Копенгаген,

4 ноября 1920 г.

19 СТРОЕНИЕ АТОМОВ В СВЯЗИ С ФИЗИЧЕСКИМИ И ХИМИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ ЭЛЕМЕНТОВ ^*

¹Der Ваu der Atome und die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Elemente. Fysisk Tidsskrift, 1921, 19, 153. [Доклад, прочитанный 18 октября 1921 г. в Физическом обществе в Копенгагене. Немецкий перевод опубликован в Zs. f. Phys., 1922, 9, 1 и, с некоторыми изменениями в вводной части и в пояснительном тексте к рисункам, а также с дополнениями на стр. 339—340, 362, 363—366, 372, 374 в кн.: N. Bohr. Drei Aufsätze über Spektren und Atombau». (Vieweg, Braunschweig, 1922), по которой выполнен настоящий перевод.— Ред.]

Представления о строении атомов, которые я предполагаю развить сегодня, я наметил в основных чертах уже в докладе, прочитанном мной приблизительно год тому назад здесь в Физическом обществе. Однако с того времени эти представления приняли более отчётливую форму, и в двух письмах, опубликованных недавно в журнале «Nature», я сообщил о дальнейшем развитии теории. Результаты, которые я изложу, не являются ещё законченными. Я надеюсь, однако, показать, каким образом указанные выше представления о строении атома позволяют выяснить связь между различными свойствами элементов. Это выяснение даёт возможность освободиться от некоторых затруднений, препятствовавших до сих пор простой и связной интерпретации свойств элементов. Я заранее прошу о снисхождении, если в первой части доклада буду говорить о вещах, хорошо известных многим из вас; для того чтобы ввести вас в круг рассматриваемых идей, я должен вкратце просмотреть наиболее существенные результаты в изучении атома, полученные за последние годы.

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ

За основу последующего изложения я беру так называемую ядерную модель атома. В этой модели атом представляется состоящим из ядра, окружённого некоторым числом электронов, причём расстояния между ядром и электронами и между последними очень велики по сравнению с размерами самих электронов. В ядре сосредоточена почти вся масса атома, оно несёт на себе положительный электрический заряд такой величины, что число электронов нейтрального атома равняется номеру соответствующего элемента в периодической системе, так называемому атомному номеру. Эта картина атома, установленная, как известно, главным образом на основании исследований Резерфорда над радиоактивными веществами, весьма проста. Но за этой простотой сразу же открывается затруднение для объяснения свойств элементов. Рассматривая вопрос с точки зрения обычных механических и электродинамических представлений, мы не видим в указанной модели основы для объяснения определённых свойств элементов и прежде всего не можем понять их устойчивости. С одной стороны, нельзя указать устойчивых положений равновесия частиц в атоме, а с другой - мы должны ожидать, что всякое ускоренное движение должно вызывать возникновение электромагнитного излучения, которое не может прекратиться до тех пор, пока не излучится вся энергия и электроны не упадут на ядро. Выход из этих затруднений найден в представлениях, заимствованных из так называемой теории квантов. Основы этой теории были заложены Планком в его знаменитых работах о закона теплового излучения. Эта теория решительно порывает с прежними воззрениями; в ней впервые при формулировке общих законов природы вводится предположение о наличии прерывностей.

В той форме, в которой теория квантов применяется к вопросам строения атома, она основывается на двух постулатах, затрагивающих как раз оба упомянутые затруднения. Согласно первому постулату, существуют особые состояния атома, в которых последний не излучает энергии, хотя частицы совершают ускоренные движения одна относительно другой. Далее предполагается, что эти так называемые стационарные состояния обладают своеобразной устойчивостью такого рода, что атому нельзя сообщить энергию или отнять её от него иначе, как процессом, переводящим атом из одного стационарного состояния в другое. По второму постулату всякое излучение атома, связанное с переходом между двумя стационарными состояниями, состоит всегда из чисто гармонических волн. Частота этих волн не зависит непосредственно от движения атома и определяется так называемым условием частот. Согласно этому условию, произведение частоты колебаний на универсальную постоянную, введённую Планком, равняется всей излучённой при данном процессе энергии. Для процесса перехода между двумя стационарными состояниями с соответственными значениями энергии 𝐸' и 𝐸'' находим, следовательно,

