История физики

Благодаря атомной модели Бора новый подъем испытала также теория магнетизма. Движение электронов по определенным орбитам возобновляло гипотезу Ампера о молекулярных токах (гл. 5). Теперь присоединилось еще указание величины момента каждого элементарного магнита. Это - целое кратное «магнетона Бора» - величины, опять-таки тесно связанной с константой Планка h. Правильность этого теоретического следствия подтвердили в 1921 г. В. Герлах и О. Штерн, изучая магнитное отклонение лучей атомов серебра, причем магнитный момент этих атомов оказался точно равным одному магнетону.

Теория Бора при всех своих больших и прочных успехах имела, однако, одну систематическую ошибку.

Она применяла классическую или релятивистскую механику для определения орбит электронов и после этого без всякой внутренней связи с этим определением изгоняла преобладающее большинство этих орбит, как не удовлетворяющих квантовым условиям. Более цельной и еще более успешно объясняющей спектры является основанная в 1924-1926 гг. волновая, или квантовая, механика, которая в последнее время совершенно вытеснила свою предшественницу.

Первый шаг сделал в 1924 г. Луи де Бройль. На основе теории относительности он сопоставил с каждым движением материальной точки волну, длина которой вычисляется из механического импульса частицы посредством константы Планка h. Совершенно из других соображений Э. Шредингер в 1926 г. установил для такой волны дифференциальное уравнение в частных производных, подобное волновому уравнению. Он показал, что из этого уравнения при подходящих граничных условиях можно вывести заключение о ряде дискретных значений энергии. Для атома водорода он получил те же уровни энергии, что и в теории Бора; его теория допускала, таким образом, также формулу Бальмера для спектра водорода. В 1925 г. Борн, Гей-зенберг и Иордан создали квантовую механику, которая хотя и казалась вначале отличной от теории Шре-дингера, но все же была математически идентична с этой теорией, как это доказал Шредингер еще в 1926 г. Отношение между длиной волны и импульсом, установленное де Бройлем, входило также и в эту теорию.

Квантовая механика математически применяется с большим мастерством, но ее физическое содержание, по моему мнению, до сих пор не вполне ясно. Она опирается на результаты спектроскопии, значение которых особенно велико в связи с тем, что здесь в измерениях достигается совершенно необычная для физики точность, превосходящая даже точность знаменитых астрономических измерений. Для материальных волн имеется хотя менее точное, но зато более наглядное

доказательство. Как предположил В. Эльзасер в 1925 г. (гл. 12), электронные лучи, когда они падают на кристаллы, дают явления интерференции, подобные тем, которые наблюдаются в случае рентгеновских лучей. Это подтвердили в 1927 г. Дэвиссон и Джермер, а также Г. П. Томсон. Подобные опыты с диффракцией лучей атомов гелия, атомов и молекул водорода произвели в 1929 г. О. Штерн и в 1931 г. Т. Г. Джонсон. Все эти опыты количественно подтвердили формулу де Бройля.

Достижения этой теории накоплялись очень быстро. Особенно поражающий успех она имела в применении к радиоактивному распаду при испускании -лучей. Согласно этой теории существует «туннельный эффект», т. е. проникновение через потенциальный барьер частицы, энергия которой, согласно требованиям классической механики, недостаточна для перехода через него. Г. Гамов дал в 1928 г. объяснение испускания а-частиц, основанное на этом туннельном эффекте. Согласно теории Гамова атомное ядро окружено потенциальным барьером, но -частицы имеют определенную вероятность его «перешагнуть». Эмпирически найденные Гейгером и Нэттолом соотношения между радиусом действия а-частиц и полупериодом распада (гл. 11) получили на основе теории Гамова удовлетворительное объяснение.

Наконец, историческое значение имела классическая работа В. Гейтлера и Ф. Лондона (1927) о молекуле водорода Н₂. В этом исследовании химическая связь между одинаковыми или подобными атомами была сведена к «энергии обмена». Представление об этой энергии, не имеющей аналога в прежней физике, является необходимым математическим следствием из волнового уравнения Шредингера. Посредством этого же понятия, примененного к электронной проводимости в металлах, Вернер Гейзенберг разрешил в 1928 г. старую загадку ферромагнетизма. Благодаря «явлению обмена» у железа, никеля и кобальта (но не у других металлов) магнитные моменты электронов оказываются

ориентированными параллельно, что и приводит к ферромагнетизму.

Дальнейшее развитие квантовой теории, например вопрос о совместимости волнового и корпускулярного представлений, в настоящее время не является еще исторически зрелым. Здесь мы подошли к границам нашего изложения.