В предшествующем изложении я намеренно не касался вопроса о строении атомов и молекул, хотя этот вопрос, естественно, самым тесным образом связан с теорией возникновения спектров, подобной разобранной выше. Потребность использовать для этой цели результаты, полученные на основании изучения спектров, возникает уже в связи с простой теорией спектра водорода, так как оказывается, например, что значение большой оси электронной орбиты атома водорода в нормальном состоянии (𝑚 = 1) того же порядка, как и значения размеров атомов, получаемые с помощью кинетической теории газов. В своей первой статье на эту тему докладчик уже пытался набросать основы теории строения атомов элементов и молекул химических соединений. Эта теория была основана на простом обобщении результатов для стационарных состояний атома водорода, полученных на основании спектра; следствия её во многих отношениях подтверждались опытом, в особенности в части общего характера изменения свойств элементов по мере возрастания атомного номера, лучшим примером чего может служить закономерность в рентгеновских спектрах, открытая Мозли. Но я пользуюсь случаем заметить, что многие частные предположения этой теории должны быть в деталях изменены; к этому вынуждает современное развитие теории квантов как в отношении разработки методов определения стационарных состояний, так и в смысле задачи о вероятности различных переходов между состояниями; к тому же приводят споры о границах применимости механики и недостаточное согласие теории с опытом, как на это основательно указывалось с различных сторон. Так, например, уже невозможно оправдать предположение, введённое для предварительной ориентировки, о том, что в нормальных состояниях электроны движутся по геометрически особенно простым орбитам, подобным «электронным кольцам». Соображения об устойчивости при внешних воздействиях, а также возможность образования атома последовательным присоединением отдельных электронов приводят нас, во-первых, к тому, что рассматриваемые конфигурации электронов находятся не только в механическом равновесии, но и должны обладать известной устойчивостью в смысле требований обычной механики и, во-вторых, к тому, что указанные конфигурации должны быть такими, чтобы были возможны переходы в них из других стационарных состояний атома. Такие простые конфигурации, как электронные кольца, не удовлетворяют этим требованиям, и мы вынуждены искать более сложные формы движения. Однако нет возможности входить в детальное обсуждение этих, ещё нерешённых вопросов, и я должен ограничиться указанием снова на мою статью, которая скоро должна выйти в свет. В заключение мне хочется ещё раз отметить, что в настоящем докладе я стремился только изложить исходные точки зрения, лежащие в основе теории спектров. В особенности мне хотелось показать, что, несмотря на коренное различие этих точек зрения и обычных представлений о процессе излучения, всё же возможно, на основании общего соответствия между спектрами и движением в атоме, воспользоваться такими представлениями как путеводной нитью при исследовании спектров.

1921

15 СТРОЕНИЕ АТОМА ^*

^*Atomic Structure. Nature, 1921, 107, 104—107.

В письме в «Nature» Кэмпбелл ¹ обсуждает проблему о состоятельности тех предположений о движении и конфигурации орбит электронов в атоме, которые лежат в основе объяснения спектральных серий элементов путём применения квантовой теории к ядерной модели атома. Рассматриваются в письме и предположения иного характера, которые в последнее время использовались для построения теории строения атома, способной учесть другие физические и химические свойства элементов. Кэмпбелл выдвигает интересную мысль, что рассматриваемая кажущаяся несостоятельность в действительности не имеет места, что она является следствием формального характера принципов квантовой теории; это может создать ложное представление, будто картины строения атома, использованные при объяснении различных явлений, могут иметь совершенно различный аспект и тем не менее относится к той же действительности. В этой связи он обращает особое внимание на так называемый принцип соответствия, с установлением которого стало возможным — несмотря на фундаментальные различия между обычной теорией электромагнитного излучения и идеями квантовой теории — дополнить определённые выводы, основанные на квантовой теории, другими выводами, основанными на классической теории излучения.

¹ N. Campbell. Nature, 1920, 106, 25 Nov.

