Квантовая модель атома. Нильс Бор. Квантовый загранпаспорт.

Долгожданный момент настал в сентябре 1911 года. При поддержке фонда «Карлсберг» Бор приехал в Кембридж на один год по постдокторской программе. В его багаже были экземпляр переведенной в спешке докторской диссертации, много иллюзий и несколько английских фраз. Последние два компонента в сочетании очень плохи. Рассказывали, что на первую встречу с Томсоном Бор взял экземпляр книги «Корпускулярная теория материи», опубликованной профессором в 1907 году, открыл ее на конкретной странице и заявил: «Вот здесь не сходится». Хорошо известно, что язык Шекспира крайне изощрен, когда дело доходит до критики, поэтому неудивительно, что непривычному к критике Томсону Бор показался невоспитанным.

Отношения не улучшились и за несколько недель. Томсон поручил Бору экспериментальную работу, связанную с поведением катодных лучей, которая не представляла никакого интереса для молодого датчанина. Кроме того, профессор всегда был занят, и у него никогда не оставалось времени ознакомиться с докторской диссертацией. Между тем Бор пытался усовершенствовать свой английский, читал полное собрание сочинений Чарльза Диккенса со словарем. Единственное, что радовало его в первые месяцы в Кембридже,— это возможность часто играть в футбольной команде университета, а также приезд его брата Харальда на Рождество и постоянные письма из Копенгагена от Маргрет.

Именно на рождественском ужине в Тринити-колледже в Кембридже Бор встретился с выпускником Томсона, новозеландцем Эрнестом Резерфордом (1871-1937), который в то время руководил лабораторией в Манчестере, проведя несколько лет в Канаде. Бор был впечатлен силой характера Резерфорда и его рассказом о своей лаборатории. Тогда он решил не ждать окончания года в Кембридже и переехать в Манчестер при первой же возможности. На самом деле, несмотря на притягательность Кавендишской лаборатории для научного мира, Бор был не единственным, кто почувствовал некоторый застой в Кембридже.

В Манчестере была более молодая и намного более динамичная школа, в ней сосредоточились на конкретной проблеме — радиоактивности, к которой в Кембридже не выказывали интереса. Кроме того, ходили слухи, что эксперименты Резерфорда могут навсегда изменить понимание структуры атома.

Кембриджский университет тогда и сейчас — это конфедерация частично независимых колледжей; в XIX и XX веках дисциплины средневекового учреждения пополнили физика, химия, философия, право, теология и так далее.

Тринити-колледж — мощнейший в Кембридже. Основанный Генрихом VIII в 1546 году, он все еще является одной из самых богатых институций в Англии, его превосходят только монархия и англиканская церковь. Томсон сначала был студентом, затем фелло и, наконец, магистром Тринитиколледжа, и здесь он ежегодно устраивал ужин для исследователей Кавендишской лаборатории.

Восьмого декабря 1911 года, когда Бор решил покинуть Кембридж, отмечалась 27-я годовщина Томсона во главе Кавендишской лаборатории. Было подано около десяти различных блюд в сопровождении вин, а в конце Томсону пропели песню, сочиненную для этого случая: Oh my darlings, oh my darlings, oh my darlings, ions mine/you are lost and gone forever/ when just once you recombine («О, дорогие, о, дорогие, о, дорогие мои ионы, / вы навсегда потеряны, / если однажды рекомбинируетесь»). Через много лет Бор перенесет в Копенгаген эту неформальную традицию адаптировать современную физику к популярной культуре.

Интерьер столовой Тринити-колледжа.

Появление электрона на научной сцене в 1897 году имело большое значение для понимания материи и электричества. На самом деле в утверждении, что существуют частицы, меньшие, чем атом, заключалось некое семантическое противоречие, поскольку слово «атом» означает именно «неделимый». Но это был не единственный сюрприз. Стало ясно, что электроны несут в себе отрицательный электрический заряд, в то время как, в соответствии с теорией Максвелла, электрический заряд понимался не как вещество, а как свойство материи на границе между двумя материальными средами. Другими словами, никто не говорил о «заряде», а лишь об «электронно заряженном теле». Это ничего не меняло, по крайней мере для Томсона. Но когда электроны оказались отрицательно заряженными частицами, отрицательный электрический заряд стал явлением, хорошо локализованным в пространстве, — явлением редукции.

Следует подчеркнуть, что только отрицательный электрический заряд, казалось, сосредоточивается в этих маленьких электронах. Тогда никто не думал, что может существовать частица, эквивалентная электрону, но с положительным зарядом. И хотя положительный электрон был обнаружен в 1932 году, его свойства были и продолжают существенно отличаться от свойств отрицательных электронов. Что же тогда происходит с положительным зарядом? Как понять его? Как может быть, что атомы, содержащие электроны, являются электрически нейтральными? И наконец, сколько электронов содержит каждый атом и как они организованы?

Поскольку Томсону было свойственно выдвигать крупные гипотезы, неудивительно, что именно он первым подступился к этим вопросам и предложил возможные ответы. В его распоряжении были только атомы, электрически нейтральные в нормальном состоянии, и отрицательные электроны. Его идея заключалась в том, что они присутствуют в большом количестве внутри нейтрального атома. Если атом теряет несколько электронов, он оказывается заряженным положительно, а если получает электроны, то приобретает отрицательный заряд. Чтобы понять эту атомную модель, важно подчеркнуть, что для Томсона не было никакой частицы или материи с положительным зарядом, и единственный способ сделать атом положительно заряженным — это лишить его отрицательных электронов. Именно дефицит или излишек электронов определял электрический заряд атома, положительный или отрицательный соответственно. В 1904 году Томсон выразил это следующим образом:

«Атомы элементов состоят из некоторого числа отрицательно заряженных корпускул, скрытых в сфере однородного положительного заряда».

Это известно как пудинговая модель. Конечно же, не сам Томсон так ее окрестил; более того, название может ввести в заблуждение. И изюминки, и сам пудинг материальны, хотя и имеют различные свойства. В случае с атомом Томсона единственной материей была та, которую составляли электроны. При этом вопрос о числе электронов в каждом атоме довольно прост: если учитывать, что масса каждого электрона (все они равны) в 2000 раз меньше массы самого маленького атома (атома водорода), можно сделать вывод, что внутри каждого атома должны содержаться сотни электронов (около 2000 в случае с водородом или около 32000 в случае с кислородом).

Нельзя не отметить красоту и простоту этой модели атома. С помощью единственного типа частиц, электронов, объяснялась и масса, и заряд атомов. Томсон представлял, что электроны могут образовывать стабильные структуры в форме более или менее концентрических сфер. Только внешние электроны определяют такие физические и химические свойства элементов, как присутствие ионов (атомов с положительным или отрицательным зарядом) в химической связи.

Исследование в прикладной науке ведет к реформам, исследование в чистой науке ведет к революциям.

Джозеф Джон Томсон

Однако иллюзия Томсона длилась недолго. К концу 1905 года некоторые экспериментальные результаты косвенно указали на то, что число электронов в каждом атоме не превышает нескольких десятков. Это означало, что большая часть массы атомов не может состоять в его электронах, а должна быть в части положительного электричества. В чем же тогда заключалась эта положительно заряженная часть атома? Здесь Томсон приступил к исследованию положительных ионов, то есть атомов, потерявших один или несколько электронов, в поисках ключа, который позволил бы понять положительную часть атома.