Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство - Ирина Львовна Радунская
Работа Мозли имела продолжение, об этом речь впереди.
Колдовство
Идеи Бора воодушевили многих ученых на поиски законов, правящих в микромире атома. Среди них были теоретики американец Чарлз Томсон Рис Вильсон (Нобелевская премия 1927 года за камеру Вильсона для наблюдения космических лучей) и немец Арнольд Иоганн Вильгельм Зоммерфельд, ставший членом многих академий наук.
Их чрезвычайно заинтересовали квантовые числа, предложенные Бором. Казалось бы, Бор использовал формальный прием. Он «перенумеровал» орбиты электронов в атоме, приписав им простые целые числа. Так в науку впервые вошли квантовые числа, характеризующие строение атома.
В действительности этот шаг оказался отнюдь не формальным. В этом убедились прежде всего Вильсон и Зоммерфельд. Они принялись почти одновременно — в 1916 году — на основе модели атома Бора рассчитывать спектры атомов веществ, и прежде всего атома водорода. Поначалу они потерпели фиаско — не получили обещанного Бором оптического спектра водорода. Тем более не удалось рассчитать спектры более сложных атомов. Что же это значило? Неувязка, простая математическая оплошность или трагедия квантовых идей?
Правильно ли они «читают» оптические спектры? Правильно ли учитывают боровские квантовые числа?
Зоммерфельд был одним из тех тонких исследователей, о которых принято говорить, что природа наделила их верной интуицией.
Вначале он был бескомпромиссно предан взглядам Бора, принял их, как видно, полностью, без критики.
Но во всем ли Бор безупречен? Не вкрались ли в постановку задачи ошибки?
Бор считал орбиты электронов в атомах круговыми. Тут он был прямым последователем Коперника, который тоже представлял себе орбиты планет кругами. И ошибался, как мы теперь знаем. Это понял Кеплер. Он смог объяснить тонкие эффекты планетных движений, лишь предположив, что планеты движутся не по окружностям, а по эллипсам.
Обдумывая расхождения между расчетами Бора и спектром водорода, полученным из опыта, Зоммерфельд словно заразился сомнениями Кеплера. И он поначалу исходил из уверенности Бора: орбиты электронов в атоме круговые. Но это привело его к противоречию с опытом. Итак, может быть, они, как и орбиты планет, эллиптические? Может быть, электроны движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых расположено ядро атома? Зоммерфельд, идя по стопам Бора, пошел дальше. Он придал новый смысл квантовому числу. Пусть оно фиксирует не радиус, а среднее расстояние от ядра, вокруг которого электрон движется по эллиптической орбите. Проверка, размышления. Совпадения со спектральными данными не было! И Зоммерфельд вводит еще одно, новое квантовое число — для обозначения угла, характеризующего направление от ядра к электрону. Снова расхождения. Зоммерфельд был вынужден предположить, что плоскость, в которой лежит оптическая орбита электрона, наклонена к некоторой экваториальной плоскости. Он характеризовал такой наклон еще одним, «экваториальным» пантовым числом.
Введя свои квантовые числа, Зоммерфельд назвал боровские квантовые числа главными, а свои — одно «азимутальным», а другое, как мы знаем, «экваториальным».
Позже Зоммерфельд напишет: «Это пространственное квантование несомненно относится к поразительным результатам теории. По простоте вывода и результатов оно выглядит почти как колдовство».
О том, как, пользуясь «колдовским» методом, ученые продолжали рассчитывать схемы устройства различных атомов, мы расскажем дальше. А сейчас несколько слов о судьбе работ Генри Мозли.
Возвратимся в 1915 год, год смерти молодого физика. Эстафетную палочку, выпавшую из его рук, поднял Вальтер Коссель, физик-экспериментатор, окончивший Гейдельбергский университет в 1911 году. Главный его интерес был сосредоточен на спектроскопии, теории химических связей и периодической системе химических элементов. Сопоставив рентгеновские спектры атомов с последовательно заполняющимися электронными оболочками атомов, он понял природу химической связи. Это было в 1916 году. Работая в Мюнхенском университете, он поразил научный мир солидной работой — показал, что химические свойства атомов определяются числом электронов во внешней электронной оболочке.
Коссель первым опубликовал вариант периодической системы Менделеева, в которой он, следуя Мозли, пронумеровал все клетки вплоть до урана, пометив прочерками места еще неизвестных в 1916 году элементов.
В том же 1916 году американский физико-химик Гилберт Ньютон Льюис (который в 1929 году введет в науке термин «фотон»), а затем в 1919 году Ирвинг Ленгмюр тоже американский физик и химик (получивший в 1932 году Нобелевскую премию по химии), связали последовательное заполнение электронных оболочек атомов с их химическими свойствами и расположением в клетках таблицы Менделеева. Затем Льюис сделал важный шаг, заметив связь устойчивости молекул с количеством электронов во внешних оболочках атомов, образующих молекулу. Для подавляющего числа устойчивых молекул суммарное количество электронов во внешних оболочках атомов, составляющих эти молекулы, является четным. Если это количество нечетно, то молекула обладает большой химической активностью, она стремится связаться с еще одним атомом или с другой молекулой, чтобы образовать соединение с четным суммарным числом электронов во внешних оболочках соединившихся атомов.
Это был период накопления опытных фактов и феноменологического (описательного) подхода к объяснению свойств атомов и их связи с периодическим законом Менделеева. Итог этому периоду подвел Бор в 1921 году в докладе «Строение атома в связи с химическими и физическими свойствами элементов».
Перечисление всех изложенных в докладе результатов заняло бы слишком много места. Все они направлены на выявление связи строения электронных оболочек атомов с их физическими и химическими свойствами. В частности, Бор подметил, что водород начинает, а гелий завершает первый период таблицы Менделеева. Далее идут периоды от лития до неона и от натрия до аргона, содержащие по 8 элементов, а два дальнейших периода — от калия до криптона и от рубидия до ксенона — содержат по 18 элементов.
Исходя из последовательного рассмотрения усложняющихся электронных оболочек и отступления от строго последовательного заполнения их в группах переходных и редкоземельных элементов, Бор объяснил причину химичкой общности элементов внутри этих групп. Он отметил, что по мере приближения к порядковому номеру 86 снова возникает симметричное образование электронной оболочки, свойственное инертным газам (это место впоследствии занял неустойчивый радиоактивный газ — радон)
В своем докладе Бор впервые последовательно показал, как в результате увеличения атомного номера (соответствующего величине положительного заряда ядра) происходит заполнение электронных оболочек атома. Как конкретные свойства оболочек, в свою очередь, приводя к периодическому изменению физических и химических свойств веществ. Квантовая теория объяснила то, что почувствовал и понял Менделеев задолго до заступления квантовой эры.
Это было одно из великих достижений первоначальной квантовой теории строения атомов. Оно стало ее последим триумфом. Чтобы после ответа на вопрос, как устроен атом, поставить и ответить на вопрос, почему он устроен именно так, а не иначе, нужен был новый
