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

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.

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?