Текст книги "Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство"

Автор книги: Ирина Радунская

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 24 страниц)

ВВЕДЕНИЕ

Наука едина потому,

что едина природа.

Автор

Природа… Все существующее входит в это всеобъемлющее понятие. В том числе человек, познающий окружающий мир.

История человечества, развитие его познавательной способности сопровождались расширением и уточнением научных понятий, в том числе такого фундаментального понятия, как природа.

Вряд ли можно согласиться с мнением некоторых экологов, что «природа» – это просто синоним понятия «дикая природа», некая первозданная среда, еще не испытавшая воздействия человека, не тронутая земледелием, животноводством, промышленностью.

В древности человек не отделял себя от окружающего мира, не противопоставлял себя и себе подобных остальной природе. Тогда каждый ученый изучал все и учил всему. Но постепенно, по мере увеличения объема знаний произошло разделение интересов. Оно совпало с формированием рабовладельческих обществ. Неравенство между людьми породило неравенство профессий. Возникли понятия высших и низших наук.

Высшие науки – те, что мы теперь относим к гуманитарным областям знания и искусству, а также грамматика – продукт «чистого» разума, стихосложение, риторика. Геометрия и арифметика родились на почве реальности, когда землемер размечал участки земли шагами, а торговец по пальцам считал товар. Постепенно они стали даже более абстрактными, чем правила стихосложения, и были зачислены в ранг высших наук.

Медицина, механика, архитектура и то, что теперь относится к естественным наукам, наукам о природе, и к технике, были провозглашены низшими науками, занятием, недостойным свободного гражданина. Это считалось уделом рабов и простолюдинов, «пошлым ремеслом».

Лишь на заре эпохи Возрождения вновь появился универсал, который своим примером мог бы разрушить эти предрассудки, ликвидировать искусственные границы между областями знания. Леонардо да Винчи не получил систематического образования, но достиг величайших высот во всех областях науки и в искусстве. Но и он не уничтожил предвзятости. Дифференциация наук и специализация ученых все более углублялись. Коперник, Браге, Кеплер посвятили себя астрономии. Тарталья, Виетта и другие – математике.

Последним универсалом был Ломоносов, одинаково преуспевавший в естественных и гуманитарных науках, в технике и литературе, в организации науки.

К тому времени величайшие ученые стали на путь специализации. Галилей занимался преимущественно механикой и астрономией. Ньютон ограничился физикой, математикой и оптикой. Гюйгенс – механикой и оптикой. Лейбниц отдавал все силы математике. Лавуазье – химии…

Так оно шло и породило горькую поговорку: «Узкий специалист знает всё ни о чем, а широкий специалист не знает ничего, но обо всем».

В наши дни стало очевидно, что искусственные границы препятствуют развитию знаний. Природа многогранна, ее можно и нужно изучать с различных сторон. Но она едина, поэтому едина и наука. Все попытки пренебречь таким единством тормозят прогресс.

Книга «Единство» ставит целью показать наиболее яркие перекрестные связи между различными дисциплинами, связи, которые привели к важнейшим открытиям современности.

Читатель узнает, как периодическая таблица химических элементов – величайшее творение Менделеева (посвятившего себя химии, в его время весьма обособленной, специальной науке) – оказалась неразрывно связанной с космологией и ядерной физикой, термодинамикой и теорией элементарных частиц. Творец периодической таблицы элементов, выражающей один из основополагающих законов природы, не мог знать, куда приведет дорога его поисков. Не мог предположить и того, что не химики, а физики XX века подарят миру новый элемент и назовут его менделевием. И это новое вещество, как и другие неведомые химикам элементы тяжелее урана – кюрий, эйнштейний, фермий, лоуренсий, курчатовий, нильсборий, – будет получено искусственно. Но не с помощью химической реакции, этого давнего, испытанного инструмента в получении новых веществ, а «изготовлено» на основе рекомендаций квантовой физики. Мечта алхимиков осуществилась…

Читатель наверняка будет удивлен, узнав, что многие важные сведения о свойствах элементарных частиц сегодня получены не физиками на основе экспериментов с этими частицами, а космологами, сумевшими заглянуть в далекое прошлое, отстоящее от нас на миллиарды лет. Там они познакомились с биографией кирпичиков мироздания.

Мы сосредоточимся на космологии, науке о Вселенной, имеющей огромное философское значение и одновременно превратившейся в своеобразную физическую лабораторию.

