М. Рузе - Роберт Оппенгеймер и атомная бомба

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.

Для волновой механики модель Резерфорда-Бора явилась лишь некоторым приближением, дающим более или менее верное изображение первичной идеи об атоме, связанное с привычной трактовкой результатов точных экспериментов. Действительность же оказывается гораздо сложнее. Ядро атома не похоже на Солнце, а электроны и того менее похожи на планеты. Квантовые числа обозначают не орбиты, а уровни и субуровни энергии. Волновая механика в отличие от классической механики не определяет заранее положения электрона в заданный момент. Более того, она доказывает, что такое предсказание невозможно; можно рассчитать только вероятность присутствия электрона в определенный момент в некоторой конкретной части пространства, окружающего ядро. Эта вероятность пропорциональна интенсивности волны в данной области пространства.

Во всех случаях, когда речь идет об измерениях отдельно взятой частицы, большинство предсказаний волновой механики выражается не конкретно, а в виде вероятностей. Это относится, в частности, к предсказаниям положения и энергии частицы в любой будущий момент времени. Введение понятия вероятности привело к большому смятению умов и по существу означало отказ науки от того, что до сих пор считалось ее незыблемым принципом – от причинности явлений в природе. Правильнее было бы сказать, что здесь речь идет о причинности нового типа: результаты расчетов вероятности не являются ни менее строгими, ни менее точными, чем данные вычислений на основе классической механики. Но они более сложны и содержат математические параметры, физический смысл которых трудно себе представить, пользуясь нашим опытом чувственного восприятия мира.