Маргарита Рютова-Кемоклидзе - Квантовый возраст

В 1913 г. Нильс Бор, работавший в ту пору у Резерфорда в манчестерской лаборатории, опубликовал работу, состоящую из трех частей — трилогию, при знакомстве с которой «нельзя было избежать шока». На основе резерфордовской модели атома Бор создал теорию атома, теорию, которая работала . Теперь кванты проникли в последнее прибежище классической физики — формулы классической механики и электродинамики.

Самым впечатляющим был успех теории в объяснении линейчатых спектров водородоподобных атомов.

Первая систематизация линейчатых спектров принадлежит Иоганну Бальмеру и датируется 1885 г. Но еще раньше, в 1870 г., Джонстон Стони заметил, что частоты линий солнечного спектра, соответствующие определенным линиям спектра водорода, относятся между собой, как целые числа, и нашел удивительную аналогию в соотношениях этих чисел с соотношениями частот различных гармоник скрипичной струны. Это навело Стони на мысль, что в основе закономерностей линейчатых спектров должно лежать какое-то периодическое движение внутри молекулы водорода.

Лишь спустя 15 лет Бальмер получил общий закон, связывающий волновые числа различных линий видимого спектра с простыми целыми числами. Форма этого закона очень проста: ν = R(1/2 2 – 1/ n 2). Здесь ν — «волновое число» — величина, обратная длине волны; R — постоянная Ридберга, названная так в честь шведского спектроскописта Ридберга. Ни из каких законов физики не следовало ни ее существование, ни тем более ее численное значение, равное 109 678. Это значение было найдено чисто эмпирическим путем. Оно постоянно, номер спектральной линии n принимает целые значения, начиная с трех. Закон Бальмера выполняется с высокой точностью, как принято говорить в физике, с точностью до пяти-шести знаков.

В 1904 г. Лайман нашел серию водорода в ультрафиолетовой области, которая описывается той же формулой. Только вместо 1/2 2стоит 1/1 2. В 1909 г. Пашен нашел серию водорода в инфракрасной области спектра. Закон все тот же, только первый член здесь 1/3 2. Эти целочисленные законы для линейчатых спектров, сугубо эмпирические, с такой точностью описывающие опытные данные, казались абсолютно загадочными.

Уже в первых набросках своей теории Бор получил формулу, описывающую спектральные закономерности. Эта формула содержала в себе как частный случай серии Бальмера, Лаймана, Пашена и предсказывала серии, которые были открыты позже. Что же касается постоянной Ридберга, то в формуле Бора она имела уже чисто теоретический «буквенный» вид и выражалась через постоянную Планка, заряд электрона, массу электрона и скорость света. Совпадение вычисленной по формуле Бора постоянной Ридберга с ее эмпирическим значением было потрясающим. Как тут было не поверить в теорию Бора! В том же 1913 г. успех теории был подкреплен опытом Франка и Герца. Результаты этого опыта однозначно показали, что внутренняя энергия атома не может изменяться непрерывно, а принимает совершенно определенные дискретные значения. Это было прямым подтверждением постулата Бора о том, что электроны в атоме вращаются по совершенно определенным — «разрешенным» — орбитам и, вопреки законам классической электродинамики, при этом не теряют, не излучают энергию. Энергия излучается только при переходе с одной «разрешенной» орбиты на другую. Причем энергия излучается в виде одной неделимой «порции», пропорциональной кванту Планка.

Конечно, 1913 год — это в первую очередь триумф теории Бора, но это еще предсказание протона Резерфордом, это изобретение рентгеновского спектрометра Генри Брэггом. В этом же году Владимир Константинович Аркадьев, ученик Лебедева, открыл эффект, названный позднее ферромагнитным резонансом, Содди ввел термин «изотопы», Астон предложил метод газовой диффузии для разделения изотопов, Камерлинг-Оннес обнаружил разрушение сверхпроводимости под влиянием сильных магнитных полей.

Физика вступала в свой золотой век. Время гениальных одиночек кончилось. Стали создаваться школы. Резерфорд в Манчестере, Бор в Копенгагене, Макс Борн в Геттингене, Зоммерфельд в Мюнхене, Эренфест в Лейдене, Мария Кюри в Париже собирали вокруг себя талантливую молодежь. Но не было «разных» школ и «личных» успехов — были общие школы и общий успех.

На семинар Эренфеста приезжала резерфордовская молодежь с самим Крокодилом (прозвище Резерфорда), приезжали из Цюриха, Берлина, Парижа. После семинара споры продолжались на улице, в кафе, в домашнем кабинете Эренфеста, где каждый, посетивший эту маленькую комнату, расписывался на стене. В Геттингене, в знаменитом Математическом клубе Гильберта, все чаще занимали место докладчика физики, съезжающиеся из разных городов Европы. Так было, пока не прокатилось по Европе слово «война».