Говоря о лаборатории, обычно имеют в виду помещение или ряд помещений, оборудованных для проведения исследований в какой-либо конкретной области знания – физике, химии, биологии, оптике, генетике… И вдруг в качестве лабораторного полигона одна из наук – космология?

Первоначальной задачей космологии было изучение строения Вселенной. Она основывалась на материале наблюдательной астрономии, изучающей положение и движение небесных тел. Затем, после создания спектрального анализа и рождения астрофизики, космология приобрела возможность изучать эволюцию Вселенной. Для этого пришлось привлечь различные разделы физики и химии, ибо развитие Вселенной складывается из множества взаимосвязанных процессов, в которых участвуют элементарные частицы, атомы и молекулы.

С середины XX века выяснилось, что космология – наука о макрокосмосе, рассматриваемом во всей его безграничности, – тесным образом связана с наукой о микрокосмосе, изучающей процессы, протекающие в глубинах атомных ядер.

Космология оказалась способной не только объяснить то, что ранее считалось непонятным, но и делать предсказания. И эти предсказания подтверждаются специальными опытами. Такая способность – один из главных критериев правильности научной теории.

Совсем недавно, когда двадцатый век вступил в свою третью четверть, космология достигла столь высокого уровня развития, что с ее помощью можно проверять

Предсказания теории элементарных частиц – например, о свойствах ядерных частиц, которые нельзя подвергнуть контролю в наилучших современных лабораториях и в лабораториях обозримого будущего.

Так космология стала лабораторией физики.

Мы встретимся и с другими убедительными подтверждениями единства науки, изучающей природу.

Рассматривая под этим углом зрения важнейшие достижения сегодняшнего дня, нельзя обойти вниманием удивительное явление, получившее название «странный аттрактор». Впервые он появился перед учеными при изучении атмосферы. В нем как бы воплотились древние злые духи, стремящиеся ввергнуть мир в хаос, – вот когда стало ясно, почему так трудна задача предсказания погоды!

Встретившись со странным аттрактором в земной атмосфере, ученые сумели разглядеть его козни в самых разнообразных явлениях природы и в некоторых технических системах. Он появлялся почти во всех случаях, ранее казавшихся следствием неправильных расчетов или случайных воздействий. Выяснилось, что он повинен в опасных для человека нарушениях сердечного ритма, вызывает фибрилляции, с которыми так трудно бороться медикам. Нарушает работу некоторых машин и радиоприемников. Словом, сфера его деятельности обширна и затрагивает интересы медицины и метеорологии, термодинамики и биологии, радиотехники и теории механизмов и машин…

Осознав нрав странного аттрактора, представители столь полярных наук, объединившись, сумели укротить его и поставить на службу человечеству. Однако подробно речь о нем впереди.

Познакомившись с важнейшими открытиями современности, читатель подойдет к пониманию важнейшего положения материалистической философии о единстве законов, действующих в природе и отраженных в науке, этом слепке с законов природы. Читатель убедится: в единстве законов, общих для самых различных явлений природы, заключены необозримые резервы для прогресса науки и техники.

Сегодня набирает силу особый метод исследования природы, основанный на глубокой общности процессов, внешне весьма разных, относящихся к разнообразным областям науки, но допускающих описание их свойств при помощи сходных математических уравнений.

Ученый, воспринявший этот метод мышления и обладающий опытом в одной из конкретных областей знания, способен быстро и успешно входить в другие, часто весьма удаленные научные проблемы и более легко получать в них важные результаты.

Книга «Единство» ставит целью воспитание современного научного мышления у молодого человека, только вступающего в самостоятельную жизнь, чтобы помочь ему шагнуть выше и дальше предшественников на пути прогресса.

ВЕЛИКИЙ ЗАКОН

Главная цель естественных наук – раскрывать единство сил природы.

Л. Больцман

ГЛАВА 1
Симметрия и химия

Симметрия и химия

Когда речь заходит о симметрии, в памяти сразу возникают четкие формы листьев, цветов, кружевных узоров, архитектурных сооружений, словом, бросающаяся в глаза внешняя симметрия предметов. Мало кто задумывается о том, что симметрия здания зачастую следствие многократного повторения одинаковых квартир. А симметрия кристалла основывается на внутреннем порядке взаимного расположения атомов, ионов, молекул.

