До Нильса Бора атомы сбивали с толку многих ярких представителей тогдашней науки.
На протяжении столетий атомы были фантомами, многие ученые подозревали об их существовании, но но они упорно оставались невидимыми.
К началу 20-го века, физики знали, что атомы состоят из электрически заряженных частиц; любимой моделью был положительно заряженный пудинг нашпигованный отрицательно заряженными сливами. Вызов этому образу был брошен, когда Эрнест Резерфорд в 1911 году показал, что положительный пудинг не нашпигован электронами, а представляет собой ядро, а "сливы" отстоят от него на некотором расстоянии.
Но атомы Резерфорда всех сбили с толку еще больше, так как законы физики запрещали законы, которые он описал. Противоположные заряды притягиваются друг к другу всегда; электроны должны были "врасти" в положительно заряженное ядро атома менее чем за миллисекунду. Даже если они этого не сделали, взаимно отталкивающие отрицательные заряды должны были выбить их из их орбит. Но каким-то чудом атомы, состоящие из отрицательно и положительно заряженных частиц счастливо существовали.
Ясность в этот парадокс внес датчанин. Сто лет назад Нильс Бор перемешал старые стандарты физики с новой квантовой теорией, и благодаря ему состоялось рождение современной модели структуры атома.
Бор сделал больше, чем просто согласовал теорию с экспериментом. Бор понял основы того, как атомы составляют молекулу. И самое главное, он отвел фундаментальную роль квантовой физике в законах, описывающих основополагающую реальность Вселенной.
Хотя технические детали модели Бора оказалась не совсем верны, он уловил основную идею: отказ от здравого смысла в пользу сумасшедших правил квантовой теории. Бор видел более глубоко, чем его современники, квантовая физика была ключом к разгадке природы скрытых истин. В то время как квантовая путаница доводила других физиков до отчаяния, Бор знал, что увидеть реальность - означало принять истину несовместимых друг с другом точек зрения.
В течение десятилетий после его описания атома Бор служил проводником и переводчиком для физиков в мире, где они исследовали странные новые законы квантового мира. Как отметил Роберт Оппенгеймер, в развитии современной квантовой физики наблюдается "глубоко творческий, тонкий и критический дух Нильса Бора."
Участие Бора в этом "предприятии" началось в 1913 году с серии из трех документов, которые стали основой для будущего атомной науки.
Бор "задал прочное и стабильное направление в понимании атомной структуры и атомной динамики," пишет физик Авраам Пайс. "В этом смысле его можно считать отцом атома».
Как и большинство отцов, Бор гордился своим потомством. Но он также видел его недостатки. Он с самого начала знал, что его модель атома была слишком простой, чтобы охватить все сложности. Он был уверен, что объяснение модели атома требует присутствия квантовой физики. "Это было ключом к великому открытию Бора", говорит историк науки Джон Хейлброн, из Университета Калифорнии, Беркли.
Бор предвидел необходимость привязки квантовой теории к электронной теории металлов, защищая в 1911 докторскую диссертацию. Он обнаружил, что электроны находятся не в ладах с обычным механическим законам классической физики.
"Он пришел к выводу, что классическая физика не может объяснить, как ведут себя электроны в металлах", говорит физик Альфред Гольдхабер из Университета Брук в Нью-Йорке.
Выходом из затруднительного положения были квантовые идеи Макса Планка. Из экспериментов по тепловому излучению Планк сделал вывод, что энергия может выделяться из горячего объекта только квантами, вроде того, как сыпучий песок тоже состоит из отдельных зерен. Несколько лет спустя Эйнштейн утверждал, что все излучение, в том числе свет, было не только излучается как волна, но и испускается, как частицы, кванты.
На фото: Нильс Бор и Альберт Эйнштейн (вероятно, декабрь 1925)
В течение первого десятилетия 20-го века лишь немногие ученые восприняли идеи Планка серьезно. Но Бор принял эти идеи. В то время как другие выражали сожаление по поводу противоречия квантовой теории, он использовал ее.
Бор родился в академической семье в Копенгагене в 1885 году. Он с детства слушал вечерние беседы своего отца-физиолога с физиками, философами или филологами университета. Его интерес к науке в студенческие годы в университете Копенгагена, восхищал его преподавателей и одноклассников. Продолжив научное образование, Бор сделал акцент на теорию и математику. Обреченные быть теоретиком, Бор тем не менее выбрал Англию для докторской работы. Он решил учиться у Джей-Джей Томсона в Кавендишской лаборатории в Кембридже, мекке британских экспериментальной физики.
