Эти теоретические предсказания полностью подтверждаются экспериментами Штарка и других исследователей, которые показали, что действие электрического поля на линии оказывается того же порядка величины, что и в случае водорода, только у тех линий, для которых по крайней мере один из двух рассматриваемых спектральных термов весьма близок к водородному терму с таким же квантовым числом. В то же время для тех линий, где оба терма далеки от водородных термов, эффект очень мал, если вообще доступен измерению.

Проблема влияния электрических полей на спектральные линии может быть рассмотрена более подробно с точки зрения как теоретических предсказаний, так и подтверждения их экспериментальными данными. Однако это заведёт нас слишком далеко в детали этих вопросов. Тем не менее я упомяну одну очень важную характерную черту, выявленную экспериментами Штарка, а именно — образование новых комбинационных линий под воздействием поля. Это явление получает немедленное объяснение в рамках теории. Действительно, как было упомянуто, электрическое поле не меняет типа движения электрона в первом приближении; тем не менее вследствие возмущений будут появляться новые гармонические компоненты в движении, амплитуды которых пропорциональны электрическому полю, а частоты равны суммам или разностям частот гармонических компонент, присутствовавших в невозмущённом движении. Благодаря этим новым колебаниям, которые аналогичны «комбинационным тонам», хорошо известным в акустике, у атома появится возможность совершать, помимо обычных переходов, приводящих к обычным спектральным линиям при наличии поля, также новые переходы, приводящие к новым спектральным линиям, с частотами, равными сумме или разности частот линий, появляющихся в невозмущённом спектре ¹. Во всех доступных сейчас экспериментальных данных эти предсказания выполняются как в отношении положения этих новых линий, так и в отношении их интенсивностей, оценённых с помощью принципа соответствия. Наблюдение таких «истинных» комбинационных линий обычно рассматривается как одно из наиболее сильных подтверждений справедливости комбинационного принципа, хотя в то же самое время кажущаяся «капризность» их появлений накладывает отпечаток таинственности на применение этого принципа. Однако сегодня уже видно, что квантовая теория не только даёт формальную интерпретацию комбинационного принципа, но и помогает существенно развеять налёт таинственности, окружающий его применение.

¹ См. I, стр. 36 и 108.

Рассматривая далее действие однородного магнитного поля, мы обнаруживаем, что применение законов электродинамики совместно с принципом соответствия приводит к очень простым заключениям. Действительно, совершенно независимо от характера движения электронов в отсутствие поля из теоремы Лармора следует ожидать, что эффект поля будет проявляться просто в наложении равномерного вращения всего атома вокруг оси, параллельно полю. Так же, как и в случае водорода, это дополнительное вращение приведёт к появлению нового квантового условия, состоящего в том, что окажутся возможными только те ориентации атома относительно поля, при которых компонента полного момента импульса атома, параллельная полю, равна целому кратному величины ℎ/2π. Более того, согласно принципу соответствия, влияние добавочного вращения на каждую из гармонических компонент движения атома в отсутствие поля будет проявляться в расщеплении каждой линии на нормальный лоренцовский триплет.

Однако, как уже упоминалось в начале этой лекции, эти теоретические предсказания выполняются только частично. Тогда как все спектры, состоящие из одиночных линий, действительно, обнаруживают нормальный эффект, в спектрах более сложных типов, как известно, проявляется так называемый аномальный эффект Зеемана. Согласно принципу соответствия, это можно рассматривать как доказательство того, что для спектров такого типа в противоречии с законами классической электродинамики магнитное поле будет влиять не только на движение атома как целого, но и затрагивать непосредственно взаимосвязь различных электронов в атоме. Это особенно ярко проявляется в том, каким образом аномальный эффект Зеемана постепенно меняется при увеличении напряжённости магнитного поля. Впервые это явление наблюдалось Пашеном и Баком ¹. Точно так же это можно проследить по появлению в присутствии поля новых компонент в спектре, обладающем сложной структурой, как это было отмечено теми же авторами. Последнее явление можно рассматривать как полный аналог возникновения новых спектральных линий в присутствии внешних электрических полей. В то же время эти эффекты ясно показывают, что магнитное поле не воздействует непосредственно на те свойства движения, которые задаются главным квантовым числом 𝑛 или же добавочным квантовым числом 𝑛_𝑅. Это также понятно, так как не только приближённый кеплеровский характер орбит, но и вращение этих орбит в их плоскости зависят лишь от одного простого предположения о том, что воздействие на движение внешнего электрона со стороны остальной части атома приближённо описывается с помощью центрального силового поля. В то же время свойства движения, задаваемые квантовым числом 𝑛_𝑃, непосредственно затрагивают динамический характер конфигурации внутренних электронных орбит и могут рассматриваться как описывающие прежде всего более тонкую взаимосвязь внешнего электрона с остальной частью атома. В силу этого из аномального эффекта Зеемана следует, что характеристики такой взаимосвязи не могут быть даже в первом приближении описаны законами классической электродинамики. Действительно, только встав на такую точку зрения, представляется возможным понять неприменимость теоремы Лармора в этих случаях. Поэтому тем более удовлетворительным кажется тот факт, что к этому заключению определённо приводят и другие соображения относительно сложной структуры спектров ¹.