Законы симметрии играют ведущую роль в понимании строения веществ. Пожалуй, первым, осознавшим, что внешний порядок в природных явлениях определяется непознанным внутренним порядком, был великий химик Дмитрий Иванович Менделеев.

Знание не является эквивалентом науки. Началом превращения знания в науку, в научное знание, является классификация – упорядочение признаков предметов и явлений. Далее идет выявление связи между признаками и сущностью.

Если придерживаться этой точки зрения, то первый шаг, превращающий химию в науку, сделал гениальный универсал Михаил Васильевич Ломоносов. Он понял, что частицы сложных тел – корпускулы – состоят из элементов – молекул, а те в свою очередь образованы первичными элементами – атомами. Ломоносов сумел заглянуть в глубинную суть вещей, сформулировал закон сохранения вещества и закон сохранения движения. Борясь с теорией теплорода, он пришел к кинетической теории теплоты. Существенный вклад в классификацию химических элементов сделал французский ученый Антуан Лоран Лавуазье. Один из основателей химии, он классифицировал свыше тридцати веществ по аналогиям их химических свойств. Но он не утверждал, что все они простые вещества. Нет, он предвидел в будущем, что «земли» (окислы) перестанут причислять к простым элементам потому, что, как он писал, «они не обладают стремлением к соединению с кислородом, и я склонен думать, что… они уже пересыщены им».

Лавуазье независимо от Ломоносова пришел к закону сохранения вещества и, несомненно, мог пойти много дальше. Но… он занимал должность генерального откупщика, и во время Французской буржуазной революции его гильотинировали как врага и грабителя народа.

Следующий вклад в классификацию химических элементов сделал в 1829 году И. В. Дёберейнер, друг Гёте, фабрикант химических товаров, которого так увлекла тайна, скрытая в изготавливаемых на его предприятиях товарах, что он стал профессором химии. Он разложил своеобразный пасьянс из химических элементов: сгруппировал элементы по три с учетом аналогии химических свойств и расположил их в порядке увеличения атомного веса. И во многих случаях обнаружил поразительную закономерность: атомный вес среднего элемента близок к среднему арифметическому от атомных весов соседей. Такие триады составляют сера, селен, теллур; хлор, бром и йод; кальций, стронций и барий. Конечно же, тут проявилась какая-то закономерность. Эта «игра» в элементы вдохновила многих химиков. Известны и другие попытки подобной классификации.

Решающий шаг в этом увлекательном деле сделал петербургский профессор химии Менделеев. Он не ограничился классификацией элементов. Но попытался вскрыть связь их признаков со свойствами, определяемыми внутренним строением. Ему удалось установить неведомую ранее периодичность изменения физических и химических свойств элементов по мере увеличения их атомного веса. На этой основе он сформулировал закон, позволивший обнаруживать и исправлять ошибки в общепринятых в то время значениях атомных весов некоторых элементов. Опираясь на этот закон, он предсказал существование и даже свойства ряда элементов, в то время еще неизвестных.

К 1869 году Менделеев продвинулся в понимании значения периодического изменения свойств химических элементов так далеко, что решил опубликовать полученные результаты. Название статьи «Соотношение свойств с атомным весом элементов» отражало ее основное содержание. Главный результат работы выражен следующим образом: «Элементы, расположенные по величине их атомного веса, представляют явную периодичность свойств», речь идет о таких химических свойствах, как валентность, и таких физических свойствах, как атомные объемы элементов и удельные веса простых веществ. Под простыми веществами, конечно, понимаются те, что содержат только один элемент. Уже в первом варианте таблицы элементов Менделеев оставил пустые места. Там, по его глубокому убеждению, должны стоять еще не открытые элементы. Он также изменил расположение в таблице кобальта и никеля, теллура и йода, считая, что их атомные веса определены ошибочно, потому что они не соответствуют свойствам этих элементов. Последующие более точные измерения подтвердили правильность его мнения.

Менделеев не ограничился тем, что выявил закон. Он продолжал работать над уточнением периодической системы элементов. Однажды он осознал, что химические свойства элементов повторяются: каждый восьмой и восемнадцатый элемент обладают аналогичными свойствами. Проверив свою догадку, он убедился в том, что существуют два периода (8 и 18) повторения свойств элементов.

