Все эти следствия могут быть выведены из схемы, положенной в основу формального объяснения спектров. С другой стороны, факт существования в парах натрия, кроме поглощения в линиях главной серии, ещё непрерывного избирательного поглощения, начинающегося на границе серии и простирающегося далее в ультрафиолетовую область, является решающим подтверждением ещё одного предположения. Это предположение заключается в том, что при поглощении в линиях главной серии натрия мы имеем дело с переходами, при которых в конечном состоянии атома один из электронов вращается вокруг ядра и остальных электронов по орбите всё больших и больших размеров. Мы должны представлять себе это поглощение соответствующим переходам от нормального состояния в такие, в которых внешний электрон способен удаляться от ядра в бесконечность. Такой процесс является полной аналогией фотоэлектрическому эффекту, происходящему при освещении металлической пластинки. Как известно, мы можем получить любую скорость вылетающего электрона, освещая металл светом соответствующей частоты колебаний. Эта частота не может, однако, превосходить определённой границы, зависящей от природы металла и, согласно теории Эйнштейна, простым образом связанной с энергией, которая необходима для вырывания электрона из металла.
Изложенное выше общее представление о происхождении спектров излучения и поглощения подтверждается чрезвычайно интересными опытами по возбуждению спектральных линий и ионизации путём электронных соударений. Начало решительных успехов в этой области положено известными опытами Франка и Герца. Эти исследователи достигли первых значительных результатов в опытах с парами ртути, обладающими особыми свойствами, весьма облегчающими такие опыты. Ввиду большой важности этих результатов, опыты были распространены названными и другими физиками на большинство газов и металлов в парообразном виде. С помощью нашей схемы проиллюстрируем результаты для паров натрия. Электроны при соударении с атомами, как это было обнаружено, отскакивают с неизменной скоростью в том случае, если последняя соответствует кинетической энергии, меньшей, чем та, которая необходима для перевода атома из нормального состояния в соседнее, т. е. для случая натрия из первого состояния первой строки в первое состояние второй строки. Однако, как только электрон приобретает кинетическую энергию, равную по величине указанной разности энергии, соударение становится таким, что электрон теряет всю свою кинетическую энергию; одновременно пар излучает свет, соответствующий жёлтой линии, как и следовало ожидать, если при соударении атом переходит из нормального в указанное состояние.
Некоторое время существовала неопределённость относительно правильности такого толкования, так как в опытах с парами ртути при соответствующих соударениях в парах одновременно возникали ионы. Согласно нашей схеме, мы можем ожидать образования ионов только в том случае, когда кинетическая энергия настолько велика, что может переводить атомы из нормального состояния к общей границе состояний в различных рядах. Однако дальнейшие опыты, особенно американских исследователей Дэвиса и Гочера, показали, что в действительности ионы могут образоваться непосредственно при соударениях только в том случае, когда кинетическая энергия электронов достигает указанной выше величины, и что ионизация, наблюдавшаяся в опытах Франка и Герца, вызывается косвенным влиянием фотоэлектрического эффекта, возбуждаемого освещением металлических частей аппарата светом, излучаемым атомами ртути при возвращении в нормальное состояние. При рассмотрении подобных опытов едва ли можно освободиться от впечатления, что мы имеем дело с непосредственным и независимым доказательством реальности особых стационарных состояний, к предположению существования которых нас привели закономерности сериальных спектров. Одновременно мы получаем решительный аргумент в пользу недостаточности наших обычных электродинамических и механических представлений об атомных процессах не только в отношении излучения, но также в отношении таких явлений, каковыми являются соударения между свободными электронами и атомами.