Бор говорил с Томсоном - первооткрывателем электрона - о недостатках в работах Томсона об электронах в металлах. Томсону было не очень интересно услышать критику Бора. В конце 1911 года, Бор встретился с Резерфордом, который рассказал ему об обсуждении квантовых моделей на недавней конференции в Брюсселе. Вскоре Бор перевелся в Университет Манчестера для работы с командой Резерфорда, это был решающий шаг к квантовой модели атома.
Вскоре Бор понял, что секрет радиоактивности "прячется" внутри ядра. Таким образом, его поиск истины превратился в "охоту" на сам атома.
"Бор уже был на охоте", говорит Гольдхабер. "Он смотрел на каждый аспект атома. И он собирается выяснить все, что можно узнать".
В первые месяцы 1912 года, Бор работал над проблемами атома яростно и плодотворно. В июне он писал брату о своем прогрессе: «Возможно, я узнал немного о строении атомов." Это оказалось преуменьшением. На самом деле, он уже решил, что квантовая физика может делать атом стабильным.
Бор был не первым, кто попытался применить квантовую физику к атомам. Но он первым показал, как это работает. Он понял, что надлежащую теорию стабильного атома будет определять число с размерностью длины, соответствующей размеру атома, так же как по длине спиц можно определить размер велосипедного колеса. Получение числа правдоподобной длины было возможно только путем объединения ключевой величины в квантовой теории, постоянной Планка, с электрическими зарядами и массами электрона и ядра.
Но объяснить, как квантовая физика регулирует атомное поведение, было не так просто. В конце концов, Бор применил классическую математику для некоторой части своей модели атома, а затем привнес квантовую физику в теорию с помощью четырех конкретных способов. Два из них были непосредственно связаны с теории излучения Планка, включая технические аспекты энергий электронов. Два других процессы придумал вдохновленный ум Бора.
Один процесс - часто отмечается как важный компонент в модели атома Бора - гласит, что электроны могут занимать лишь определенные конкретные орбиты вокруг ядра. В каждой такой разрешенной орбите электрон обладает моментом, равным постоянной Планка, деленная на 2 Пи. С этим условием Бор смог объяснить, почему свет излучается из атомов водорода только некоторых, очень специфических цветов (или частот). Цвет излучаемого света соответствует энергии электрона при перескакивании с одной разрешенной орбиты на другую.
Из многих аспектов романа Бора с его атомом, этот был самым непонятным. Стандартная физическая модель утверждала, что частота света должна зависеть от орбитальной частоты электрона. Но если электроны испускают свет из-за их вращения по орбитам, как указал Бор, атомы должны излучать все время, а они этого не делают. Поэтому Бор ввел условие, что в атоме в "стационарном" состоянии электроны занимают стабильную "неизлучаю-
щую" орбиту.
"Это выбивает почву из-под ног большинства физиков, которые предполагают, что наблюдаемые явления, связанные с атомными процессами могут быть напрямую связаны с движением в микромире," сказал Джон Хейлброн в апреле на заседании Американского физического общества.
Другой гениальной мыслью Бора было предложение способа "построения моста" через пропасть между квантовой и классической физикой. Бор предположил, что для электрона, который очень далеко от ядра, частота излучаемого света должна быть близка к предсказываемой классической физикой. Поэтому когда дальние орбиты очень близки друг к другу, орбитальные частоты почти равны. Так что частота излучение при переходе электрона с одной орбиты на другую почти равна орбитальной частоте. Это еще один показательный момент, что для крупных объектов квантовые эффекты были бы слишком малы, чтобы их заметить - ключевой аспект современного понимания квантовой реальности.
Совмещение Бором классической физики с квантовой теорией требует длинного пояснения, больше, чем поместится в одну маленькую статью.И он опубликовал серию из трех статей, все под названием «О строении атомов и молекул", в журнале Philosophical Magazine. Часть I, появилась в июле 1913 года, с описанными квантовыми правилами для электронных орбит и квантовых скачков в атоме водорода, объясняя спектр цветов излучения. В Части II Бор описал расположение электронов в кольцах вокруг ядра более сложных атомов, сделав первые шаги к объяснению периодической таблицы элементов. Часть III описывала, как молекулы образуются из атомов путем обмена электронами.
