азота, он увидел, что последние испускают протоны. Когда Резерфорд удостоверился, что это не результат существования примесей водорода в экспериментальной установке, он сделал вывод: наблюдаемые протоны происходят из ядра азота. Это стало первым прямым доказательством существования протонов в атомах, не являющихся атомами водорода.

Итак, в 1920 году были известны две элементарные частицы: электроны и протоны. Также было известно, что р-излучение состоит из электронов, но что это, говоря словами Марии Кюри, «глубинные электроны». Электроны радиоактивности не располагались вокруг ядра, их энергия была намного больше, чем энергия спектральных атомных линий, так что их включали (наряду с протонами) в число ядерных компонентов. Таким образом, как показано на рисунке 2, в начале 1920-х годов атом представлял собой следующее. Ядро, состоящее из протонов и электронов, и оболочка, сформированная только электронами, распределяющимися по уровням энергии, согласно законам квантовой физики.

РИС. 2

Как распределялись протоны и «глубинные» электроны внутри ядра? Следует учитывать, что число протонов должно в два раза превышать число ядерных электронов, поскольку общий электрический заряд ядра равен общему электронному заряду оболочки, и таким образом атому удается оставаться электрически нейтральным. Законы электричества не объясняли, как протоны и электроны могут находиться в ядре в стабильном виде так, чтобы взаимные отталкивания не заставляли ядро распасться.

Одна из самых жизнеспособных догадок побуждала обратить внимание на а-радиоактивность. Она соответствовала ядрам гелия, которые (следуя модели протонов и электронов) должны были состоять из четырех протонов и двух электронов. Не вызывало сомнений, что эта структура особенно стабильна как внутри, так и снаружи ядра, и могло сложиться представление для лучшего понимания структуры и стабильности ядер, а также и явления радиоактивности.

Дело в том, что спустя более чем два десятилетия изучения радиоактивности, то есть типов излучений, их энергий и проникающей способности, их дисперсий с другими излучениями и прочими телами и так далее, теоретическое развитие практически оставалось на месте. Было очевидно, что понимание радиоактивности атомного ядра — это две стороны одной медали. Понимание пришло с развитием квантовой механики.

Снова блестящий рисковый молодой ученый, начало карьеры которого так же было связано с влиянием Бора, дал импульс этому развитию. Этим человеком был Георгий Гамов (1904-1968). Он родился в Одессе, изучал физику в Петрограде, где познакомился с другими подающими надежды студентами, Львом Ландау (1908-1968) и Дмитрием Иваненко (1904-1994). Вместе они создали группу «трех мушкетеров», чтобы обсуждать последние достижения квантовой физики.

Летом 1928 года, закончив докторантуру в Геттингене, Гамов развернул исследование, объяснявшее а-радиоактивность на основе постулатов квантовой механики. Вернувшись в Россию, Гамов решил поехать в Копенгаген, чтобы познакомиться с Нильсом Бором и показать ему свои расчеты. Он предстал перед Бором без предупреждения и без денег, он не планировал оставаться в городе, так как его визит должен был ограничиться несколькими часами. Но молодой ученый произвел такое впечатление на Бора, что эти несколько часов превратились в два года: 1928-1929 и 1930-1931 учебные годы.

Это стало началом обращения Бора к проблемам зарождающейся ядерной физики, которая принесла много неожиданностей в 1930-е годы, а кроме того, вновь тесно связала его со старым другом Резерфордом и экспериментальными результатами Кавендишской лаборатории.

Возможно, самой заметной головоломкой 1920-х годов была энергия р-лучей (электронов), происходящих из радиоактивных источников. Два города, Берлин и Кембридж, и два человека, Лиза Мейтнер (1878-1968) и Чарльз Драммонд Эллис (1895-1980), были действующими лицами плодотворного научного спора, который привел к нынешнему пониманию ядра. Спор велся вокруг p-спектра радиоактивных материалов, то есть вокруг распределения энергии электронов, испускаемых радиоактивными веществами.

Альберт Эйнштейн и Нильс Бор, фото австрийского физика Паула Эренфеста, 1925 год.

Циклотрон в Институте теоретической физики в Копенгагене, построенный по распоряжению Бора.

Эллис и Мейтнер располагали сходными данными, но их интерпретации были различными. Зная постулаты зарождающейся квантовой физики, Мейтнер считала, что электроны, покидающие ядро, могут принимать только определенные постоянные значения энергии. Таким образом, β-спектр должен быть дискретным. Очевидно, что такой спектр заметить нелегко. Ядро испускает электроны и γ-излучение, которые, в свою очередь, сталкиваются с электронами атомной оболочки. Снаружи сложно различить, какие электроны происходят напрямую из ядра, а какие являются результатом вторичных процессов.

В Кембридже Эллис и Джеймс Чедвик (1891-1974) были убеждены, что спектр ядерных электронов непрерывен, то есть ядро испускает электроны со всеми значениями энергии от минимума до максимума, без учета квантовых скачков. Мейтнер полагала, что результаты Чедвика и Эллиса не имеют смысла, поскольку противоречат квантовой механике. Исследователи из Кавендишской лаборатории, в свою очередь, доверяли экспериментальной ценности своих результатов. Кроме того, Резерфорд не был сторонником квантовой физики, поэтому его не беспокоило, что экспериментальные результаты противоречат ее постулатам.

Здесь следует уточнить: когда мы говорим, что ядро испускает электроны, нужно учитывать, что в лаборатории нет отдельных ядер, есть макроскопические количества элементов, атомы которых испускают электроны. Как бы мало радиоактивной материи ни было в распоряжении, число атомов достигнет порядка нескольких биллионов. В лаборатории можно наблюдать лишь комбинированный результат действия всех этих атомов. Неудивительно, что при похожих экспериментальных результатах интерпретации различны. Мейтнер и Эллис наблюдали одно и то же — спектр 0-радиоактивности непрерывен, — но видели разные вещи.

Дискуссия Берлина с Кембриджем длилась почти десять лет, пока в период с 1927 по 1929 год стороны не пришли к соглашению, подтвердившему позицию английской команды: электроны 0-радиоактивности изначально имеют энергию, которая варьируется от минимального до максимального значения; спектр энергии этих электронов непрерывен. Казалось, под угрозой — некоторые основные идеи квантовой физики.

И не только они. Если атомы испускают электроны с переменной энергией, как возможно, что энергия до и после излучения всегда одна и та же? Бор выдвинул гипотезу, которую уже выдвигал некоторое время назад: отсутствие сохранения энергии в β-радиоактивности. На этот раз он не стал ничего публиковать, так как в переписке с коллегами смог оценить неприятие, которое вызывала подобная идея.