Квантовая модель атома. Нильс Бор. Квантовый загранпаспорт.

Несмотря на изначальное нежелание принять электроны как субатомные частицы и компоненты всех атомов, сомнений в том, что они обладают огромным потенциалом для объяснения многих электрических явлений, не возникало. В итоге электроны получили определенный авторитет среди физиков не как компоненты атома, а только как средство объяснения электрической проводимости. Поэтому нет ничего удивительного в том, что молодой и амбициозный ученый Нильс Бор посвятил докторскую диссертацию одной из модных тогда тем — роли электронов в электрической проводимости металлических материалов.

Написание диссертации не было обычным делом для студентов университетов в начале XX века. В среднем докторскую степень по естественным и математическим наукам получали всего три-четыре студента в год.

Братья Бор были среди этих избранных, и, что любопытно, Харальд стал доктором на несколько месяцев раньше, чем его старший брат Нильс. Данное событие было отражено в датских газетах: писали, что звезда футбола стала звездой математики.

Как Джозеф Джон Томсон нашел электроны? Конечно же, не с помощью очень мощного микроскопа и не потому, что тогда не существовало такого инструмента — такая визуализация невозможна в принципе. На самом деле современная наука представляет электроны не как маленькие бильярдные шарики с определенными пределами, а как уплотнения, зависящие от волны. Так что слово «частица» в обозначении элементарных частиц ошибочно. Томсон работал с трубками, наполненными газами, которые он подвергал электрическим разрядам, и в 1896 году решил сосредоточиться на типе разряда, который производится в вакууме, — на катодных лучах. Принцип этого явления тот же, что и в старых телевизорах: в стеклянной вакуумной трубке между двумя ее полюсами производится электрический разряд. Томсон заметил, что эти лучи отклоняются как электрическими, так и магнитными полями. Объяснение было только одно: лучи состоят из «корпускул», то есть из маленьких частиц с массой и электрическим зарядом (альтернативное объяснение, что катодные лучи представляют собой волны, несовместимо с этими отклонениями). Расчеты, произведенные Томсоном, предполагали, что носители катодных лучей — отрицательно заряженные частицы, масса которых намного меньше самого маленького атома, известного на тот момент — атома водорода. На рисунке представлена стеклянная трубка, используемая Томсоном: катодные лучи испускаются из точки С, проходят через точки А и В и отклоняются из-за электрического поля между пластинами D и Е. Шкала в конце трубки, на которую попадают катодные лучи, служит для измерения отклонения в зависимости от интенсивности электрического поля. Нечто подобное возможно и с магнитным полем.

Совершенно очевидно, что когда речь идет об атомах, следует использовать тот же язык, что и в поэзии. Поэт заботится не столько об описании фактов, сколько о создании образов и установлении мысленных связей.

Нильс Бор, 1920 год

Это отставание отчасти было связано с методом работы Бора. Для него ничто никогда не было абсолютно законченным. Он всегда находил способ улучшить результат, заменить какой-то термин или выражение, чтобы смысл его слов и уравнений был максимально точным. Свою диссертацию он переписал 14 раз. Даже после защиты в мае 1911 года в переплет собственного экземпляра диссертации он пожелал поместить чистые страницы после каждой напечатанной. Естественно, не для того чтобы визуально увеличить свой труд, а чтобы оставить пространство для дальнейших изменений в этой работе, уже утвержденной комиссией. Бор всю жизнь был перфекционистом, к ужасу издателей и соавторов, он нередко вносил правки в свои научные статьи, отданные в печать.

Тот же подход он применял и в отношении статей других исследователей. Временами он поступал как ребенок, с удовольствием отмечающий оплошность в речи взрослых. Так, работая над диссертацией, он обнаружил некоторые ошибки в статьях Томсона, Планка и других великих ученых эпохи.

В своей докторской диссертации он попытался найти ответы для некоторых выводов из самой распространенной на тот момент теории проводимости электричества в металлах — теории Пауля Друде (1863-1906). Центральная идея состояла в рассмотрении твердых металлических тел в качестве совокупности статичных положительных ионов, где все эффекты проводимости были вызваны электронами, которые вели себя как облако, окружающее положительную структуру. Следует подчеркнуть, что эта модель не включала в себя никакого представления о строении атомов, а лишь предполагала, что электрическая проводимость обязана более или менее свободному движению электронного облака в металле. Исследование привело Бора к недавним работам Томсона, Эйнштейна и Планка, и так он познакомился с проблемами классической физики и с решениями, которые предлагала зарождающаяся квантовая гипотеза.

Профессор Кристиансен с кафедры физики Копенгагенского университета был единственным, кто сумел оценить всю сложность диссертации Нильса Бора, поскольку та была написана на датском языке, что ограничивало ее распространение и оценку международным научным сообществом. Кристиансен посчитал, что работа Бора ставит его на путь, начатый Эрстедом и Лоренцем, а это прочило Дании место на современной научной карте. Совет, данный им молодому Нильсу, заключался в том, что настало время дополнить свое образование в одном из престижных центров физики в Европе.

Последние перед отъездом годы в Копенгагене были омрачены смертью отца Бора, в результате инфаркта в феврале 1911 года, и отмечены встречей с Маргрет Норлунд (1890- 1984), сестрой одного из членов дискуссионного кружка «Эклиптика». Она стала невестой, а позже супругой Нильса и сразу же приняла на себя пожизненные обязанности его секретаря.

ГЛАВА 2

Электроны играют с Бором

Как только стало известно, что в состав атомов входят электроны, многие физики попытались описать их положение и внутриатомное движение. В итоге было сделано заключение, что для строения атома характерна планетарная система: ядро с электронами, вращающимися вокруг него по орбитам. Хотя электроны очень капризны в выборе орбит, Нильсу Бору удалось понять их правила игры — те самые, что включали в себя принципы зарождающейся квантовой механики.

Разочарование. Этим словом можно коротко описать впечатление Бора, когда он наконец-то встретился с Джозефом Джоном Томсоном в Кембридже в 1911 году. В начале XX века этот знаменитый британский университет с почти семивековой историей считался обязательным местом посещения для любого физика. Познакомиться с сэром Дж. Дж., обменяться с ним представлениями, получить его совет и работать в Кавендишской лаборатории было мечтой многих молодых ученых со всего мира, желающих внести вклад в разработку физики атомов и электронов.

В чем был секрет Томсона? Кроме славы, которую ему принесли работа с электронами и Нобелевская премия 1906 года по физике, Томсон был известен тем, что фонтанировал идеями и задавал направление работам молодых исследователей, приезжавших к нему. На самом деле Томсон никогда не был сторонником раскрытия темы до конца — ни с теоретической, ни с экспериментальной точки зрения. Его удовлетворял подход, достаточный для того, чтобы сделать общие выводы (часто рискованные) о любом новом результате, о любом теоретическом рассуждении. Таким образом, в Кавендише можно было найти бесконечное множество незавершенных дел, которые молодые физики (менее творческие, но более упорные) могли разработать детально. Возможно, это было лишь частью проблемы.

Томсон, окруженный все возрастающим числом студентов и исследователей, не мог уделить достаточное внимание каждому из них. Кроме того, он привык давать советы и не был готов взаимодействовать с молодыми полными энтузиазма людьми, которые претендовали на общение на равных с ним, тем более если это был кто-то со слабым английским.