В 1871 году Менделеев публикует статью, содержащую уточненную таблицу периодических свойств элементов. Он расположил их в восьми столбцах и одиннадцати строках. Эта таблица давала ключ к пониманию химических свойств известных элементов. Но этим не исчерпывались полученные результаты. В той же статье прозорливый ученый очень подробно описал свойства нескольких неизвестных элементов. Трем из них он дал названия: экабор, экаалюминий и экасилиций. Приставка «эка» указывала на аналогию с элементами, стоящими в таблице сверху. Тогда же Менделеев описал химические свойства неизвестных в то время аналогов марганца, теллура, цезия, бария, тантала. Кроме того, он исправил атомные веса и валентности некоторых элементов, руководствуясь тем, что прежние величины противоречат закону, выраженному его таблицей. Так, он приписал индию валентность 3 вместо принятой прежде 2. Установил, что атомный вес индия вдвое превышает принятый, и потому поместил его в VI группу элементов.

Догадки русского ученого вдохновили химиков-экспериментаторов из разных лабораторий мира на поиск новых веществ. Вскоре, в 1875 году, француз де Буабодран открыл предсказанный Менделеевым экаалюминий и дал ему название галлий. Швед Л. Нилсон в 1879 году выделил скандий, по свойствам совпавший с экабором. А в 1886 году выдающийся химик-аналитик из Саксонии К. Винклер получил германий. Характеристики этого нового элемента с поразительной точностью совпали с характеристиками экасилиция.

Вот как выглядели характеристики предсказанного и открытого элемента. В скобках – числа, предсказанные Менделеевым для экасилиция. Рядом – полученные Винклером для германия. Атомный вес: (72) и 72,60. Валентность: (4 и ниже), 4 и 2. Атомный вес: (13) и 13,5. Удельный вес (5,5) и 5,36. Свойства высшего окисла: молекулярный объем (22) и 22,2; удельный вес (4,7) и 4,703. Свойства высшего хлорида: удельный вес (1,9) и 1,874. Свойства типичного металлоорганического соединения: удельный вес (0,96) и 0,99; температура кипения (160°) и 163,5°. Расхождения не превышали погрешностей измерений. Предвидение Менделеева оказалось точным.

Этот пример показывает, что периодическая система Менделеева действительно отражает глубокий закон природы. И, как надлежит истинному научному закону, позволяет точно предсказывать количественные результаты будущих экспериментальных исследований.

Однако нельзя сказать, что у химиков вовсе не было хлопот с размещением в таблице вновь открываемых веществ.

В 1894 году англичане лорд Роберт Джон Рэлей (сын знаменитого физика Джона Уильяма Рэлея) и Уильям Рамзай обнаружили в воздухе неизвестный ранее странный газ. Он не вступал в химическое соединение ни с одним из известных элементов. Для нового газа, названного вследствие его химической инертности аргоном, не оказалось места в периодической системе элементов. Это вызвало волнение среди химиков. К тому времени все признали периодический закон Менделеева и с успехом пользовались его таблицей в работе. И вот странный случай: газ существует, а места ему в таблице элементов нет. Как это понять?

Через год снова возник тот же, вопрос.

В 1895 году Рамзай выделил из урановой смоляной руды неизвестный ранее газ, а спектральный анализ отождествил его с таинственным элементом, обнаруженным еще в 1868 году в спектре Солнца. Замешательство среди химиков еще более усилилось. Следует отметить, что и до Рамзая этот газ обнаруживали в некоторых горных породах, но эти сообщения каждый раз подвергали сомнению. Авторитет Рамзая утвердил существование нового элемента. Его назвали гелием в память о его «солнечном» происхождении.

Рамзай пошел дальше. Вот что мы читаем в его статье: «По образцу нашего учителя Менделеева я описал, поскольку возможно было, ожидаемые свойства и предполагаемые отношения газообразного элемента, который должен был бы заполнить пробел между гелием и аргоном». Должен был бы… Но в таблице для него не было места.

Однако газ, обладающий свойствами, предсказанными Рамзаем по рецепту Менделеева, был в 1898 году выделен им при участии М. В. Трейверса в результате разделения по фракциям большого количества жидкого воздуха. Его свойства соответствовали ожиданиям Рамзая, основанным на периодическом законе Менделеева. Мы знаем этот газ под названием неон. Вскоре ими были тем же методом выделены и другие газы, более тяжелые, чем аргон, – криптон и ксенон. И им не было места в таблице!

