Квантовая модель атома. Нильс Бор. Квантовый загранпаспорт. - Jaume Navarro

Любой школьник знаком с законом Ньютона о всемирном тяготении и законом Кулона об электрической силе, и вот между ними была проведена аналогия. Точно так же, как существует концепция массы, от которой зависит сила тяготения, существует и другая концепция — электрические заряды, положительные или отрицательные, которые взаимно притягиваются или отталкиваются. Однако разговор об электрических зарядах требует абстрагирования, поскольку на самом деле существуют не сами заряды, а электрически заряженные тела. Это важно для понимания формулировки Томсона и других английских физиков XIX века.

Модель, с помощью которой Томсон визуализировал электрический разряд, подобна модели, используемой при электролизе. Ученый представлял себе, что с электрическим разрядом происходит диссоциация молекул газа и последующая их реассоциация. Как в популярных танцах с постоянной сменой партнеров, энергия, рассеянная в электрическом разряде, вызвана этим постоянным обменом атомов между молекулами. В 1883 году Томсон разработал теорию материи, согласно которой атомы — всего лишь вихри эфира, то есть зоны, где эфир движется, образуя спирали. Так, ассоциация и диссоциация атомов — это различные динамические сочетания этих вихрей, и электрические явления вызваны натяжениями, которые такие движения производят в эфире.

Это видение мира, в котором атомы и электрический заряд предстали как проявления одной базовой сущности — эфира, — позволяло рассматривать химию и электромагнетизм комплексно. Однако теория не имела успеха, и Томсону пришлось заменить ее другой, более простой, но менее универсальной, в которой электрический заряд — это свойство атомов молекул в их взаимоотношении с эфиром. Таким был первый шаг к «атомизации» электрического заряда, столь важный для последующих работ ученого.

Когда Томсон понял, как сложно установить теорию, которая объяснила бы взаимодействие между электричеством, материей и эфиром, он сосредоточился на изучении катодных лучей. Катодные лучи — это свет, который появляется, если задать разницу потенциалов в вакуумных трубках. Отсутствие материи позволяло предположить, что понять механизмы электрической проводимости эфира станет легче. Было известно, что катодные лучи отклоняются по магнитным полям, но с электрическими полями того же не наблюдалось. Отсюда противоречие между корпускулярными и волновыми объяснениями. Первые заключались в том, что катодные лучи — это результат прохождения электрически заряженных молекул между анодом и катодом (полюсами трубки). Такое объяснение противоречило предположению, что в электрических полях нет отклонения. Поэтому некоторые исследователи утверждали, что катодные лучи — это волна, передаваемая в эфире и не сопровождаемая материей.

Томсон заметил, что катодные лучи все-таки отклоняются из-за электрического поля, что делало более вероятной их идентификацию как электрически заряженных молекул. Британскому ученому, работавшему над моделью электролиза, показалось логичным, что катодные лучи — это результат испускания заряженных молекул анодом и катодом. Однако, к собственному удивлению, в 1897 году он установил: частное между зарядом и массой этих молекул таково, что масса должна быть в тысячу раз меньше массы самого маленького известного атома, атома водорода. Кроме того, новая молекула не зависела от типа материала, из которого сделаны катоды, в связи с чем Томсон пришел к выводу: маленькая молекула, ответственная за катодные лучи, является компонентом всех атомов. Эту частицу он назвал «корпускулой».

Сегодня корпускулы мы называем электронами и рассматриваем их как одни из элементарных частиц материи. Однако в конце XIX века предположение, что атомы состоят из равных между собой корпускул, плохо восприняли как химики, так и физики. Томсона упрекнули в приверженности алхимии и в том, что он воскрешает старую мечту о трансмутации элементов. Атомы Дальтона различались между собой, они были неизменны и неделимы, что гарантировало некую стабильность Вселенной. Если атомы состоят из субатомных частиц, то единственное различие между атомами — это число и организация таких частиц, что приближает к возможности замены одних атомов другими, например к превращению ртути в золото, как того хотели средневековые алхимики. Как раз поэтому физики и химики не сразу приняли корпускулу.

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.