Однако надо отдавать себе очень ясный отчет в том, что все, рассказанное выше, совершенно не укладывается в планетарную модель атома. Это не только необъяснимо, но и прямо противоречит большинству характерных свойств планетных систем. Строение орбит зависит от начальных условий; существует множество возможных форм орбит, и реализация той или иной формы зависит от предыстории данной системы. Если бы два атома были просто двумя планетными системами, то их свойства очень редко оказывались бы тождественными.

Подведем итог. Все вокруг нас в природе проявляет характерные для веществ свойства. Несмотря на несметное множество самых различных веществ, каждое из них воспроизводимо и его можно снова создать со всеми характерными свойствами. Существование такой ситуации требует, чтобы атомы обладали следующими тремя свойствами:

1) Устойчивость. Атомы сохраняют свои специфические свойства, несмотря на сильные столкновения и возмущения, которым они подвергаются.

2) Тождественность. Все атомы одного рода (с тем же числом электронов Z) обладают тождественными свойствами; они испускают и поглощают излучение с одними и теми же частотами, имеют равные размеры, форму, и внутреннее движение в них одинаково.

3) Воспроизводимость, вернее, способность возвращаться в исходное состояние. Если форма атома была искажена и его электронные орбиты были вынуждены изменить свой вид в результате высокого давления или соседства других атомов, то после устранения причины искажения сам атом и его орбиты снова приобретают исходную форму.

Опыты, однако, показывают, что атом есть планетная система электронов, обращающихся вокруг ядра, система, которая не может обладать перечисленными выше тремя свойствами. Следовательно, эта модель атома никак не может объяснить всю специфичность свойств вещества. Мы должны найти новую и существенную черту строения атома, которая не содержится в классической модели планетной системы. Этот новый взгляд на природу атома принесло развитие квантовой теории.

ГЛАВА V

КВАНТ

Квантовые состояния атома

Мир атомов полон неожиданностей. Пытаясь проникнуть во внутреннюю структуру атома, мы наблюдаем странные вещи, которые кажутся противоречивыми из-за своего существенного отличия от всего нашего повседневного опыта, относящегося к макромиру. По-видимому, они не отвечают нашим привычным представлениям о том, что такое частицы и как они должны себя вести. Мы понимаем, что надо найти нечто необычайное для того, чтобы объяснить те факты, которые мы видим вокруг себя.

В гл. IV мы подчеркивали серьезные противоречия, затрудняющие изучение структуры атома. С одной стороны, атом проявляет себя как маленькая планетная система из обращающихся по орбитам электронов; с другой стороны, мы видим его устойчивость и характерные свойства, совершенно чуждые планетным системам. В этой главе мы начнем с более подробного обзора необычных наблюдений над атомами и атомными частицами, а затем попытаемся выяснить новые закономерности, управляющие недрами атома. Но это не будет исторический обзор. К сожалению, в действительном развитии науки открытие редко делается тогда, когда оно было бы нам полезнее всего; оно приходит лишь после того, как успехи техники обеспечат создание аппаратуры, позволяющей проводить необходимые измерения. Здесь мы будем рассказывать о новых открытиях в таком порядке, который облегчит понимание их глубокого смысла. Мы обсудим три группы наблюдений, из которых каждое отражает странные и необычные черты атомного мира.

К первой группе относится обнаружение квантовых состояний атома, вторая связана с квантовой природой света, третья — с волновыми свойствами материальных частиц. Тогда мы будем подготовлены к пониманию существа новой квантовой механики, основанной на этих наблюдениях. Она служит фундаментом нашего понимания атомных явлений на данном этапе развития науки.

В 1913 г. Джемс Франк и Густав Герц произвели ряд опытов, в которых они пытались изменить планетарные орбиты электронов в атомах. Они рассуждали так. Атом, по-видимому, сопротивляется изменению электронных орбит. Попытаемся изменить эти орбиты силой и посмотрим, как и до какой степени атом сможет сопротивляться такому изменению. Можно ожидать, что планеты изменят свои орбиты, если какая-нибудь звезда пройдет близ нашей солнечной системы. Франк и Герц осуществили в микромире опыт, который соответствует такому катаклизму в солнечной системе. Приведем упрощенную схему их опыта. Возьмем сосуд, содержащий атомы газа, например газообразного натрия или водорода (рис. 22), и пропустим через него прямой пучок электронов.

Рис. 22. Общая схема опыта для измерения потерь энергии электронов при их столкновении с атомами. Электроны проходят через газ (пары натрия) в средней камере. Электроны покидают источник (пушку) с энергией, определяемой ускоряющим напряжением, приложенным к двум проволокам слева. Их энергия, остающаяся после столкновения, измеряется в камере справа.

Так как электроны оказывают друг на друга сильное действие, то следует ожидать, что электроны пучка, проходя близ атомов, будут влиять на орбитальные электроны и заставят их изменить свои орбиты, точно так же, как звезда, проходящая близ Земли, изменила бы ее орбиту.

Мы не можем непосредственно ни увидеть электронную орбиту, ни выяснить, изменилась ли она, но мы можем косвенным образом узнать, что именно произошло. Мы точно установили, что все электроны в пучке при вхождении в газ имеют одинаковую скорость. Любое изменение, которое электроны произведут в атомах, будет связано с изменением скорости электронов. Это предсказание следует из закона сохранения энергии. Для того чтобы изменить орбиту электрона в атоме, нужна энергия[32]; поэтому, если орбита изменяется электроном проходящего пучка, то этот электрон должен потерять некоторое количество энергии. Скорость связана с энергией, и следовательно, скорость электрона должна уменьшиться, что можно заметить после того, как пучок выйдет с другой стороны из сосуда с газом. То же самое должно происходить и при прохождении звезды близ нашей солнечной системы. При этом Земля должна была бы получить толчок, что привело бы к увеличению ее энергии и уменьшению энергии звезды.

Чего надо ожидать на основе планетарной модели атома? Должны были бы возникать всевозможные изменения орбит, малые и большие, в зависимости от того, насколько близко от атома прошел электрон. Следовало ожидать всевозможных потерь (а иногда и выигрыша) энергии, начиная с нулевых; в среднем эти потери должны были бы уменьшаться по мере разрежения газа, так как в нем должны происходить более редкие столкновения.

Наблюдения показали совершенно обратное. Скорость электронов в пучке вообще не менялась, если их начальная энергия была меньше некоторой минимальной величины. Однако последняя была достаточно большой: она более чем в 1000 раз превосходила тепловую энергию электронов при обычных температурах. Если же энергия электронов в пучке превышала этот минимум, то электроны или теряли некоторое определенное количество энергии, или совсем не теряли ее. Эта определенная величина — минимальная величина, а значит, характерная для атомов данного рода, из которых состоит газ; она не зависит ни от плотности газа, ни от каких-либо внешних обстоятельств. Что может означать этот странный результат? Он говорит нам, что энергию электрона в атоме нельзя изменить на произвольную величину. Она или совсем не меняется, или меняется только на определенную и очень большую величину. Здесь появляется понятие о кванте энергии. Атому можно сообщить только некоторые характерные кванты энергии — не больше, не меньше.

Это значит, что атом воспринимает только предопределенные порции энергии. Он не принимает маленьких частей этой порции, а только всю. Для атомов каждого сорта имеются свои определенные порции энергии, которые они могут воспринимать. Если атому предлагаются меньшие порции, он вообще не реагирует на них. Он реагирует (изменяет свое состояние) только тогда, когда предлагается как раз должная порция энергии.