Важнейшие проблемы строения атома

Сведение качественных различий между девяноста двумя сортами атомов к количественным представляет огромный шаг вперед. Но каждое новое научное открытие, решая старые проблемы, сразу же создает новые. Если мы больше знаем, то у нас возникает больше вопросов. Наше знание — остров в бесконечном океане неизвестного, и, чем больше становится остров, тем больше протяженность его границ с неизвестным. Выяснение строения атома немедленно поставило перед нами новый вопрос. Как могут эти количественные различия в строении атомов привести к наблюдаемым качественным различиям в свойствах элементов? Как возможно, например, то, что бром с его 35 электронами — это коричневая жидкость, образующая много химических соединений, тогда как криптон с 36 электронами — газ, не образующий никаких соединений, а рубидий с 37 электронами — металл? Почему один лишний или недостающий электрон способен вызвать такое значительное различие в свойствах атомов? На этот вопрос не было ответа до тех пор, пока позднее не удалось понять квантовую природу материи, о которой мы будем говорить ниже, в следующей главе.

Какие типы движения мы ожидаем встретить в атоме? После того, как Резерфорд установил, что атом состоит из массивного положительного ядра, окруженного легкими отрицательными электронами, стала очевидна близкая аналогия атомов и планетной системы. Электроны притягиваются к центру атома силой электрического притяжения, действующей между зарядами противоположного знака. Эта сила значительно больше силы тяготения между ядром и электроном[31], но подчиняется тому же закону зависимости от расстояния, т. е. убывает, как квадрат расстояния между ними. Поэтому мы ожидаем, что электроны будут двигаться вокруг ядра примерно так же, как и планеты вокруг Солнца. Электрическое притяжение между ядром и электроном заменит силу тяготения. Атом должен быть маленькой планетной системой, и атомы каждого рода будут иметь разное количество электронов — планет. Мы можем ожидать, что в малом мире атома повторяется большой мир на небе.

В некоторых отношениях эти ожидания как будто оправдались. Например, мы можем вычислить, сколько оборотов в секунду будет совершать электрон вокруг ядра, скажем, в водороде. Нам известен размер орбиты, он примерно таков же, как и размер самого водородного атома (около 10^-8 см). Кроме того, известна сила, с которой притягивается электрон. Тогда, приравнивая центробежную силу силе притяжения, можно вычислить скорость его вращения по орбите. Это дает около 10¹⁶ оборотов в секунду; отсюда следует, что «год» в атомной солнечной системе, т. е. время одного оборота электрона, равен 10^-16 сек.

Правильность оценки этого промежутка времени можно подвергнуть проверке. Мы знаем, что колеблющийся электрический заряд испускает свет и что частота этого света (число гребней и впадин в секунду) должна равняться числу колебаний заряда в секунду. Поэтому следует ожидать, что свет, испускаемый водородным атомом, имеет частоту 10¹⁶ в 1 сек. Действительно, накаленный водород испускает свет такой частоты.

Однако, приняв планетарную модель атома, нам вскоре приходится сталкиваться с большими трудностями. Если бы атом действительно был планетной системой, в которой электрические заряды все время обращаются вокруг ядра, то электроны должны были бы непрерывно испускать свет как в обычном холодном водороде, так и в накаленном до очень высоких температур. Но этого не происходит. Есть и другое затруднение: свет, излучаемый газообразным водородом, да и любым другим газом, испускается и поглощается только с одной определенной частотой, характерной для элемента, из которого состоит данный газ. Иными словами, атомы каждого рода ведут себя так, как если бы они были радиостанцией со строго определенной частотой передачи и приема. Спектроскописты изучают эти характерные частоты в течение многих лет, так как, пользуясь ими, лучше всего отождествлять элементы: это то же, что отождествлять радиостанцию, находя ее по частоте в списке установок для радиопередач. Это единственный способ получения данных о химическом составе звезд.

Все рассказанное выше очень трудно согласовать с планетарной моделью атома. Вращение вокруг центра Может происходить по самым разным орбитам. По одним орбитам электрон движется быстрее, по другим медленнее. Возникает вопрос: почему электрон должен обращаться только по таким орбитам, для которых частота имеет определенную величину? Это тем более странно, так как мы знаем, что атомы газа сталкиваются 10¹² раз в 1 сек (т. е. в среднем 1 раз за 10 000 «лет» водородного атома). Энергию таких столкновений можно вывести из тепловой энергии газа. Соударения достаточно сильны и должны были бы полностью изменять размер и форму орбиты, а также характерную для нее частоту. Как же они сохраняют частоту постоянной?

