Нильсон Бор
Главное, чтобы работало,
а веришь ты в это или нет -- не важно
Датский физик Нильс Хенрик Давид Бор родился 7 октября 1885 г. в Копенгагене и был вторым из трех детей Кристиана Бора и Эллен (в девичестве Адлер) Бор. Его отец был известным профессором физиологии в Копенгагенском университете; его мать происходила из еврейской семьи, хорошо известной в банковских, политических и интеллектуальных кругах. Их дом был центром весьма оживленных дискуссий по животрепещущим научным и философским вопросам, и на протяжении всей своей жизни Бор размышлял над философскими выводами из своей работы.
Родители рано заметили выдающиеся способности сына и способствовали их развитию. Вместе со своим младшим братом Харальдом, впоследствии крупным математиком, Нильс рос в чрезвычайно благоприятном для развития его способностей социальном и научном окружении: «Я рос в семье с глубокими духовными интересами, где обычными были научные дискуссии; да и для моего отца вряд ли существовало строгое различие между его собственной научной работой и его живым интересом ко всем проблемам человеческой жизни». Так говорил Бор позднее о своем родительском доме.
Он учился в Гаммельхольмской грамматической школе в Копенгагене и окончил ее в 1903 г. Бор и его брат Гаральд, который стал известным математиком, в школьные годы были заядлыми футболистами; позднее Нильс увлекался катанием на лыжах и парусным спортом.
Еще будучи учеником, Нильс Бор под руководством своего отца проводил небольшие физические опыты. В школьные годы для него не существовало трудностей, о которых вспоминали впоследствии другие известные физики. И в университете успехи молодого Бора были столь велики, что уже на втором году обучения профессор мог использовать его в качестве помощника. Вспомним о молодом Эйнштейне, которому после получения диплома так долго пришлось ждать места ассистента в высшей школе!
За экспериментальное исследование поверхностного натяжения воды, которое он провел в 1907 году в лаборатории своего отца на основе работ Рэлея, известного английского физика и лауреата Нобелевской премии, студент Бор был награжден золотой медалью Копенгагенской Академии наук. Это исследование осталось, собственно, его единственной большой экспериментальной работой. Обладая ярко выраженными склонностями и к экспериментальной физике, Бор принадлежал к тем физикам-теоретикам, которые экспериментировали только в годы своей юности.
Как и многие экспериментаторы того времени, Бор проводил свои опыты, используя самодельные приборы. При этом он работал с такой необычайной основательностью, что окончание работ всегда слишком затягивалось. Как он позднее рассказывал, отцу приходилось отсылать его к деду с бабушкой, чтобы там в сельском уединении, вдали от лаборатории, он наконец мог приступить к изложению на бумаге достигнутых результатов и их оценке.
Начинающий физик интересовался также и гуманитарными науками. Лекции философа Хёффдинга по формальной логике и по теории познания он слушал регулярно и так внимательно, что даже мог указать ученому на некоторые ошибки, допущенные им в одной из работ.
Лекции по философии имели для Бора только информативное значение. Хёффдинг не пытался выработать у своих слушателей определенную философскую систему; он излагал студентам проблемы философии, следуя процессу их развития в истории духовной жизни человечества, как бы заставляя слушателей участвовать в попытках отдельных философов и философских школ дать ответ на основные проблемы мышления.
По-видимому, молодой Бор не увлекся ни одной из философских систем. Однако известно, что ему очень нравились некоторые мысли Спинозы. Охотно читал он также сочинения своего соотечественника Кьеркегора, одного из предшественников экзистенциализма, восхищаясь больше их блестящим стилем, чем содержанием. Но более всего своим вниманием к философии Бор был обязан непритязательной книжке одного датского автора, в юмористической форме толковавшей диалектику Гегеля.
Дипломный проект Бора, в котором он определял поверхностное натяжение воды по вибрации водяной струи, принес ему золотую медаль Датской королевской академии наук. Степень магистра он получил в Копенгагенском университете в 1909 г. Его докторская диссертация по теории электронов в металлах считалась мастерским теоретическим исследованием. Среди прочего в ней вскрывалась неспособность классической электродинамики объяснить магнитные явления в металлах. Это исследование помогло Бору понять на ранней стадии своей научной деятельности, что классическая теория не может полностью описать поведение электронов.
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.
Такой константой могла быть только постоянная Планка. Так Бор ввел кванты в теорию атома.
Летом 1912 г. Б. вернулся в Копенгаген и стал ассистент - профессором Копенгагенского университета. В этом же году он женился на Маргрет Норлунд. У них было шесть сыновей, один из которых, Oгe Бор, также стал известным физиком
Свою теорию Бор изложил в статье "О строении атомов и молекул" 5 апреля 1913 г. В ней содержались два основных постулата. Согласно первому в атоме существуют "разрешенные" стационарные орбиты. Двигаясь по ним, электрон не излучает энергии. В соответствии с другим он может "перескочить" на более близкую к ядру стационарную орбиту. При этом испускается квант энергии.
Говоря научным языком, он предположил, что угловой момент электрона квантуется. Далее он показал, что в этом случае электрон не может находиться на произвольном удалении от атомного ядра, а может быть лишь на ряде фиксированных орбит, получивших название «разрешенные орбиты». Электроны, находящиеся на таких орбитах, не могут излучать электромагнитные волны произвольной интенсивности и частоты, иначе им, скорее всего, пришлось бы перейти на более низкую, неразрешенную орбиту. Поэтому они и удерживаются на своей более высокой орбите, подобно самолету в аэропорту отправления, когда аэропорт назначения закрыт по причине нелетной погоды.
Однако электроны могут переходить на другую разрешенную орбиту. Как и большинство явлений в мире квантовой механики, этот процесс не так просто представить наглядно. Электрон просто исчезает с одной орбиты и материализуется на другой, не пересекая пространства между ними. Этот эффект назвали «квантовым прыжком», или «квантовым скачком». Позже этот термин обрел широкую популярность и вошел в наш лексикон со значением «внезапное, стремительное улучшение» («Настоящий квантовый скачок в технологии производства наручных часов!»). Если электрон перескакивает на более низкую орбиту, он теряет энергию и, соответственно, испускает квант света -- фотон фиксированной энергии с фиксированной длиной волны. На глаз мы различаем фотоны разных энергий по цвету -- раскаленная на огне медная проволока светится синим, а натриевая лампа уличного освещения -- желтым. Для перехода на более высокую орбиту электрон должен, соответственно, поглотить фотон.