Реакция на теории Бора была смешанной. Некоторые эксперты сочли ее гениальной, другие не смогли понять. Эйнштейн был заинтригован. Но когда эксперимент подтвердил предсказание Бора о том, что некоторые цвета спектра из водорода на самом деле пришли из гелия, Эйнштейн сказал: "Это огромное достижение. Теория Бора должна быть правильной "
Но Бор знал, что его теории были свои недостатки. Его успех, считал он, в значительной степени пришел из-за простоты атома водорода. В течение следующего десятилетия, все его усилия по применению его теории к более сложным атомам успеха не имели. Наконец в 1925 году Вернер Гейзенберг, молодой немецкий физик, который учился в институте теоретической физики в Копенгагене, построил новый математический подход, и получил правильные ответы. Статья Гейзенберга ознаменовала рождение современной квантовой механики.
Примерно в то же время начались эксперименты на тему того, что иногда у частицы проявляются волновые свойства (и наоборот). Эрвин Шредингер построил первую версию волновой квантовой теории, и эксперименты вскоре показали, что волна может быть эквивалентом частицы модели Гейзенберга. Работа Гейзенберга привела его в 1927 г. к знаменитому принципу неопределенности:у частицы не могут быть одновременно точно измерены положение и скорость
Для устранения этого парадокса снова вмешался Бор. В 1927 году на лекции он предложил новый принцип взаимодополняемости. Свет может быть частицей или волной в зависимости от того, какой эксперимент проводится. Вы можете измерить положение электрона или его импульс, в зависимости от того, как вы разработали эксперимент. Вы не можете сделать оба эксперимента сразу.
Дополнения Бора послужили основой того, что впоследствии стали называть копенгагенской интерпретацией квантовой механики. В популярной дискуссии, копенгагенская интерпретация подчеркивает роль наблюдателя в создании реальности, что является сегодня камнем преткновения для многих физиков. "Но Бор не говорил об этом таким образом", говорит философ науки Дон Говард из Университета Нотр-Дам. "Подход Бора был намного более тонким. Он настаивал на том, что свойства квантовой системы не известны перед экспериментом. И измерительный прибор взаимодействует с квантовой системой. Как только такое взаимодействие имеет место, измерительный прибор и квантовая система становится связанными, "запутанными", в современной терминологии."
«Для Бора положение и импульс необходимы для точного описания поведения электрона в системе", говорит Говард. "Но можно говорить о них только по одному, а не одновременно, кроме того мы должны учитывать определенные свойства системы, в которой они могут быть измерены. Это основная причина, почему мы не можем четко определить позицию и значение импульса".
Бор рассматривал причудливые теории квантового мира не как ересь,а как ключ к более глубокому познанию реальности. Его комфорт с противоречия позволили ему сформулировать объяснение квантовых парадоксов, которые пережили испытания современных экспериментов, хотя большинство из них были проведены после его смерти в 1962 году.
Бор признан как величайший физик-атомщик во всем мире, он до сих пор уступает лишь Эйнштейну. Теорию Бор продумывал в 1920-е и 1930-е годы, а в середине 1930-х он разработал первую ясную картину внутренней физики атомного ядра. Вскоре после этого, сотрудничая с американским физиком Джоном Арчибальдом Уилером, Бор вывел теоретическое объяснение процесса ядерного деления. Модель атома Бора была наконец полностью построена.
В модели атома водорода Бора , один электрон, несущий отрицательный электрический заряд, крутится вокруг ядра, состоящего из одного протона, который имеет положительный заряд. В отличие от планеты, вращающейся вокруг звезды, которая может вращаться на любом расстоянии, электрон может вращаться вокруг протона только на определенных «разрешенных» орбитах. Размер каждой разрешенной орбиты определяется постоянной Планка. Электрон переходит с внешней на внутреннюю орбиту, испуская энергию равной разности уровней энергии двух орбит. Когда электрон поглощает определенное количество энергии, скажем, от света, падающего на него, электрон переходит на более высокую разрешенную орбиту.
"Очень замечательно, что такой ум, как у Бора, вообще может существовать", сказал однажды Эйнштейн.
|
