Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство - Ирина Львовна Радунская
В статье «О связи заполнения электронных групп в атоме со сложной структурой спектров» Паули опирается на результаты Стонера и на обнаруженную им самим двузначность квантовых свойств электрона. Для того чтобы упростить рассуждения, Паули отмечает, что при использовании трех квантовых чисел приходится признать, что в атоме, неподвергаемом внешним воздействиям, могут существовать группы орбит электронов, для которых энергии электронов одинаковы. Такие «групповые» состояния он называл вырожденными. Воздействие магнитного поля, в соответствии с наблюдениями Зеемана, выявляет отдельные орбиты, образующие группу. Для того чтобы разобраться в этом, достаточно ввести помимо трех квантовых чисел Зоммерфельда еще одно квантовое число. Если классификация группы производится при помощи четырех квантовых чисел, можно без труда объяснить, как вырожденные группы расщепляются на отдельные орбиты, различающиеся между собой величиной энергии. Причем каждая из таких орбит может быть занята только одним-единственным электроном.
Принцип запрета можно сформулировать так: если в атоме находится электрон, для которого все четыре квантовых числа имеют определенные значения, то это состояние «занято». «Занято» означает, что ни один из других электронов, входящих в состав этого атома, не может иметь такой же набор квантовых чисел.
Паули рассматривает следствия из этого принципа. Принцип запрета не только непосредственно объясняет Зееманом расщепление спектров атомов под действием магнитного поля, но и приводит к результатам Стонера. Более того, так как физические и химические свойства атома определяются его электронными оболочками, то принцип запрета позволил бы построить периодическую систему Менделеева, не опираясь на физико-химические свойства элементов. Не опираясь на то, что послужило Менделееву основой для построения его таблицы.
Система Менделеева, если бы она не была построена самим Менделеевым, возникла бы как необходимое следствие квантовых законов, включая «принцип запрета» Паули. Думая об этом, нельзя не удивляться интуиции Менделеева, позволившей ему сформулировать периодический закон задолго до возникновения квантовой механики.
Постулативный характер «принципа запрета» Паули побуждал ученых к отысканию той физической реальности, которую выявляет этот постулат. В справедливость его поверили все. Без него невозможно объяснить ни тонки детали атомных спектров, ни физическое содержание периодического закона.
Но что же стоит за этим принципом? В то время (в 1925 году) физики считали окончательно понятым только то, что можно свести к прототипам, изученный в рамках механики Ньютона или электродинамики Максвелла или, наконец, в рамках примирившей их Общей теории относительности. Как же понять физический смысл «принципа запрета» Паули?
Здесь нужно познакомиться с теоретиком, который отличался разносторонними интересами. Ему принадлежит, кроме физических, ряд исследований по египтологии Он принимал участие в американской секретной миссии «Алсос», занимавшейся в конце второй мировой войны сбором информации о состоянии атомных исследований в Германии, вывозом документации и оборудования из германских институтов, связанных с атомной проблеме и интернированием немецких физиков-атомщиков. Речь об американце Сэмюэле Абрахаме Гаудсмите.
В 1925 году Гаудсмит вместе с Дж. Уленбеком выдвинул гипотезу о вращающемся электроне. Эта гипотеза не осталась незамеченной, она вызвала волнение среди физиков. Авторы ее утверждали, что электрон похож на вращающийся, заряженный отрицательным электричеством шарик. Вращается он вокруг одного из своих диаметров. И электрон, как и подобает вращающемуся материальному телу, несущему на себе электрический заряд, обладает собственным механическим и магнитным моментом.
Для обозначения собственного вращения электрона и его механического момента ученые воспользовались четвертым квантовым числом, использовав для его обозначения английское слово «спин», которое в переводе означает «волчок». По существу, это было квантовое число, ранее введенное Паули.
Теоретическая часть рассуждений Уленбека и Гаудсмита сводится к следующему: первые три квантовых числа, соответствующие движению электрона по его орбите, отображают три степени свободы, характеризующие положение любого тела в пространстве. Четвертое квантовое число соответствует четвертой — внутренней степени свободы, которой обладает электрон.
B обычной, не квантовой механике тоже известен случаи, когда состояние тела не может быть полностью описано тремя числами, описывающими его положение в пространстве. Примером такого тела является вращающийся гироскоп (вариант волчка, применяемый в системах навигации.) Для того чтобы полностью описать состояние гироскопа, нужно иметь сведения не только о его положении, но и о направлении и скорости его вращения, а для этого нужно еще одно число.
Уленбек и Гаудсмит объяснили, что их четвертое квантовое; число не связано с движением электрона по орбите, оно характеризует его внутреннее свойство, аналогичное вращательному состоянию гироскопа. Именно поэтому они предложили называть это четвертое квантовое число словом «спин».
Они были не первыми, кто предложил идею вращающегося электрона. Это любопытная история. Впервые вращающийся электрон примыслился американцу Крекингу — стипендиату Колумбийского университета. В январе 1925 года он приехал в Тюбинген, в Германию, тогдашнюю спектроскопическую Мекку. Тут он познакомился с письмом Паули к одному из коллег. Паули сообщал, что, приписав электрону еще одно, четвертое квантовое число, описывающее его поведение в атоме, можно избавиться от всех расхождений между квантовой механикой и спектрами.
Кронинг предположил, что это квантовое число соответствует собственному вращению электрона. Однако его гипотеза была принята с недоверием и Зоммерфельдом и самим Паули. И Кронинг решил не публиковать свои догадки. Он отказался от сомнительной идеи.
И когда Гаудсмит и Уленбек пришли к той же мысли и сообщили о ней, Кронинг реагировал на это довольно своеобразно. «Представляется, что новая гипотеза просто переводит семейное привидение из полуподвала в подвал, вместо того чтобы изгнать его из дома», — проиронизировал он.
Теория спина была признана физиками после работы англичанина Л. X. Томаса и ленинградского физика Я. И. Френкеля.
Паули, возражавший против идеи вращающегося электрона, теперь сказал: «Хотя я сначала сильно сомневался… вычисления… сделали меня ее сторонником».
Вслед за ним гипотезу спина признали и остальные.
Вот так бывает в науке: в январе 1926 года, разговаривая с Бором, Паули назвал гипотезу спина ересью в марте стал ее приверженцем. Интересно, что в развития науки физики были вынуждены отказаться от наглядной модели электрона как заряженного вращающегося шарика. Эта модель, облегчившая первоначальное знакомство с квантовыми свойствами электрона, приводила к непреодолимым трудностям. Преодолеть их можно было только отказом от наглядной модели и сохранением спина как внутренней характеристики каждой из микрочастиц.
Принцип Паули и открытие спина в основном завершили выяснение физической основы периодического закона Менделеева.
Но дальнейшее развитие периодической системы — таблицы Менделеева — на этом не прекратилось.
Таблица Менделеева уточнялась в трех направлениях. Во-первых, ученые
