Квантовый возраст - [7]

Открытие совещания было назначено на 30 октября 1911 г., темой совещания была «Теория излучения и кванты». Германию представляли Нернст, Планк, Зоммерфельд, Варбург; Англию — Резерфорд; Францию — Бриллюэн, мадам Кюри, Поль Ланжевен, Луи де Бройль, Пуанкаре; Австрию — Эйнштейн; Голландию — Камерлинг-Оннес; Данию — Кнудсен и другие. Так было положено начало знаменитым Сольвеевским конгрессам. И каждый из них был вехой в истории науки.

На первом Сольвеевском конгрессе ясности в понимании возникших трудностей не появилось и, как мы теперь понимаем, не могло появиться. Но именно этот конгресс сыграл важнейшую роль в дальнейшем развитии событий: на нем была достигнута главная цель — совместное обсуждение возникших проблем лучшими умами Европы и сфокусирование их интересов. Наука становилась интернациональной. Вскоре после конгресса Эрнест Сольвей основал Международный институт физики, пожертвовав на это миллион бельгийских франков. В обязанности института входило ведение научно-исследовательских работ, поощрение молодых исследователей и регулярное проведение Сольвеевских конгрессов. Второй Сольвеевский конгресс был проведен в октябре 1913 г. Темой его было строение вещества.

1913 год считают драматическим годом в науке. Это год рождения атомной физики. Еще в 1911 г. Резерфорд сделал ошеломляющее открытие — он объявил своим сотрудникам: «Я знаю, как выглядит атом!». В течение нескольких лет в лаборатории Резерфорда проводились эксперименты по бомбардировке пучками альфа-частиц различных мишеней. Альфа-частицы легко проникали через тончайшие пластинки, за исключением редких случаев, когда одна из частиц почему-то отклонялась. Резерфорд предложил искать частицы, которые, возможно, отклоняются на больший угол. Каково же было удивление экспериментаторов, когда они обнаружили частицы, которые при столкновении с тончайшей металлической пластинкой возвращались назад! Резерфорд, после того как окончательно убедился в этом явлении, говорил: «Это было самое невероятное событие в моей жизни. Это почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили из пушки пятнадцатидюймовым снарядом, целясь в лист папиросной бумаги, а он внезапно отскочил от бумаги и попал прямо в вас» [10, с. 17]. На основании этих экспериментов Резерфорд предположил, что атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него на больших по сравнению с размером самого ядра расстояниях электронов. С точки зрения классической физики такая модель атома, похожая на миниатюрную планетную систему, казалась просто абсурдной. По законам классической электродинамики, двигаясь по орбитам вокруг ядра, электроны должны излучать энергию и буквально за 10^–8 с должны упасть на ядро. Но в природе этого не происходит! Да и опыт — вещь упрямая. В чем же дело?

В 1913 г. Нильс Бор, работавший в ту пору у Резерфорда в манчестерской лаборатории, опубликовал работу, состоящую из трех частей — трилогию, при знакомстве с которой «нельзя было избежать шока». На основе резерфордовской модели атома Бор создал теорию атома, теорию, которая работала. Теперь кванты проникли в последнее прибежище классической физики — формулы классической механики и электродинамики.

Самым впечатляющим был успех теории в объяснении линейчатых спектров водородоподобных атомов.

Первая систематизация линейчатых спектров принадлежит Иоганну Бальмеру и датируется 1885 г. Но еще раньше, в 1870 г., Джонстон Стони заметил, что частоты линий солнечного спектра, соответствующие определенным линиям спектра водорода, относятся между собой, как целые числа, и нашел удивительную аналогию в соотношениях этих чисел с соотношениями частот различных гармоник скрипичной струны. Это навело Стони на мысль, что в основе закономерностей линейчатых спектров должно лежать какое-то периодическое движение внутри молекулы водорода.

Лишь спустя 15 лет Бальмер получил общий закон, связывающий волновые числа различных линий видимого спектра с простыми целыми числами. Форма этого закона очень проста: ν = R(1/2² – 1/n²). Здесь ν — «волновое число» — величина, обратная длине волны; R — постоянная Ридберга, названная так в честь шведского спектроскописта Ридберга. Ни из каких законов физики не следовало ни ее существование, ни тем более ее численное значение, равное 109 678. Это значение было найдено чисто эмпирическим путем. Оно постоянно, номер спектральной линии n принимает целые значения, начиная с трех. Закон Бальмера выполняется с высокой точностью, как принято говорить в физике, с точностью до пяти-шести знаков.

В 1904 г. Лайман нашел серию водорода в ультрафиолетовой области, которая описывается той же формулой. Только вместо 1/2² стоит 1/1². В 1909 г. Пашен нашел серию водорода в инфракрасной области спектра. Закон все тот же, только первый член здесь 1/3². Эти целочисленные законы для линейчатых спектров, сугубо эмпирические, с такой точностью описывающие опытные данные, казались абсолютно загадочными.

Уже в первых набросках своей теории Бор получил формулу, описывающую спектральные закономерности. Эта формула содержала в себе как частный случай серии Бальмера, Лаймана, Пашена и предсказывала серии, которые были открыты позже. Что же касается постоянной Ридберга, то в формуле Бора она имела уже чисто теоретический «буквенный» вид и выражалась через постоянную Планка, заряд электрона, массу электрона и скорость света. Совпадение вычисленной по формуле Бора постоянной Ридберга с ее эмпирическим значением было потрясающим. Как тут было не поверить в теорию Бора! В том же 1913 г. успех теории был подкреплен опытом Франка и Герца. Результаты этого опыта однозначно показали, что внутренняя энергия атома не может изменяться непрерывно, а принимает совершенно определенные