Все предшественники Бора рассуждали так: теория Максвелла подтверждена многими опытами. Она правильна. Атомы устойчивы. Никто не наблюдал гибели атома. Значит, из противоречия между этой теорией и планетарной моделью следует, что модель Резерфорда ошибочна. Но Бор был в восторге от модели Резерфорда. Только она могла объяснить опыт с рассеянием альфа-частиц. Бор был уверен, что модель соответствует реальности. Где же выход из тупика?
Нужно было обладать гениальной интуицией, спокойной верой в свои силы, чтобы найти выход. И Бор нашел его: модель Резерфорда правильна, теория Максвелла безупречна, но она неприменима к изучению строения атома.
Впоследствии Бор писал: «Я пришел к убеждению, что электронное строение атома Резерфорда управляется квантом действия».
Весной следующего, 1913 года Бор возвратился в Манчестер с готовым ответом: атомы существуют потому, что к ним неприменима теория Максвелла. Это была революция, которую предстояло защищать.
Бор утверждал, что орбиты электронов не произвольны. Электроны вращаются вокруг ядра только по вполне определенным орбитам. Вращаясь по ним, электроны не излучают энергии. Не излучают, вопреки теории Максвелла.
Излучение порции — кванта света происходит только тогда, когда электрон перескакивает с одной из «разрешенных» орбит на другую.
Этого было достаточно для объяснения устройства и устойчивости атома Резерфорда и для объяснения строения оптических спектров атомов.
Таково начало эпохи квантовой физики.
…Когда Бор второй раз приехал в Манчестерский университет к Резерфорду, там уже год работал выпускник Оксфорда Генри Мозли. Он исследовал спектры рентгеновских лучей, испускаемых различными веществами. Получал то, что называют рентгеновскими спектрами. Уже в следующем году он выявил закон, обессмертивший его имя.
Исследуя рентгеновские спектры химических элементов, он обнаружил связь между частотой спектральных линий рентгеновского излучения исследуемого элемента с его порядковым номером в таблице Менделеева. Этот закон имел большое значение для подтверждения периодического закона химических элементов и установления физического смысла атомного номера элемента.
Свою замечательную работу Мозли выполнил всего за один год. Он не смог пойти дальше — грянула мировая война, он был мобилизован в английскую армию и убит в августе 1915 года в возрасте 27 лет. Но он успел сделать достаточно, чтобы остаться в истории науки.
Бор писал об открытии Мозли: «Этот закон сразу же дал не только убедительное доказательство в пользу атомной модели Резерфорда, но вместе с тем обнаружил потрясающую интуицию Менделеева, который в определенных местах своей таблицы отошел от правильной последовательности возрастания атомных весов».
Резерфорд писал об этой работе: «Открытие Мозли составляет эпоху в истории наших знаний об элементах, оно раз и навсегда закрепляет правильный порядок элементов… от водорода до самого тяжелого элемента — урана».
Работа Мозли имела продолжение, об этом речь впереди.
Колдовство
Идеи Бора воодушевили многих ученых на поиски законов, правящих в микромире атома. Среди них были теоретики американец Чарлз Томсон Рис Вильсон (Нобелевская премия 1927 года за камеру Вильсона для наблюдения космических лучей) и немец Арнольд Иоганн Вильгельм Зоммерфельд, ставший членом многих академий наук.
Их чрезвычайно заинтересовали квантовые числа, предложенные Бором. Казалось бы, Бор использовал формальный прием. Он «перенумеровал» орбиты электронов в атоме, приписав им простые целые числа. Так в науку впервые вошли квантовые числа, характеризующие строение атома.
В действительности этот шаг оказался отнюдь не формальным. В этом убедились прежде всего Вильсон и Зоммерфельд. Они принялись почти одновременно — в 1916 году — на основе модели атома Бора рассчитывать спектры атомов веществ, и прежде всего атома водорода. Поначалу они потерпели фиаско — не получили обещанного Бором оптического спектра водорода. Тем более не удалось рассчитать спектры более сложных атомов. Что же это значило? Неувязка, простая математическая оплошность или трагедия квантовых идей?
Правильно ли они «читают» оптические спектры? Правильно ли учитывают боровские квантовые числа?
Зоммерфельд был одним из тех тонких исследователей, о которых принято говорить, что природа наделила их верной интуицией.