Вновь открытые газы походили друг на друга: они были инертными, не способными к участию в известных ученым химических реакциях. Их так и назвали – инертными газами. Одно время их называли благородными газами. Это открытие привело к расширению периодической системы Менделеева. В нее по предложению Рамзая ввели нулевую группу. Название продиктовано тем, что инертность вновь открытых газов казалось удобным связать с нулевой валентностью. Нулевую группу поместили перед группой наиболее активных металлов щелочного ряда.

Забегая вперед, сделаем отступление для тех, кто помнит, что в современном варианте таблицы Менделеева нет нулевой группы. Дальнейшие исследования связи химических свойств атомов со строением их электронных оболочек выяснили причину того, почему после первого периода, содержащего только два элемента – водород и гелий, следуют второй и третий периоды, содержащие по восемь элементов, а затем периодичность химических свойств делает скачок: период «восемь» заменяется периодом «восемнадцать».

В результате для сохранения идеи, заложенной Менделеевым в его таблицу, пришлось подразделить каждую из групп (вертикальных столбцов таблицы) на две подгруппы – левую и правую. В левых подгруппах помещены все элементы первых трех периодов и первые десять элементов каждого из больших периодов. Последние восемь элементов больших периодов располагают в правых подгруппах. Некоторую особенность представляет восьмая группа. В ее левой подгруппе расположены тройки: железо, кобальт, никель, а под ними рутений, радий, палладий и осмий, иридий, платина. Правую подгруппу восьмой группы занимают инертные газы.

Возвратимся, однако, к хронологии. В периодической таблице Менделеева еще оставались пустые места, указанные Менделеевым. Путеводной нитью при поиске новых элементов (путем химического выделения из природных соединений) служили их свойства, предсказываемые на основе таблицы Менделеева. Последним элементом, обнаруженным таким путем, был элемент, свойства которого определяются семьдесят пятой клеткой таблицы. Он был назван рением.

Далее поиск еще неизвестных элементов вступил в новую фазу. Химики начали исследовать радиоактивные элементы. В 1939 году француженка М. Пере обнаружила среди продуктов распада радиоактивного элемента актиния новый элемент. Полученный из актиния неведомый продукт «таял» на глазах – каждую 21 минуту от него оставалась половина. Другая часть распадалась с выделением альфа-частиц. И нужно было быть искусным экспериментатором, чтобы успеть определить его характеристики. Свойства незнакомца совпали со свойствами, предсказанными Менделеевым для элемента № 87 – экацезия. Новый радиоактивный элемент был назван францием.

Остальные элементы, предсказанные Менделеевым, впоследствии получены искусственно современными методами ядерных реакций. Этими методами были выделены также многочисленные изотопы – химические аналоги – известных ранее элементов и не встречающиеся в природе элементы с атомным весом, превышающим атомный вес урана. Эта история полна неожиданностей, трудностей, и об этом мы расскажем дальше. Здесь же следует лишь заметить, что Менделеев предчувствовал ход событий и указывал на возможность расширения периодической системы за счет неизвестных еще тяжелых элементов.

Пророческими оказались слова Менделеева: «…периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только надстройки и развитие обещает».

Физики отнимают у химиков атом

Дальше происходит то, что иллюстрирует название одной из глав в современной «Истории химии» итальянца Микеле Джуа «Физика обновляет химию и отнимает у нее атом».

Уже в 1871 году в первом издании фундаментального труда «Основы химии» Менделеев развивает мысль Ломоносова о том, что атомы, со времен древних атомистов считавшиеся неделимыми, «суть сложные вещества, образованные сложением еще меньших частей, что называемое нами неделимым (атомы) – неделимо только обычными химическими силами… Несмотря на шаткость и произвольность такого предположения, к нему невольно склоняется ум при знакомстве с химией».

Там же он обращает внимание читателя на большое значение физических методов исследования и прямо указывает: «Можно надеяться, что он (экаалюминий) будет открыт спектральным исследованием…» И действительно, экаалюминий – галлий – был открыт при помощи спектрального метода – расшифровкой оптических спектров веществ.

Менделеев придавал большое значение сопоставлению закономерностей спектров с периодическим законом: «Во всех подобных сопоставлениях виден зачаток понимания связи между атомными весами, химическими аналогиями и положением спектральных линий простых тел. Но, по моему мнению, еще не видно точных закономерностей, которые управляют зависимостью указанных предметов, а видно только отражение периодического закона».