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
Из всего сказанного выше ясно, что мы имеем возможность на основе простых представлений составить некоторую картину возникновения сериальных спектров элементов. Однако, если мы попытаемся проникнуть в задачу о детальной структуре этих спектров теми же приёмами, как и в случае спектра водорода, мы натолкнёмся на затруднения. Для систем, не являющихся чисто периодическими, невозможно получить достаточных сведений об их движениях в стационарных состояниях только на основании величины энергии этих состояний, так как для установления характеристик подобных движений необходимо больше данных. Мы встретимся с такими затруднениями и для атома водорода, если попытаемся детально объяснить влияние внешних силовых полей на спектр этого атома. Основанием дальнейшего продвижения в этой области служит теперь развитие квантовой теории. За последние годы разработан метод определения стационарных состояний не только для простых периодических систем, по и для определённого класса непериодических, так называемых условнопериодических систем, уравнения движения которых могут быть решены методом «разделения переменных». Для систем такого типа, как известно, обобщённые координаты могут быть заданы так, что описание движений с помощью методов общей динамики сведется к рассмотрению некоторого числа обобщённых «компонент движения», каждая из которых соответствует изменению только одной координаты во время движения и в некотором отношении «независима» от остальных. Упомянутый метод определения стационарных состояний заключается в том, что каждая из компонент движения связывается условием, на которое можно смотреть, как на прямое обобщение условия (1) для осциллятора Планка; при этом стационарные состояния в общем случае определяются некоторым числом целых чисел, равным числу степеней свободы в системе. В этом развитии квантовой теории приняли участие многие физики, в том числе сам Планк. Я с удовольствием упоминаю в этом месте о работах Эренфеста, касающихся пределов применимости законов механики к атомным процессам и дающих новое освещение принципов, лежащих в основе указанного обобщения квантовой теории. Решительными успехами в применении квантовой теории к вопросам теории спектров мы обязаны Зоммерфельду и его сотрудникам. В дальнейшем я не буду, однако, останавливаться на систематической форме, в которой эти авторы изложили их результаты. В статье, недавно появившейся в трудах Копенгагенской академии, я показал, что спектры, вычисляемые с помощью указанных методов определения стационарных состояний и условия частот (4), обладают тем же соответствием спектрам, получаемым на основании обычной теории излучения из движения системы, как и спектр водорода. Основываясь на этом общем соответствии, я попробую в остальной части моего доклада изложить точку зрения, которая подробнее развита в указанной статье. Теория сериальных спектров и действия на них внешних силовых полей может быть представлена в такой форме, что она явится естественным развитием предыдущих соображений. Мне кажется, что эта точка зрения особенно приспособлена к рассмотрению будущих задач теории спектров, ибо она позволяет подойти и к таким задачам, где упомянутый выше метод неприменим вследствие сложности атомных движений.
Мы переходим теперь к изучению влияния небольших возмущающих сил на спектр простых систем, состоящих из одного электрона, вращающегося вокруг ядра. Как и раньше, для простоты мы сначала не будем учитывать зависимость массы электрона от скорости, требуемую той модификацией обычных законов механики, которая связана с теорией относительности. Небольшое изменение движения, вызываемое изменением массы, имело, однако, существенное значение для развития теории Зоммерфельда, появившейся в связи с объяснением так называемой тонкой структуры спектральных линий водорода. Это явление состоит в том, что каждая линия водорода, наблюдаемая с помощью спектральных приборов очень большой разрешающей способности, оказывается состоящей из нескольких компонент, расположенных близко одна от другой; причина заключается в том, что движение атома водорода при учёте изменения массы немного отличается от кеплеровского движения, так что орбита электрона не является точно периодической. Это отклонение от кеплеровского движения, однако, очень мало по сравнению с теми возмущениями движения атома водорода, которые вызываются внешними силами в опытах по эффектам Штарка и Зеемана, а также по сравнению с возмущающим влиянием присутствия внутренних электронов на движение внешнего в случае других элементов. Поэтому пренебрежение изменением массы не вносит существенного изменения в объяснение влияния внешних сил, а также в толкование той разницы, которая существует между спектром водорода и спектрами других элементов, о чем мы говорили выше.
