Под знаком кванта.

Бор и Зоммерфельд показали даже нечто большее: если учесть теорию относительности Эйнштейна, то окажется, что энергии электронов, движущихся по эллипсам с одинаковыми n, но разными l, немного различаются между собой, а потому уровни энергии в атоме необходимо нумеровать двумя квантовыми числами: n и l. По той же причине спектральные линии, возникающие при переходах электрона между уровнями k и n, должны иметь тонкую структуру, то есть расщепляться на несколько компонентов. По просьбе Зоммерфельда, Фридрих Пашен проверил и подтвердил это следствие теории на примере линии иона гелия λ=468,3 нм, которая соответствует переходу с уровня k = 4 на уровень n = 3. Внимательно рассмотрев фотографию спектра Не⁺, он обнаружил, что эта линия в действительности состоит из тринадцати тесно расположенных линий. Это удивительное совпадение в то время (1916 г.) сравнивали с вычислениями Леверье и Адамса, которые предсказали, в какой точке неба астрономам следует искать планету Нептун.

«Пространственное квантование кеплеровских орбит является одним из самых неожиданных следствий квантовой теории. По простоте вывода и результатов оно похоже на волшебство»,— писал Зоммерфельд в 1916 г. (тогда же он ввел термин квантовое число, вместо правил целочисленности Бора).

Но даже два квантовых числа n и l не объяснили всех особенностей спектров. Например, если поместить излучающий атом в магнитное поле, то спектральные линии расщепляются совсем по-другому. Явление расщепления открыл Питер Зееман (1865—1943) еще в 1896 г. Теперь его стали толковать следующим образом: электрон, движущийся по замкнутой орбите, подобен витку в обмотке электромотора и, подобно этому витку, в магнитном поле орбита электрона поворачивается. Однако, в отличие от витка, она может занимать в атоме не любые положения, а лишь строго определенные. Эти допустимые положения орбит в атоме задает магнитное квантовое число т, которое (снова в духе идей Бора!) может принимать только целые значения

— всего, как легко видеть, 2l+1 значений. А это означает, что в магнитном поле каждый уровень с заданными значениями n и l расщепится еще на 2l+1 подуровня, каждый из которых однозначно определяется заданием трех целых квантовых чисел: n, l и m.

Усложняясь, теория Бора постепенно теряла свое первоначальное изящество и наглядность. На ее место пришла формальная модель атома, от которой требовалось лишь одно: дать правильную систематику спектров и термов. Термин «квантование» постепенно потерял свой прежний смысл: им обозначили теперь формальный способ сопоставления целых (квантовых) чисел n, l и m каждому уровню энергии в атоме, а точнее — тому типу движения, в котором находится электрон. Квантовые числа n, l и m определяют стационарные орбиты в атоме. Внешние поля (электрическое и магнитное) влияют на движение электрона в атоме (расщепление уровней энергии), а это сразу же сказывается на структуре светового сигнала, который испускает атом (расщепление спектральных линий).

ФОРМАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА

Популяризация, как и всякий жанр, имеет свои границы. Как правило, они определяются тем, что с некоторого момента для объяснения научных фактов становится невозможным использовать понятия и образы повседневной жизни. Для того чтобы эту границу преодолеть, нужно перейти на язык формальных понятий науки, для начала хотя бы примитивный. При всех попытках уйти от этого шага неизбежны потери информации и искажение ее смысла, а самая суть науки остается скрытой. Наоборот, преодолев минимальные затруднения, вы можете почувствовать силу логических построений науки и оценить красоту их следствий. Как правило, эти технические затруднения ничуть не больше тех, с которыми сталкивается любой школьник при изучении химии: довольно быстро он убеждается в том, что проще (а главное —понятнее) написать формулу Н₂О, чем каждый раз говорить: «молекула, которая состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода».

Нечто похожее на химические формулы принято и в теории спектров, где главное квантовое число n обозначают цифрами: n = 1, 2, 3, ..., а орбитальный момент l — буквами, причем ряду чисел l = 0, 1, 2, 3,... поставлен в соответствие ряд

букв l = s, р, d, f, ... Поэтому уровень с квантовыми числами n = 3, l = 0 обозначают 3s, а уровень с n = 3, l=1 обозначают 3р.

В невозбужденном атоме натрия электрон находится в состоянии 3s. А темная D-линия возникает в том случае, если при возбуждении атома электрон переходит в состояние 3р. При обратном переходе 3p→3s он излучает энергию и возникает ярко-желтая D-линия.

А что произойдет, если излучающий натрий поместить в магнитное поле? Вначале, следуя Зоммерфельду, предполагали, что при этом верхний уровень 3р должен расщепиться на 3 компоненты 2l + 1 = 2∙1 + 1 =3, а нижний останется без изменения. В итоге каждая из D₁ и D₂ -линий должна расщепиться на 3 компоненты.