Жизнь и достижения Нильса Бора
Осенью 1910 г. Эрнста Резерфорда обуревали мучительные раздумья. Он пытался понять, как устроен атом. Эксперименты по рассеянию альфа-частиц различными веществами убедительно свидетельствовали: внутри атома находится некое массивное тело (в 1912 г. Резерфорд назовет его ядром). Проблема состояла в том, какой заряд оно несет - положительный или отрицательный?
Если отрицательный, то сохранялись "пробелы" томсоновской модели атома. Ибо оставалось неясным, чем обусловлен положительный заряд сферы. И какое же количество электронов потребно, чтобы обеспечить атому соответствующую "весомость"?
А если положительный? Тогда модель просто утрачивала черты реальности. Электроны, которые двигались по орбитам в соответствии с классической электродинамикой, должны были непрерывно излучать энергию. И, в конечном счете, поглощаться положительно заряженной сердцевиной.
И тем не менее в мае 1911 г. Резерфорд опубликовал статью "Рассеяние альфа- и бета-частиц в веществе и Структура атома". Понимая всю уязвимость своей позиции, он, однако, приписал ядру заряд "+".
Правда, статью он предварил примечательной оговоркой: "Вопрос об устойчивости предлагаемого атома на этой стадии не следует подвергать рассмотрению, ибо устойчивость окажется, очевидно, зависящей от тонких деталей структуры атома и движения составляющих его заряженных частей".
Так появилась на свет ядерно-электронная модель атома. Она была подобна Солнечной системе: вокруг ядра-Солнца вращались электроны-планеты. Этой модели суждено было сыграть огромную роль в создании новейшей атомистики. Но никто из корифеев физики поначалу не обратил на нее внимания. В этой науке существовали другие проблемы, считавшиеся более значимыми и насущными.
Резерфорд внутренне был убежден в реальности своего "химерического" атома. На многие вопросы его модель давала удовлетворительные ответы. Нейтральность атома обуславливалась положительным ядром и отрицательным электронным "окружением". Массивное ядро определяло величину атомного веса. Вылет альфа-частиц также получал приемлемое объяснение. А легко отрывающиеся "орбитальные" электроны участвовали в образовании химических связей между атомами. Эти достоинства перевешивал один-единственный, но фатальный недостаток.
Чтобы избавиться от него, требовалось нечто, не укладывавшееся в привычные рамки научных представлений.
Той же весной 1911 г. в Копенгагенском университете защитил диссертацию Нильс Бор. Она касалась теории движения электронов в металлах. Ему недавно исполнилось двадцать пять лет, и он стремился достичь весомых успехов в науке. Бор в то время "был глубоко захвачен томсоновскими оригинальными мыслями об электронной структуре атомов", и потому работа в Кавендишевской лаборатории казалась ему особо привлекательной.
Там Бор и познакомился с Резерфордом. А уже в марте 1912 г. перебрался к нему в Манчестер.
И поверил в его атомную модель.
Бор испытывал особый интерес к этому очевидному парадоксу классической физики, который выявил Резерфорд, поскольку все слишком напоминало те трудности, с которыми он столкнулся при работе над диссертацией. Возможное решение этого парадокса, как полагал он, могло лежать в квантовой теории.
В 1900 г. Макс Планк выдвинул предположение, что электромагнитное излучение, испускаемое горячим веществом, идет не сплошным потоком, а вполне определенными дискретными порциями энергии. Назвав в 1905 г. эти единицы квантами, Альберт Эйнштейн распространил данную теорию на электронную эмиссию, возникающую при поглощении света некоторыми металлами (фотоэлектрический эффект).
Бор вспоминал впоследствии: "…весной 1912 г. я пришел к убеждению, что электронное строение атома Резерфорда управляется с помощью кванта действия". Вот ход его рассуждений. Диаметр атома составляет около одной стомиллионной доли сантиметра. В нем имеются электрические заряды определенной величины; их носителями служат тела определенной массы. Как, имея это в виду, объяснить размер атома? Заряды и массы не позволяют вывести величину, имеющую размерность длины. Значит, либо существуют некие иные силы, действующие на расстоянии атомного радиуса (но они неизвестны), либо должны играть роль характерные константы, позволяющие вместе с зарядом и массой получить величину размерности длины.