Менделеев не дожил до того времени, когда связь химических свойств веществ и их физического строения стала фактом науки. Ведь в его время не было известно даже строение атома. Только через четыре года после его смерти физика совершила первый прорыв к пониманию строения материи. Легендарный австралиец Эрнест Резерфорд в 1911 году опубликовал свои опыты по рассеянию альфа-частиц атомами.

Он при помощи своих учеников обстрелял мишень из тонкой металлической фольги узким пучком альфа-частиц и… поразился!

Альфа-частицы рассеивались от мишени не узким пучком, а во все стороны – даже под большими углами. Размышления над этим странным фактом привели его к первым догадкам об устройстве микровселенной атома: такой характер рассеяния частиц-снарядов может быть лишь следствием того, что основная масса атома содержится в малом объеме – ядре. Тут же в ядре атома сосредоточен и его положительный заряд. Резерфорд писал: «Положительный заряд, связанный с атомом, сконцентрирован в крошечном центре, в ядре. А компенсирующий отрицательный заряд распределен в сфере с радиусом, сравнимом с радиусом атома».

Так возникла планетарная модель атома: малое тяжелое положительное ядро, вокруг которого вращаются электроны. Количество электронов таково, что их суммарный заряд компенсирует положительный заряд ядра.

Теперь мы знаем: заряд ядра соответствует номеру элемента в таблице Менделеева. Следовательно, этому же номеру соответствует количество электронов в атоме. Значит, номер, под которым стоит атом в таблице Менделеева, определяет химические свойства этого атома.

Логическая цепочка, которая сегодня всем очевидна. Но путь к пониманию этой взаимосвязи был нелегким. Поначалу модель атома, предложенная Резерфордом, вызвала противоречивую реакцию. С одной стороны, она открывала путь к объяснению физических и химических закономерностей. С другой – явно противоречила теории Максвелла, надежно обоснованной множеством разнообразных экспериментов.

Прежде чем обсудить, в чем заключается это противоречие, следует представить читателю молодого датского физика, который, ответив на этот вопрос, круто изменил плавное развитие классической физики.

Защитив диссертацию в родном Копенгагене, Нильс Бор поехал в Кембридж к Дж. Дж. Томсону, прославившемуся открытием электрона и созданием модели строения атома. Это была дорезерфордовская модель: внутри сферы, равномерно заполненной положительным зарядом, располагались отрицательные электроны. Их суммарный заряд компенсировал положительный заряд, распределенный внутри сферы. Изучая статьи Томсона, Бор увидел огрехи в его модели. И решил поделиться своими мыслями со знаменитым ученым. Но Томсона не заинтересовали идеи Бора. Тщетно в течение нескольких месяцев Бор ждал возможности обстоятельно поговорить с маститым физиком. Встреча не состоялась. Но пребывание Бора в Кембридже прошло не зря. Там он услышал о Резерфорде и его новой модели атома. Ознакомился и сразу поверил в нее.

Бор поехал в Манчестер, чтобы работать с Резерфордом. Шла весна 1912 года – Резерфорд был в отъезде.

К возвращению Резерфорда Бор четко понял: из модели Резерфорда следует, что не атомный вес управляет таблицей Менделеева, а заряд ядра, обнаруженного Резерфордом в атоме. Истекал срок, отпущенный Бору на поездку в Англию. Но он не мог уехать, не рассказав Резерфорду о своей находке. Чтобы не отнимать у Резерфорда много времени, Бор изложил свои мысли в сочинении, которое, возможно следуя дипломатическому этикету, назвал Памятной запиской.

Резерфорд выслушал Бора без энтузиазма, но все же Дал совет не начинать работу с изучения связи между строением сложных атомов и их химическими свойствами, сосредоточиться на атоме водорода. «это был важный и плодотворный совет.

Обдумывая планетарную модель атома, Бор, естественно, натолкнулся на ее противоречие с теорией Максвелла. Противоречие состояло в том, что электрон, вращающийся по орбите вокруг ядра, должен, в соответствии с теорией Максвелла, излучать электромагнитные волны. При этом энергия его движения превращается в энергию электромагнитных волн. В результате орбита электрона не может оставаться эллиптической. Она превращается в спираль, двигаясь по которой электрон неизбежно упадет на ядро, и атом погибнет.

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.