Чтобы проиллюстрировать эти трудности нагляднее, рассмотрим газообразный натрий. Он поглощает только свет с частотой, характерной для атома натрия. Нагретый газ испускает хорошо известный желтый свет натрия, т. е. свет определенной частоты. Сконденсируем теперь газ, охлаждая или сжимая его, до появления металлического натрия. В металле атомы соприкасаются и, следовательно, их планетарные орбиты переплетаются друг с другом. Мы не должны удивляться тому, что металл не дает специального «ответа» на излучение с частотой, характерной для свободного атома натрия. Действительно, у металлического натрия не видно избирательности к какой-либо определенной частоте; этого и следовало ожидать вследствие сложного переплетения электронных орбит в твердом теле. Теперь снова превратим металл в газ путем испарения. Газ опять приобретает те же свойства, которыми он обладал до охлаждения: он будет поглощать и испускать только излучение с типичными для натриевого атома частотами.

Это поведение резко отличается от поведения планетной системы, и его никак нельзя понять на ее основе. Есть свойства, которых никак нельзя ожидать от планетной системы. Как представить себе, что после испарения металла электроны попадут на точно те же орбиты? Для этого нет ни малейших оснований. Наоборот, кажется в высшей степени невероятным, чтобы между орбитами до и после испарения оставалось заметное сходство в чем-либо, кроме общей формы и примерных размеров. Однако на самом деле мы обнаруживаем совпадение частот и целого ряда других особенностей, совпадение в самых мельчайших подробностях. Это все равно, как если бы Венера, выбитая из своей орбиты столкновением с другой звездой, вернулась на свою прежнюю орбиту после удаления звезды.

Мы привыкли находить в природе вещества со строго определенными и воспроизводимыми свойствами. В нашем мышлении глубоко укоренилось, что это именно так, и мы совсем не удивляемся, например, тому, что два атома золота из разных месторождений, выделенные и очищенные разными способами, в конце концов оказываются совершенно тождественными. Вся наша жизнь основана на опыте человека, указывающем, что вещества имеют свои характерные свойства; мы способны распознавать металлы, минералы и химические соединения и различать их по характерным и всегда воспроизводимым свойствам. Золото всегда обладает свойствами золота, а семена циннии рождают циннии каждую весну.

Однако надо отдавать себе очень ясный отчет в том, что все, рассказанное выше, совершенно не укладывается в планетарную модель атома. Это не только необъяснимо, но и прямо противоречит большинству характерных свойств планетных систем. Строение орбит зависит от начальных условий; существует множество возможных форм орбит, и реализация той или иной формы зависит от предыстории данной системы. Если бы два атома были просто двумя планетными системами, то их свойства очень редко оказывались бы тождественными.

Подведем итог. Все вокруг нас в природе проявляет характерные для веществ свойства. Несмотря на несметное множество самых различных веществ, каждое из них воспроизводимо и его можно снова создать со всеми характерными свойствами. Существование такой ситуации требует, чтобы атомы обладали следующими тремя свойствами:

1) Устойчивость. Атомы сохраняют свои специфические свойства, несмотря на сильные столкновения и возмущения, которым они подвергаются.

2) Тождественность. Все атомы одного рода (с тем же числом электронов Z) обладают тождественными свойствами; они испускают и поглощают излучение с одними и теми же частотами, имеют равные размеры, форму, и внутреннее движение в них одинаково.

3) Воспроизводимость, вернее, способность возвращаться в исходное состояние. Если форма атома была искажена и его электронные орбиты были вынуждены изменить свой вид в результате высокого давления или соседства других атомов, то после устранения причины искажения сам атом и его орбиты снова приобретают исходную форму.

Опыты, однако, показывают, что атом есть планетная система электронов, обращающихся вокруг ядра, система, которая не может обладать перечисленными выше тремя свойствами. Следовательно, эта модель атома никак не может объяснить всю специфичность свойств вещества. Мы должны найти новую и существенную черту строения атома, которая не содержится в классической модели планетной системы. Этот новый взгляд на природу атома принесло развитие квантовой теории.