Атом водорода в своем основном состоянии колеблется в соответствии с простейшей из возможных картин (см. первый снимок фото V).

Другие атомы, однако, даже в своих основных состояниях дают более сложные картины. Это стало понятным после того, как Вольфганг Паули сформулировал в 1927 г. весьма важный принцип. Он гласит, что если в атоме находится больше одного электрона, то каждый из них должен создавать различные картины. Поэтому при добавлении электрона должна возникать следующая (по порядку) конфигурация. Основное состояние сложного атома соответствует возбужденному состоянию более простого.

Здесь мы находим объяснение тому, что прибавление или удаление одного электрона так сильно сказывается в атомном мире. Картина, обусловленная последним электроном, определяет конфигурацию всего атома. Это в свою очередь определяет способ, которым соединяются атомы, т. е. то, образуют ли они кристалл, жидкость или газ. Наблюдаемая картина может заметно изменяться при переходе от некоторого числа электронов к ближайшему большему (см. фото V).

В мире атомов количество переходит в качество, одним электроном больше — и свойства полностью изменяются.

Открытое Шредингером фундаментальное значение электронных волн для строения атома и развитие этой теории Гейзенбергом, Максом Борном и Паули составили поворотный пункт в понимании природы человеком, сравнимый с ньютоновским открытием всемирного тяготения, электромагнитной теорией света Максвелла и теорией относительности Эйнштейна. Свойства атома, казавшиеся столь странными и непонятными на основе планетарной модели, нашли свое место в рамках волновой теории. Стоячая волна принимает некоторые определенные формы и частоты, так же как колебания воздуха в органной трубе, колебания скрипичной струны или дрожание водной поверхности в колеблющемся стакане. Всем этим колебаниям соответствует ряд волновых картин, начиная с самой простой, в которой колебания происходят с наименьшей частотой, и кончая более сложными картинами с высокими частотами. То же относится и к электронным волнам в атоме.

На основе этого нового понимания природы мы можем понять три замечательных свойства атома, перечисленные в конце предыдущей главы. Устойчивость атомов обусловлена тем, что для перехода от простейшей картины к более сложной необходимо сообщить им значительное количество энергии[36]. Пока количество сообщаемой атому энергии меньше указанного, сам атом остается в наинизшей конфигурации, которая, таким образом, отвечает наибольшей устойчивости. Тождественность атомов обусловлена тем, что волновые картины всегда одинаковы и определяются способом ограничения волны в пространстве. Один атом натрия тождествен другому потому, что во всех атомах электронная волна ограничена теми же условиями, т. е. притяжением ядра и электрическим действием других электронов в атоме. Тождественность двух атомов золота обусловлена тем, что одинаковое число электронов связано одним и тем же зарядом в центре, и поэтому эти электроны совершают одинаковые волновые движения. Наконец, воспроизводимость, т. е. способность возвращения к исходной форме после воздействия, как раз совпадает с той, которую и следует ожидать для случая волновых явлений, обладающих устойчивостью. При восстановлении исходных условий колебания электрона снова должны происходить так же, как и до воздействия, поскольку они однозначно определяются условиями, при которых движется электрон, и совершенно не зависят от того, что происходило ранее. Наблюдаемые конфигурации вообще не зависят от предыстории атома; мы можем разрушить атом, удаляя несколько электронов, или деформировать его, конденсируя наше вещество до твердого состояния (как это делалось в примере с натрием в предыдущей главе), но, как только атом вернется в исходные условия, электронные волны примут ту же форму, какую они имели вначале. Существует только одна конфигурация с наименьшей частотой (или энергией).

Замечательно, что мы на самом деле нашли в мире атомов то, что Пифагор и Кеплер тщетно искали в движении планет. Они полагали, что Земля и другие планеты движутся по особым орбитам, единственно возможным для каждой планеты и определенным каким-то основным принципом, не зависящим от частной судьбы и предыстории нашей планетной системы. Такой принцип отсутствует в движении планет, но он существует в движении атомных электронов это волновой принцип. Мы вспомним здесь пифагорейскую гармонию мира: квантовые состояния атома имеют предопределенные конфигурации и частоты. Каждый атом водорода во Вселенной задевает одну и ту же струну, колебания которой определяются набором характеристических частот. Здесь «гармония сфер» вновь появляется в мире атомов, но на этот раз под нею понимаются колебательные явления в стоячих электронных волнах (рис. 26).

Рис. 26. Гармония сфер по Кеплеру.

Световые кванты

Зернистая структура света. Мы узнали, что электроны и другие атомные частицы проявляют волновые свойства. Пучки частиц ведут себя иногда так же, как и волны. Было показано, что это свойство лежит в основе квантового поведения атомов. В ходе исследований оказалось, что подобная двойственность свойственна не только частицам. Световые волны иногда ведут себя так, как если бы они были частицами.

Все данные о распространении света показывают, что световой луч — это колебания, образующие непрерывную электромагнитную волну. Но когда изучается действие света на вещество, наблюдаются некоторые неожиданные явления, которые, как нам кажется, противоречат представлению о непрерывности светового потока. Что же происходит при падении света на вещество? Если объект, на который падает свет, прозрачен, как, например, оконное стекло, то свет частично отражается и частично проходит сквозь него. Если же этот объект непрозрачен (кусок угля) или частично прозрачен (цветное стекло), то большая часть света и не проходит сквозь него, и не отражается, как бы исчезая в объекте. Так как свет есть форма энергии, то он может исчезнуть, только передавая каким-либо способом свою энергию веществу. Такое его исчезновение называется поглощением света.

Энергия поглощенного света должна проявиться в какой-нибудь другой форме. Когда солнечный свет поглощается нашей кожей, мы чувствуем тепло. При поглощении света некоторыми металлами его энергия часто передается электронам; последние получают иногда так много энергии, что покидают металл. Этот эффект называется фотоэлектрическим эффектом; мы используем его на практике при преобразовании световых импульсов в электрические.

Энергию, переданную веществу при поглощении света, можно измерить с большой точностью. Эти измерения дали в высшей степени неожиданный результат; оказалось, что световая энергия может поглощаться только порциями определенной величины; доля такой порции никогда не поглощается. Такие световые единицы, или порции, называются световыми квантами, или фотонами. Если дело идет о действии света на вещество, то мы можем сравнить световой луч с потоком снарядов. В каждом снаряде содержится одно и то же количество взрывчатого вещества. Когда снаряд попадает в объект, то его действие определяется количеством взрывчатого вещества. Более сильное освещение означает большее число таких же взрывов, но не более сильные взрывы.

При фотоэлектрическом эффекте каждый квант, попадающий в металл, заставляет электрон вылетать из металла. Энергия вылетающего электрона служит мерой величины кванта (мерой количества взрывчатого вещества в каждом снаряде). Число вылетающих электронов служит мерой интенсивности светового пучка.

Количество энергии в световом кванте зависит от света, с которым мы имеем дело. Оно различно для света разных длин волн: для более длинных волн это количество меньше, для более коротких — больше (рис. 27).