2
Первые шаги
Нильса Бора в научке
Академик АПН СССР
В. А. ФАБРИКАНТ
Я рассматриваю труды Бора как величайший триумф человекаской мысли.
Резерфорд, 1936 г.
В этом году 7 октября человекство отметило столетие со дня рождения одного из создателей современной физики — Нильса Бора. Важно подчернуть, что слова Резерфорда, приведенные в качестве эпиграфа, сказаны им уже после того, как на смену боровской теории.atoma пришла строная квантовая механика. Ни в коем случае не умаляя заслу создания квантовой механики Гейзенберга, Шредингера и Дирака, Резерфорд справедливо делает акцент на роли Бора.
Дирак, в значительной мере завершивший построение квантовой механики и заложивший основы квантовой электродинамики, так оценвал роль Бора в lekции, прочитанной им в 1975 году: «Я считаю, что появление идеи Бора было самим градиозным шагом в истории развития квантовой механики».
Надо сказать, что роль Бора была весна своеобразной. Нибольшую известность получила так называемая модель atoma Бора, хотя сам Бор относился к этой модели довольно скептически, понимая ее противоречность. Гораздо более важными были теfundamentальные идеи, которые имел в виду Дирак.
Велики заслуги Бора и как учитель большой плейды крупных ученых, в том числе выдающегося советского физика Ландду. Это связано не только с масштабами его научного гения, но и с порозительными качествами. Он был человеком исключительной доброты, чистоты и обязания. К Бору приезжали и молодые, и уже сложившиеся учены. Он вел с ними поистине изучительные диссussии, приводившие к весыма важным новым результатам. Сбылись слова, сказанные о Боре, когда он был еще малыйком, его отцом: «К Нильсу будет приходить люди и слушать его».
Студент, магистр, доктор
В 1903 году Нильс Бор поступил в Копенгагенский университет, где его отец Кристинан Бор был профессор физиологии. Курс физики в этом университете читал профессор Кристинен. Широта его интересов и своевременный подход к предмету, безусловно, сыграли очень большую роль в формировании Нильса Бора как физика.
Интересно, что студенты очень скоро почувствовали Нильса Бора. Однако сокурница в письме своей кузине, отправленном в 1904 году, писала: «Кстати о гениях. С одним из них я встречаюсь кажду-
3
дый день. Это Нильс Бор, о котором я уже тебе рассказывал: его незаурядные способности проявляются все в большей степени».
В 1905 году Datское королевское общество наук объявило конкурс на лучшую работу по физике. Над было исследовать колебания стрый жидкость с целью создания метода определения коэффициента поверхностного натяжения (речь шла о развитии работ знаменитого английского физика Рэлея). Бор весла успешно справился с теоретическими проблемами, но эксперимент успешил выполнить только с одной жидкостью — с водой. Важность теоретических результатов Бора была оценена золотой медалью, хотя его конкурент, также нагруженный золотой медалью, разработал более простой экспериментальный метод и определил коэффициент поверхностного натяжения ряда жидкости.
Окончив в 1907 году университет, Бор образился к Кристинсену за темой для магистерской диссертации. Тот посоветовал занять электронной теории металлов. Бор послушал и вскоре написал своему брату Харальду, что работы Лоренца по электронной теории его очаровали. Но очарованность не помещала Бору обнаружить принципыные недостатки классической электронной теории. В 1909 году Бор получил степень магистра и сразу же начал работать над докторской диссертацией, явившейся продолжением его теоретических исследований.
Докторская диссертация, представлена 12 апреля 1911 года, в частиности, содержала доказательство принципыальной невозможности создания теории магнитных свойств вещества на основе чисто классических представлений. Так как диссертация была опубlikована только на детском языке, ее результаты не получили широкого распространения, и через восемь лет голландкаван Лёвен заново провела то же доказательство (теорема Бора —ван Лёвен). Важно поддержнуть, что здесь Бор впервые лично наполнился на границу применения классической физики.
Защита диссертации состоялась 13 мая того же года. В еженедельнике «Политика» была помещена заметка, где кратко описывалось вы-stупление на этой защите профессора Кристинсена: «Он говорил в своей общной приятной манере, рассказал несколько забавных истории и выражал сожаление, что диссертация Бор не была опубlikована на иностранном языке. У нас в Дании едва ли есть такие компетенции в электронной теории люди, кто бы мог судить о диссертации на эту тему». Дальше было написано: «Доктор Бор,gliedный и застенчивый молодой человек, не принимал активного участия в обсуждании, побившем по своей непродолжительнойности все рекорды».
Кристинсен был прав, и поэтому Бор вскоре после зашиты с радостью отправился в Кембридж на годичную стажировку.
Бор попадает к Резерфорду
В Кембридже работал сам «отец электрона» Дж. Дж. Томсон. Более компетентного человека в области интересовавшей Бора, не было. Однако по ряду причин Бору не удалось наладить деловой контакт с Томсоном.
Зато в Кембридже Бор в октября 1911 года впервые встретился с Резерфордом, признавшим сюда из Манчеста на так называемый ежедневный каведницкий обед. Бор вспоминал: «Хотя в этот раз мне не удалось познакомиться с Резерфордом, на меня произведли глубокое впечатление его обаяние и энергия — качества, с помощью которых ему удалось достигать почти невероятных веществ, где бы он ни работал».
Н. Бор и Л. Д. Ланду на «Праздике Архимеда» в МГУ.