ℎν

=

𝐸'-𝐸''

,

(1)

где ℎ — постоянная Планка, ν — частота колебаний излучения. Время не позволяет мне дать здесь систематическое изложение теории квантом, дальнейшее развитие которой шло параллельно с её применениями к строению атома; я перейду сейчас к тем применениям теории, которые имели непосредственное значение для вопросов, обсуждаемых ниже.

Мы начнём с рассмотрения простейшего атома, состоящего из ядра и одного электрона. Если заряд ядра соответствует заряду одного электрона и система нейтральна, перед нами атом водорода. Применение теории квантов к строению атома и началось именно с объяснения известного простого водородного спектра. Этот спектр состоит из ряда линий, частоты которых выражаются следующей, необычайно простой формулой, так называемой формулой Бальмера

ν=

𝐾

⎧

⎪

⎩

1

(𝑛'')²

-

1

(𝑛')²

⎫

⎪

⎭

,

(2)

где 𝑛', 𝑛'' целые числа. Представим себе теперь на основании теории квантов, что в атоме имеется ряд стационарных состояний, характеризуемых целыми положительными числами; мы видим, что частоты колебаний, определяемые формулой (2), получаются из условия частот (1), если только предположить, что всякая спектральная линия водорода соответствует излучению при переходе между стационарными состояниями, характеризуемыми числами 𝑛' и 𝑛''; энергия в 𝑛-м стационарном состоянии определяется при этом (с точностью до произвольной постоянной) формулой

𝐸

_𝑛

=-

𝐾ℎ

𝑛²

(3)

Отрицательный знак здесь связан с тем, что энергию атома проще всего определить через работу, необходимую для удаления электрона от ядра в бесконечность; мы предположим, что численное значение выражения в правой части равенства (3) как раз равняется этой работе.

Желая детально определить стационарное состояние, мы находим, что если пренебречь движением ядра, то электрон будет с большой точностью описывать эллипс, в фокусе которого находится ядро. Большая ось эллипса просто связана с энергией атома; для ряда значений большой оси электронной орбиты 2𝑎_𝑛 мы находим выражение, соответствующее энергии различных стационарных состояний (3)

2𝑎

_𝑛

=

𝑛²𝑒²

𝐾ℎ

(4)

где 𝑒 — численное значение заряда электрона и ядра.

В итоге мы можем сказать, что водородный спектр даёт картину атома водорода; стационарные состояния могут рассматриваться как различные стадии процесса, в котором электрон, излучая энергию, постепенно переходит на орбиты всё меньших размеров соответственно уменьшению 𝑛. Мы видим, что в этой картине есть некоторые черты, общие с процессом связывания электрона ядром в обычной электродинамике. С другой стороны, наша картина отличается тем, что даёт возможность учесть наблюдаемые свойства водорода. В частности, мы видим, что процесс связывания ведёт к совершенно определённому конечному состоянию атома для 𝑛 = 1. Это состояние, соответствующее наименьшей энергии атома, обозначается ниже как нормальное состояние атома. Уже сейчас можно отметить, что значения энергии и длины большой оси электронной орбиты, получаемые при подстановке 𝑛 = 1 в формулы (3) и (4), того же порядка величины, как и значения прочности связи электрона и размеры атома, выводимые из исследований электрических и механических свойств газов. Однако не может быть и речи о точной проверке формул (3) и (4) путём такого сравнения, поскольку во всех исследованиях приходится иметь дело не с атомами водорода, но с молекулами, в которых атомы тесно связаны попарно.