Виток спирали
Шрифт:
Нильс Бор родился в Копенгагене, в семье профессора филологии, и учился физике. Когда он узнал об атомном ядре, открытом Резерфордом, ему было 26 лет. Он приехал в Англию и вскоре поступил стажером в лабораторию Резерфорда, Этому молодому датскому физику предстояло спасти планетарный атом Резерфорда.
Рассуждение
Если бы электрон непрерывно излучал, он упал бы на ядро. Но он не падает, значит, он не излучает непрерывно. Уже потому не излучает непрерывно, что непрерывное излучение невозможно — оно делится на порции, кванты.
Но каким образом эти кванты излучаются электроном?
Основные, первоначальные, принципы теории строения простейшего атома водорода Бор изложил в статье, опубликованной в 1913 году.
Чтобы более или менее наглядно представить себе обоснованное в этой статье поведение электрона, вращающегося вокруг атомного ядра, попробуем обратиться к аналогии.
Разумеется, нельзя забывать, что наглядное представление о процессах внутри атома вообще не может не быть грубо упрощенным. Аналогия же никогда не соответствует истинной картине — в лучшем случае, она лишь помогает понять ее…
Есть такая игра — один из видов бильярда: наклонная доска с круглыми гнездами, по которой катятся металлические шарики. Чем ниже скатывается шарик, тем трудней ему застрять в каком-нибудь гнезде. Ведь, снижаясь, он катится все быстрей, потому что все большая часть потенциальной энергии превращается в кинетическую, в энергию движения.
Так вот. В определенном смысле атомное ядро ведет себя, как наклонная доска, электроны — как шарики, а гнезда играют роль таких уровней, на которых электрону "разрешено" находиться, не излучая. Попав в гнездо, шарик уже не расходует на движение потенциальную энергию, а лежит себе и лежит. Попав на один из разрешенных уровней, электрон уже не расходует на излучение запасенную на прежнем уровне энергию, а спокойно движется вокруг ядра.
А излучает электрон только при перескоке с одного разрешенного уровня на другой, более близкий к ядру. При этом излучается ровно квант энергии. Электрон не может излучить, скажем, полкванта — ведь он не может прекратить свое "падение" к ядру на полдороге, до следующего разрешенного уровня.
Если же нагревать атом или облучать его, то есть подавать в него энергию извне, то электроны, поглотив эту энергию, перескочат с более близких к ядру уровней на более далекие. Потом такой атом сможет отдавать энергию обратно: электроны соскакивают пониже, и кванты излучаются в пространство. Если это кванты видимого света, вещество начинает фосфоресцировать, светиться.
Как, например, устроен атом водорода? У него есть ядро, несущее один положительный электрический заряд. А вокруг него, как Луна, вращается электрон. Но, в отличие от Луны, он может находиться не на одной-единственной орбите, а на любой из нескольких разрешенных для него орбит. И перескакивая со ступеньки на ступеньку, сверху вниз, с одной разрешенной
Вот откуда серия полосок в спектре водорода, обнаруженная некогда Бальмером. У разных порций — разная энергия, значит, это разные фотоны — кванты света: один, например, желтый, другой красный, третий фиолетовый, а четвертый еще энергичней — он попадает в спектре в зону ультрафиолета.
…Люди обычно предпочитают, чтобы непонятные вещи объясняли им с помощью понятных. Поэтому способ, которым никому не ведомый молодой датчанин решил спасти непонятную конструкцию атома Резерфорда, не сразу пришелся по душе даже физикам. Лорду Релею, например.
Но все же не один Резерфорд оценил гениальную идею Бора…
Глава пятая,
в которой Мозли не только спасает естественную систему элементов, но и объясняет ее
Когда лавины новых поразительных открытий проносятся в мире науки, то сперва кажется, что ничто не осталось на месте, все рухнуло. Но вот оседает пыль: и разрушенными оказываются только предрассудки и заблуждения, а очищенный от них мир истин становится еще более незыблемым.
Так получилось и на этот раз.
Раньше других этот новый прекрасный мир увидел сверстник Бора и ученик Резерфорда Генри Гвин Мозли.
О нем не очень много известно. Вероятно, потому, что на занятия наукой судьба отпустила ему считанные годы. Летом 1910 года он окончил Оксфордский университет и явился к Резерфорду. А летом 1915 года погиб от пули на войне — в окопе, на берегу Дарданелл.
Ньютон прожил 85 лет, Бойль — 64, Ломоносов — 54. Лавуазье — 51 год, а Мозли погиб примерно в том же возрасте, что и Лермонтов…
Подобно Беккерелю, Мозли был сыном профессора и внуком профессора. Подобно Кавендишу, он был фанатически предан науке. Его друзья рассказывали: у Мозли было два рабочих правила. Первое — если начал налаживать прибор для опыта, то нельзя останавливаться, пока он не будет налажен; второе — когда прибор налажен, нельзя останавливаться, пока опыт не будет окончен. Мозли предпочитал работать в полном уединении. Известна такая история. Резерфорд курил трубку, и Мозли курил трубку. Трубка то и дело гаснет, и курильщики тратят уйму спичек. У Мозли спички были всегда, и Резерфорд нередко заходил к нему, чтобы зажечь свою потухшую трубку. Но так продолжалось недолго. Однажды, зайдя в лабораторию, где трудился его молодой сотрудник" профессор увидел гору спичечных коробков и надпись: "Пожалуйста, возьмите одну из этих коробок и оставьте в покое мои спички!"
Итак, судьба отпустила Генри Гвину Мозли совсем немного времени. Как же он распорядился им?
Первый год изучал бега-лучи и гамма-лучи. Второй год — лучи Рентгена. По-видимому, он выбирал, какой вид излучений может дать больше информации об устройство атома. Замок шкатулки не открыть ключом от городских ворот…
Самые длинные электромагнитные волны — их длина от сантиметров до километров — работают в радиоприемниках. Волны покороче — длиной в миллиметр или в его десятые доли — воспринимаются как тепло. Волны в тысячные доли миллиметра можно увидеть — это свет. Еще короче невидимые ультрафиолетовые волны, от которых темнеет наша кожа. Но самые короткие волны у рентгеновых лучей — они и сотни миллионов и миллиарды раз меньше сантиметра.