Эти затруднения можно было временно объяснить тем, что нам недостаточно хорошо известны силы, которые связывают электроны внутри атома. Но положение значительно изменилось благодаря экспериментальным открытиям в области радиоактивности, которые дали физикам новые средства для изучения строения атомов. Изучая прохождение частиц, испускаемых радиоактивными веществами, сквозь материю, Резерфорд пришёл к мысли о ядерном строении атома. Согласно этому представлению большая часть массы атома сосредоточена внутри положительно заряженного ядра, которое очень мало по сравнению с размерами всего атома. Вокруг ядра движется определённое число лёгких отрицательно заряженных электронов.

Таким образом, проблема строения атома получила, казалось, большое сходство с проблемами небесной механики. Но ближайшее рассмотрение этого вопроса показало вскоре, что имеет место и существенное различие между атомом и планетной системой. Атом должен обладать устойчивостью, которая имеет черты, чуждые механической теории. Законы механики допускают возможность непрерывных изменений движения, а это противоречит тому обстоятельству, что каждый элемент имеет совершенно определённые свойства. Различие между атомом и электродинамической моделью становится очевидным, если рассмотреть структуру испускаемого излучения. В моделях такого рода, в которых, согласно классической теории, частота обращения непрерывно изменяется вместе с энергией, частота излучения должна непрерывно изменяться во время испускания. Такое излучение не имеет ничего общего с линейчатыми спектрами элементов.

КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ СТРОЕНИЯ АТОМА

Попытки найти более точную формулировку для представлений теории квантов и при этом такую формулировку, которая могла бы преодолеть указанные нами затруднения, привела к установлению следующих постулатов.

1. Атомная система обладает некоторым многообразием состояний, «стационарных состояний», которым соответствует дискретный ряд значений энергии и которым присуща специфическая устойчивость. Это выражается в том, что каждое изменение энергии атома вызвано «переходом» атома из одного стационарного состояния в другое.

2. Возможность испускания и поглощения излучения атомом обусловлена возможностью изменения энергии атома, причём частота излучения связана с разностью значений энергии в начальном и конечном состояниях с помощью такого соотношения:

h

=

E

1

– E

2

.

Эти постулаты, которые не могут быть объяснены на основе классических представлений, дают, по-видимому, достаточное основание для общего описания наблюдаемых физических и химических свойств элементов. В частности, они дали непосредственное объяснение фундаментальной черты эмпирических спектральных законов. Принцип комбинации спектральных линий — принцип Ритца — устанавливает, что частота каждой линии спектра может быть представлена в виде разности двух термов из многообразия спектральных термов, характеризующего данный элемент. Действительно, мы видим, что эти термы могут быть отождествлены со значениями энергии стационарных состояний атома, разделёнными на h. Кроме того, это описание происхождения спектров даёт также непосредственное объяснение существенного различия между спектрами поглощения и испускания. Согласно постулатам условие для частоты избирательного поглощения, соответствующей комбинации двух термов, заключается в том, что атом должен находиться в состоянии с меньшей энергией, в то время как для испускания он должен находиться в стационарном состоянии с большей энергией. Короче говоря, описанная картина находится в очень хорошем согласии с результатами опыта по возбуждению спектров. Особенно ясно это доказывается открытием Франка и Герца, относящимся к столкновениям электронов с атомами. Франк и Герц нашли, что передача энергии электрона атому может происходить только в количествах, которые в точности равны разностям значений энергии стационарных состояний, вычисленным из спектральных термов. Возбуждение атома, который затем излучает, происходит вообще мгновенно. С другой стороны, возбуждённый атом может, согласно Клейну и Росселанду, потерять свою излучающую способность при соударении с электроном, энергия которого увеличивается на соответствующую величину.

Как показал Эйнштейн, эти постулаты дают также достаточное основание для рациональной разработки статистических проблем, в частности для очень ясного вывода закона излучения Планка. В теории Эйнштейна допускается, что атом, который может совершить переход между двумя стационарными состояниями и находится в более высоком состоянии, обладает известной «вероятностью», зависящей только от атома, спонтанно перейти в данный промежуток времени в нижнее состояние. Кроме того, допускается, что при освещении атома извне излучением с частотой, соответствующей переходу, атом имеет вероятность, пропорциональную интенсивности излучения, перейти из нижнего состояния в верхнее. Существенной особенностью теории является также допущение, что если атом освещается таким излучением, находясь в нижнем состоянии, то он имеет, кроме своей спонтанной вероятности, ещё добавочную вероятность 1 перехода в нижнее состояние.

1 Эта последняя вероятность, называемая вероятностью индуцированного перехода, пропорциональна интенсивности излучения. — Прим, ред.

КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ

Теория теплового излучения Эйнштейна, подтверждая приведённые выше постулаты, подчёркивает в то же время формальную природу условия частот. Из условий теплового равновесия Эйнштейн выводит заключение, что всякий процесс поглощения и излучения сопровождается передачей количества движения h/c где c — скорость света, как и следовало ожидать на основании представления о световых квантах. Значение этого вывода было подчёркнуто интересным открытием Комптона, который нашёл, что рассеяние монохроматических рентгеновских лучей сопровождается изменением длины волны рассеянного излучения, причём это изменение зависит от направления, в котором наблюдаются рассеянные лучи. Такое изменение частоты непосредственно следует из теории световых квантов, если при расчёте отклонения кванта принять во внимание законы сохранения энергии и количества движения.

Противоречие между волновой теорией света, применяемой для объяснения оптических явлений, и теорией световых квантов, которая хорошо объясняет многие особенности взаимодействия света с веществом, всё увеличивалось и привело к мысли, что недостаточность классической теории может даже отразиться на справедливости законов сохранения энергии и количества движения. Эти законы, которые занимают центральное положение в классической теории, могли бы иметь лишь статистический смысл при описании атомных процессов. Однако такое допущение не даёт удовлетворительного разрешения дилеммы, как показывают опыты по рассеянию рентгеновских лучей, произведённые недавно с помощью изящных методов, позволяющих непосредственно наблюдать индивидуальные процессы. Гейгеру и Боте удалось показать, что электроны отдачи, сопровождающие рассеянное излучение, и фотоэлектроны, появляющиеся при поглощении его, попарно соответствуют друг другу, как и следует ожидать на основании теории световых квантов. Комптон и Саймон доказали в экспериментах с камерой Вильсона, что существует не только попарное соответствие электронов, но и требуемая теорией световых квантов зависимость между направлением, в котором наблюдается рассеянное излучение, и направлением скорости электронов отдачи, сопровождающих это рассеяние.

Из этих результатов следует, по-видимому, что в общей проблеме квантовой теории приходится иметь дело не только с видоизменением механических и электродинамических теорий, которое может быть выражено при помощи обычных физических представлений, но и с существенным недостатком пространственно-временных образов, на которых было основано до сих пор описание явлений природы. Этот недостаток выявляется при ближайшем рассмотрении соударений. Именно для соударений, продолжительность которых мала по сравнению с естественными периодами атома и для которых можно было бы ожидать очень простых результатов на основании обычных механических представлений, оказывается, что постулат стационарных состояний, по-видимому, несовместим с пространственно-временным описанием столкновения, основанным па современном учении о строении атомов 1.