4
В ноябре Бор поехал в Манчестер к одному из коллег своего отца. Коллега оказался близким другом Резерфора и познакомил с ним Бора. Позднее Бор писал: «Во время беседы, в которой Резерфорд с подлинным энтузизмом говорил о многих новых перспективах развития физики, он любезно согласился на мою просбую о том, чтобы мне присоединиться к группе, работающей в его laboratorии, после того как ранней весной 1912 года я должен был закончить свой занятие в Кембридже». Резерфорд только просил договориться о переезде с Джи-Джи (пrozвищте Томсона), чтобы эта процедура не выглядела как результат переменивания сотрудника от одного руководителя к другому. Согласно Томсона было получено без особого труда.
Если в Кембридже Бор увлекался моделью atoma Томсона, согласно которой отрицательно заряженные электропны включаны в облако положительного заряда «как изоминки в кекс», то в Манчесте он быстро освободился с ядерной моделью atoma Резерфора, созданной только год тому назад, где положительный и отрицательный заряды как бы помещались местами. В этой модели положительно заряженное ядро малых размеров окружено облаком электронов, движущихся по замкнутым орбитам вокруг ядра (как планеты вокругруг Солнца). У модели Резерфора имеется серверный недостаток — она никак не могла обьясить устойчивость структуры atoma, проявляшуюся буквально на каждом шагу.
Бор с энтузизмом окнулялся в атмосферу манчестерской laboratorии и заняла попытками разрешения этого противорения. Резерфорд быстро оценил глубину подхода Бора и оказал ему всяческую поддержку. У Бора возникла идея применить к решению указанной проблемы квантовые представления, развительные Планком и Эйштейном. Незввестно, правада, где и когда Бор впервые познакомился с этим представлениями (характерная деталь — в курсе теоретической физики Кристансена, изданном на немецком языке в 1910 году, нет ни слова о квантах!).
Главная работа Бора
В centябре 1912 года Бор вернулся в Копенгаген и продолжил свои попытки применить квантовые представления к планетарной модели atoma, но дело продвигалось очень тучо. В первых числах февраля 1913 года к нему случайно заглянул его университетский товарищ — спектросописист Хансен. До этой встречи Бор не проявлял никакого интереса кстроению линейчатых спектров изучения и поглощения различных элементов. Позднее он говорил: «Он воспринимались так же, как прекрасные узоры на крыльях бабчек,— их красотой можно было восшиаться, но никто не думал, что регулярность в их окраске способна навести
Н. Бор и В. Паули, наблюдение за враценем волчка.
5
на след фундаментальных биологических законов». Хансен задал вопрос: «А как твой теория объясняет спектральные формулы?» Бор, получивший к тому времени, как мы видели, веса солидную подготовку в области теоретической физики, не понял, о чем идет речь. Он ничего не знал ни о каких спектральных формулах. Хансен сказал: «Тебе необходимо посмотреть эти формулы. Они с заменательной простотой описываютatomные спектры». Бор выполил этот совет из верхливости, не придавая ему особого значения. Однако, по его словам, как только он увидел формулу Бальмером (швейцарским физиком и математиком) чисто эмпирическим путем еще в конце XIX века и выражала последовательность частот для ряда линей ввидимой области спектра atoma водорода. Несколько позднее аналогичные закономерности были обнаружены и для невидимых участков водородного спектра.
После знакомства с формулой Бальмера дело быстро пошло на лад, и уже в марте 1913 года Бор завершил работу, который он назвал «О строении atomов и молекул». В том же году по представлению Резерфорда она была опубликована в английском журнале «Phylosophical Magazine» в виде трех статей. Мы ограничимся рассмотрением только первой, наиболее важной из «трилогии» Бора статьи — «Связывание электронов положительных ядром».
Между фактическим ходом исследования и изложением его автором в завершаюшей статье часто существует разрыв. Известный американский биомикк, набелевский луреат Cent-Дьёрды изобразил часть складывающегося ситуации графических (см. рис.), где по одной оси отложено время, по другой — «истина». Ломана 2 выражает фактический ход исследования, когда перiodы роста «истины» сменяются перiodами ее спада (то есть заблудениями), а идеальная пряма 1 изобразает изложение этого же процесса в завершаюшем труде.
Бор, по науре человека откровенный, не мог так поступить, хотя и передельвал свою статью многократно. Для Бора характерна также щепе-
«График»
Сент-Дьёрды.
тильность, с которой он ссылается на своих неудачливых предшественников, пытавшихся применить к обясенению свойств атома.
Введение к статье содержит очень важное значение, касающееся роли квантовой постоянной Планка в теории атома. Это значение носит современный характер и связано с так называемой теорейным размерностью. Однако из пionеров применения методов теории размерностей в физике был Рэлей (с развития трудов которого, еще студентом, начинал свою научную деятельности Бор).
Если выбрана определенная система основных величины, например в механике — длина, время и масса, то размерности производных величины записывается через размерности основных величины. Так, размерность длины обозначается [l]=L, тогда размерность площади [S]=L² и объем [V]=L³. Размерность времени [t]=T, соответствующего размерностью скорости [v]=LT⁻¹, а ускорения [a]=LT⁻². Так как размерность массы [m]=M, то размерность силы [F]=MLT⁻². И так далее.
Бор обратил внимание на то, что в модели атома Резерфорда имеются только два параметра — загаде e и масса электрона m, из которых нельзя образовать величины, определяющего структуру атома и имеющего размерность длины. Если же добавить планковскую постоянную h, то такая возможность появляется.
Воспроизведем несколько выкладки, отсутствующие в статье Бора, которые помогут понять его идею. При этом мы, так же как это сделал Бор в последующих частях статьи, будем пользоваться так называемой абсолотной электростанционной системы единиц (СГСЭ). В ней в качестве основных механических единиц приняты сантиметр, грамм, и секунд (отсюда буквы СГС). Размерность загада электрона в этой системе проще всего определить из закона Кулона (основного закона электростанции), записав его в простейшем виде F=e²/r²=[F]=MLT⁻²,