¹ F. Рasсhеn, Е. Back. Ann. d. Phys., 1912, 39, 897; Physica, 1921, 1, 261.

¹ N. Воhr. Ann. d. Thys, 1923, 71, р. 277.

Наиболее плодотворным путём к изучению этой проблемы, видимо, является путь, предлагаемый правилом Престона, обсуждавшимся в начале лекции, а также правилами, впервые установленными Рунге и дающими простые числовые соотношения между соответствующими смещениями компонент при аномальном эффекте и аналогичными смещениями при нормальном эффекте Зеемана. Крупный шаг вперёд в этом направлении был сделан недавно Ланде, которому удалось, исходя из эмпирических правил, вывести общие законы, управляющие расщеплением данного спектрального терма на ряд составляющих компонент под воздействием магнитного поля. Удалось объяснить и то, каким способом эти компоненты комбинируются друг с другом, что приводит к наблюдаемому расщеплению спектральных линий ². Следует надеяться, что эти блестящие результаты помогут раскрыть ещё не ясную взаимосвязь электронов в атоме. В этом направлении уже были предприняты простые и далеко идущие попытки. Однако едва ли можно говорить о наличии какого-либо удовлетворительного решения этой проблемы. Как указывалось выше, такое решение, возможно, потребует ещё большего отхода от классических концепций, несмотря на то, что, как ожидается, оно будет согласоваться с общими идеями о стабильности атомов и об испускаемом ими излучении, иллюстрация которых составляла основную цель этой лекции.

² A. Lаndе. Zs. f. Phys., 1921, 5, 231; 1923, 15, 189.

22 СТРОЕНИЕ АТОМА ^*

^*The Structure of the Atom. Nature, 1923, 112, 29-41. [Лекция, прочитанная в Стокгольме 11 декабря 1922 г. по случаю вручения автору Нобелевской премии по физике за 1922 год. Лекция вышла отдельным изданием («Om atomers bygning. Nobelforegard». Stockholm, 1921/1922), опубликована в «Fysisk Tidsskrift» (1923, 21, 6) и в «Die Naturwissenschaften» (1923, 11, 606). - Ред.].

Общая картина строения атомов

Современное состояние теории атома характерно тем, что мы не только считаем несомненно доказанным существование атомов, но мы даже полагаем, что нам достаточно хорошо известны составные части отдельных атомов. Здесь я не имею возможности дать полного обзора научных достижений, которые привели к этому выводу. Я только упомяну об открытии электрона в конце прошлого века, которое привело к прямому подтверждению и убедительной формулировке концепции атомистической природы электричества, развивавшейся со времени открытия Фарадеем фундаментальных законов электролиза и создания электрохимической теории Берцелиусом и достигшей своего триумфа в теории электролитической диссоциации, созданной Аррениусом. Открытие электрона и выяснение его свойств было результатом работы большого числа исследователей, среди которых особенно следует отметить Ленарда и Дж. Дж. Томсона. Последний из них внёс особенно важный вклад в этом направлении своими оригинальными попытками развить идеи атомного строения на основе электронной теории. Однако современного состояния наши знания элементов атомной структуры достигли после открытия Резерфордом атомного ядра. Деятельность Резерфорда по изучению открытых в конце прошлого века радиоактивных веществ существенно обогатила физическую и химическую науки.