Следующий этап был пройден в 1905 году, когда Альберт Эйнштейн дал объяснение фотоэффекту, открытому несколько ранее Герцем. При освещении металла последний испускает электроны. Число электронов зависит от интенсивности светового потока, но энергия каждого электрона зависит не от этой интенсивности, а от длины волны излучения. Эйнштейн предполагал, что свет состоит из корпускул, или фотонов, каждый из которых является носителем энергии. При столкновении фотона с электроном, находящимся внутри атома металла, фотон может его вытолкнуть из металла, сообщив ему при этом энергию, которая, естественно, зависит от энергии фотона. Чем больше интенсивность светового потока, тем больше фотонов, а следовательно, и выбитых электронов, однако энергия каждого электрона сохраняет зависимость только от длины волны падающего света. Эта гипотеза была подтверждена в 1923 году Комптоном, который открыл, что при столкновении фотонов с веществом некоторые из них отражаются, но с большей длиной волны, т.е. с меньшей энергией. Эффект Комптона удалось объяснить предположением, что при столкновении фотона с электроном первый сообщает последнему часть своей энергии и, отражаясь, уносит только остаток энергии.
Таким образом, Ньютон был прав, утверждая, что свет состоит из корпускул. Излучение черного тела, фотоэффект, эффект Комптона поставили физику перед необходимостью ввести новое определение – квант. И тем не менее Френель не совершил ошибки: только представление о свете как о колебаниях позволяет объяснить явления интерференции и дифракции, обусловленные его волновой природой. Это противоречие привело систему научного мышления к глубокому кризису: в самом деле, если придерживаться обеих точек зрения, то свет ведет себя то как пакет волн, то как поток корпускул.
Представление о квантах только начинало свое победоносное шествие. Когда Резерфорд сделал первый набросок своей модели атома – плотное положительно заряженное ядро, окруженное маленькими отрицательно заряженными спутниками, вращающимися вокруг него на большом расстоянии, – то перед ним возникло чрезвычайно серьезное препятствие. В соответствии с законами электромагнетизма, установленными Максвеллом, электроны, вращающиеся вокруг ядра, должны были бы испускать излучение с непрерывным спектром, потерять при этом всю свою кинетическую энергию и через весьма краткое время упасть на ядро. Однако ничего подобного не происходит. Электроны не падают на ядро, а испускаемое атомом излучение квантовано, т.е. каждому химическому соединению соответствуют определенные спектральные линии,; связанные с длиной волн характеристического излучения атома.
С одной стороны, немыслимо отказаться от законов Максвелла, так блестяще подтвержденных результатами ряда экспериментов, например, открытием волн Герца. С другой стороны, модель Резерфорда превосходно объясняла отклонения альфа-частиц вблизи ядра атома. Нильс Бор, попробовал разрешить возникшие противоречия, введя представление о кванте в модель атома Резерфорда. При этом он выдвинул следующие теоретические ограничения.
1. Электроны могут перемещаться только по строго определенным орбитам (их радиусы кратны целым числам), образующим прерывистую последовательность. Существует орбита с минимальным радиусом. Радиусы остальных орбит в 4, 9, 16 и т.д. раз больше этого минимального радиуса, иными словами, расстояния дозволенных орбит от ядра возрастают пропорционально квадратам целых чисел. Чем дальше находится электрон от ядра, тем слабее притяжение, которое он испытывает, и тем проще его вырвать из атома.
2. При перемещении по одной и той же орбите электрон не излучает энергию.
3. При перескакивании с одной орбиты на другую электрон поглощает или излучает энергию: при переходе с более близкой на более дальнюю орбиту – поглощает, так как при этом он преодолевает силу притяжения ядра, в случае обратного перехода – излучает.
Переход с одной орбиты на другую соответствует излучениям со строго определенными частотами, которые вычисляются с помощью постоянной Планка. Исходя из этого, можно дать следующее объяснение прерывности спектра излучения светящихся тел: фотоны переносят энергию не непрерывно, а в виде квантов, соответствующих переходам электронов с одной орбиты на другую. Движение электронов внутри атома зависит, конечно, от его структуры, т.е. от природы данного химического элемента; каждое тело, которому сообщается энергия (например, при нагреве), возвращает ее затем в виде излучения со строго определенной частотой, специфичной для данного вещества. Всем известно, какое блестящее применение нашла эта закономерность. При изучении спектра излучения какого-либо тела можно определить его химический состав; именно таким путем удалось астрофизикам определить химические элементы, входящие в состав звездного вещества. Так, например, излучение натрия приходится главным образом на желтую и оранжевую части спектра, неона – на красную и т.д.
Бор предполагал, что орбиты электронов внутри атома представляют собой окружности. Зоммерфельд вывел уравнения движения применительно к эллиптическим орбитам, рассматривая модель атома в виде маленькой планетарной системы. Вооруженные этими уравнениями, физики получили возможность, зная атомное число элемента (т.е. число положительных зарядов ядра и соответственно количество электронов), точно предсказывать дозволенные орбиты электронов и частоты излучений, испускаемых электронами при перескакивании с одной орбиты на другую.
Луи де Бройль и волновая механика
Проверка квантовой механики на атоме водорода, содержащем только один электрон, показала совпадение результатов теории и эксперимента. Спектр излучения оказался точно таким, как предсказывали расчетные данные. Однако это превосходное соответствие было, к сожалению, нарушено, когда теорию попытались применить к спектру атома гелия, содержащего два электрона. Физики были вынуждены снова вернуться к чисто математическому описанию наблюдавшихся явлений, удаляясь все дальше и дальше от классических представлений. Это направление, возглавляемое прежде всего Луи де Бройлем, Гейзенбергом и Шредингером, привело к созданию новой революционной теории – волновой механики. Новая система позволила не только обосновать уже известные факты, но предсказала другие, которые были впоследствии подтверждены опытом; кроме того, она объяснила большую часть химических явлений. Вот к этому периоду развития физики и относится начало работы Роберта Оппенгеймера в европейских университетах. Используя могущественное «Сезам, откройся!» – волновую механику, а также все более мощные приборы для наблюдения, физики ринулись в исследования внутриатомной вселенной с тем пылом и жаждой предпринимательства, которые некогда вели конквистадоров к завоеванию сказочных земель.
Основная идея волновой механики заключается в том, что вещество, как и свет, сочетает в себе одновременно свойства волны и частицы, или, если вернуться к первой формулировке Луи де Бройля, любая частица связана с волной. Это справедливо не только для фотонов, которые составляют природу света, но также и для частиц, входящих в состав вещества, например для электронов. Существование волны, связанной с электронами, позволяет догадываться о причине того, почему в структуре, атома возможны только некоторые квантованные орбиты, расчет которых основан на целых числах: до сих пор в физике целые числа служили характеристикой процесса только при интерференции стоячих волн.
Но в применении к электрону, материальной частице, масса которого была уже измерена, представление о волне принималось весьма нерешительно. В 1927 году, в том самом году, когда молодой Оппенгеймер сдавал экзамены на степень доктора в Геттингене, двое его соотечественников – физики Дэвиссон и Джермер – показали, что пучок электронов, пропускаемый через очень тонкие пленки, подчиняется тем же законам дифракции, что и лучи света. А дифракция, хорошо известное из оптики явление, мыслима только в применении к пучкам волн.