Звездочёты. 100 научных сказок - Николай Николаевич Горькавый

– Через год Бор переехал в Манчестер – к Резерфорду, создателю планетарной модели атома. Там ему было гораздо интереснее, чем у Томсона. Бор отнесся к качественной, ещё не получившей математического описания модели атома Резерфорда серьёзнее, чем сам Резерфорд. Бор считал, что на её основе можно создать детальную теорию атома. Сам же Резерфорд, чистый экспериментатор, полагал, что нужно ещё поднакопить экспериментальных данных.

В разгар этих споров и размышлений Бор должен был уехать из Манчестера, потому что в Копенгагене на 1 августа 1912 года была назначена его свадьба с прекрасной девушкой Маргарет. После свадьбы молодожёны планировали отправиться в путешествие по Норвегии. Бор решил совместить научные интересы с личными и уговорил Маргарет поехать в свадебное путешествие в Шотландию, по дороге навестив Резерфорда. В результате молодые сначала остановились в Кембридже, где Нильс неделю доделывал статью, а Маргарет писала под диктовку и правила его английский. Затем они отправились в Манчестер, к Резерфорду, и вручили ему плод своего совместного труда. Сотрудники Резерфорда были потрясены тем, что их старый приятель, «простак датчанин», отхватил такую красавицу. Лишь после этого молодожёны отправились в двухнедельное свадебное путешествие по Шотландии.

– Все учёные такие… странные? – озадаченно спросила Галатея.

Дзинтара тяжело вздохнула, подняла глаза к потолку, что-то прикинула в уме и коротко ответила:

– Многие.

Она снова уткнулась в книжку.

– Осенью 1912 года Бор начал работать внештатным преподавателем в Копенгагенском университете. В течение года он написал и опубликовал три статьи, которые стали основой атомной физики и вехой в истории естествознания. Бор соединил не только строение атома и линии Фраунгофера, но и добавил в свою теорию, на первый взгляд совсем далёкую от них, плавную кривую Планка, которая описывала непрерывный спектр звёзд и электролампочек.

– Как он смог? – поразилась Галатея. – Объединить атом Резерфорда, линии Фраунгофера и электроламповую кривую Планка?

– Вообще говоря, этого никто не знает – как учёному приходит в голову гениальная идея, объединяющая столько разнородных физических фактов. Но Бору это удалось: он взял модель атома Резерфорда для водорода, где был всего один электрон, и ввел два существенных отличия планетарной модели атома от реальной Солнечной системы. Одно предположение накладывало запрет на свободное расположение орбит: если в Солнечной системе планеты могут вращаться по любым орбитам, в атоме их набор стал жёстко заданным. Зато второе предположение давало электронам невиданную ранее свободу: если реальные планеты, выбрав в момент рождения какую-то орбиту, оставались прикованы к ней навечно, то в атоме Бора электроны могли прыгать с орбиты на орбиту, словно птички по жёрдочкам.

– Птички на жёрдочках! – развеселилась Галатея.

– Да, трудно представить, что Юпитер скачет сначала на орбиту Марса, а потом прыгает в гости к Нептуну! – усмехнулся Андрей.

– Верно, способность к перемене орбит стала кардинальным отличием электрона в атоме от реальной планетной системы. Кроме того, Бор предположил, что в случае прыжка с верхней орбиты на нижнюю электрон выпускает порцию энергии в виде света или электромагнитного излучения. Перейти с нижней орбиты на верхнюю электрон может, только поглотив аналогичную порцию внешнего излучения. Частоту этого излучения Бор умножил на постоянную Планка и получил величину, которую счёл разницей в энергии между орбитами. Тем самым он неожиданно для самого себя объяснил существование серий спектральных линий Бальмера и Лаймана и даже вывел формулу Ридберга, выразив константу Ридберга через фундаментальные физические постоянные.

– Ой, для меня это тоже неожиданно! Как же он объяснил существование этих линий? – всполошилась Галатея.

– Представьте себе десяток жёрдочек. Нижняя имеет первый номер, верхняя – десятый. Пусть по этим жёрдочкам прыгают весёлые птички – синички. Каждый прыжок птички вниз дает излучение определённой длины волны – спектральную линию. Чем больше расстояние между жёрдочками, тем больше энергия излучения – и, по формуле Планка, меньше его длина волны. Пусть на жёрдочках с номерами от двух до десяти сидит по птичке. И пусть каждая из них спрыгнет на пустую нижнюю орбиту-жёрдочку с номером один. Это породит серию ультрафиолетовых линий – серию Лаймана. Если же птички, сидящие на орбитах с третьей по десятую, перескочат не на первую, а на вторую орбиту, энергия излучения будет поменьше – это серия Бальмера из видимого диапазона. А если заставить птичек с орбит четыре – десять перепрыгнуть на орбиту три, мы получим инфракрасную серию линий Пашена.

– Вот оно что! Это не планетарная, а синичная модель атома! – прошептала поражённая Галатея.

– Если мимо наших жёрдочек будет пролетать световой квант подходящей энергии, синичка сможет поймать его и перепорхнуть на более высокую жёрдочку. Такие пойманные в атоме кванты света приведут к появлению тёмных линий Фраунгофера на фоне сплошного спектра. Если посмотреть на формулу Ридберга в свете модели атома Бора, то станет понятно, что число N – это номер орбиты, на которую перепрыгивают синички-электроны, а К – номер орбиты, на которой они сидели раньше. Конечно, число электронных орбит не ограничивается десятью – их бесконечно много, поэтому число К может увеличиваться до бесконечности, но формула Ридберга и правила Бора по-прежнему будут выполняться.

Интересно, что ещё в начале 1913 года Бор писал Резерфорду и своему другу Хевеши, который был пионером в использовании радиоактивных изотопов в биологических исследованиях, что не занимается вычислением частот наблюдаемых спектральных линий. Но ранней весной 1913 года на глаза Бору попалась книжка, где популярно объяснялись законы спектральных линий и приводилась формула Бальмера. Бора озарило – он понял, что закономерности расположения спектральных линий являются ключом к пониманию атома. Впоследствии он вспоминал, что, как только увидел формулу Бальмера, ему всё стало ясно.

– Вот так просто – увидел и понял? – недоверчиво спросила Галатея.

– Конечно, нет! Нужно долго и упорно думать над проблемой, чтобы она могла быстро решиться внезапным озарением. Новая теория Нильса Бора противоречила классической физике, потому что гласила: на стабильных орбитах электроны не излучают. А теория Максвелла утверждала, что заряженные частицы, двигающиеся по кругу, должны излучать. Бор утверждал: электроны могут испускать и поглощать только определённые порции энергии – световые кванты. Это тоже было странно и необычно для классических физиков, привыкших к непрерывным и ничем не ограниченным процессам. Но Бор знал о квантах Планка и показал, что атом и электронные структуры в нём построены на квантовании энергии. Теория Планка, созданная для свечения электролампочек, отвечала и за самые тонкие внутриатомные процессы.

Резерфорд отнесся к модели Бора с интересом, хотя заметил, что она не лишена противоречий, базируясь одновременно и на