Поскольку следует признать, что у нас нет законченной теории, которая позволила бы описать во всех деталях механизмы испускания и поглощения излучения атомными системами, я, естественно, признаю, что принцип соответствия, как и все другие понятия квантовой теории, носит до некоторой степени формальный характер. Но, с другой стороны, тот факт, что появилась возможность установить тесную связь между спектром излучения атомной системы — устанавливаемым, согласно квантовой теории, из предположения об определённом типе движения частиц в атоме — и структурой излучения, которая, согласно обычной электромагнитной теории, является результатом движения того же типа, мне представляется аргументом в пользу реальности предположений теории спектров, едва ли совместимой с предположениями Кэмпбелла. Наоборот, если мы допускаем правильность квантовой теории спектров, то, кажется, принцип соответствия даёт все основания искать объяснение другим физическим и химическим свойствам элементов в том же направлении, что и объяснение линейчатых спектров. В этом письме я хотел бы коротко показать, как при более широком применении этого принципа можно преодолеть некоторые фундаментальные трудности, возникавшие до сих пор при попытках развить общую теорию строения атома путём приложения квантовой теории к ядерной модели атома.

Общей чертой всех теорий строения атома было стремление найти такие конфигурации и движения электронов, которые могли бы объяснить изменения химических свойств элементов с атомным номером, столь ясно выраженные хорошо известным периодическим законом. Анализ этого закона прямо ведёт к выводу, что электроны в атоме расположены отдельными группами, число электронов в каждой из которых равно одному из периодов последовательности элементов, расположенных в порядке возрастания атомного номера. При первых попытках получить определённую картину конфигураций и движения электронов в этих группах исходили из предположения, что в каждой группе электроны в любой момент времени расположены на равных угловых расстояниях на круговой орбите с центром в ядре. В более поздних теориях это простое предположение было заменено другим, а именно, что конфигурации электронов внутри различных групп обладают не простой осевой симметрией, а пространственной симметрией более высокого порядка; предполагалось, например, что конфигурация электронов в любой момент их движения обладает симметрией правильного многогранника. Однако фундаментальной трудностью всех этих теорий была неспособность объяснить фактическое появление этой симметрии в процессе образования атома путём связывания электронов ядром. Не могли они ответить и на вопрос, почему атом настолько устойчив, что первоначальная конфигурация восстанавливается, если она была временно нарушена внешними факторами. Если не учитывать никаких сил взаимодействия между частицами, кроме притяжения и отталкивания, вызванного их электрическими зарядами, то отсюда ясно следует, что должно существовать внутреннее взаимодействие или связь между различными группами электронов в атоме. Это существенно отличается от того, что можно было бы ожидать при предположении, что электроны в разных группах движутся по орбитам, расположенным одна внутри другой, так что каждая группа образует некоторую «оболочку» атома. В этом случае воздействие каждой оболочки на строение внешней сводилось бы в основном к компенсации части притяжения ядра.

Эти рассуждения по существу относятся к атому с ядром и не имеют специального отношения к характеру квантовой теории, которая была впервые введена в атомную проблематику в надежде получить рациональное объяснение устойчивости атома. Согласно этой теории, каждая атомная система обладает определённым числом различных состояний, так называемых «стационарных состояний», в которых движение может быть описано обычной механикой и в которых атом может существовать, во всяком случае некоторое время, не излучая энергию. Характеристическое излучение атома испускается только при переходе из одного такого состояния в другое, причём процесс перехода не может быть описан в рамках обычной механики. В то же время характер излучения может быть определён по движению с помощью обычной электромагнитной теории, если предположить вопреки этой теории, что переход всегда сопровождается испусканием монохроматического излучения, частота которого определяется просто разностью энергий в начальном и конечном состояниях. Применение квантовой теории к проблемам атома, которое ведёт свое начало от объяснения простого спектра водорода — в этом случае не было необходимости априори устанавливать стационарные состояния атома,— в последние годы было расширено развитием систематических методов определения стационарных состояний, соответствующих некоторым общим классам механических движений. На этом пути была достигнута детальная интерпретация разного рода спектроскопических данных,, насколько это касалось явлений, зависящих существенно от движения одного электрона в атоме; в то же время не было достигнуто определённого прояснения в отношении строения атомов, содержащих несколько электронов. Это обусловлено тем, что методом фиксированных стационарных состояний нельзя устранить произвола в выборе числа и конфигураций электронов в разных группах, или оболочках, атома. Действительно, единственное следствие, к которому мы сразу же приходим, заключается в том, что движение каждого электрона в атоме в первом приближении соответствует одному из стационарных состояний системы, состоящей из частицы, движущейся в центральном поле. В пределе оно представлено различными круговыми или эллиптическими орбитами, появляющимися в зоммерфельдовской теории тонкой структуры спектральных линий водорода. Однако путь для устранения указанного произвола открыт введением принципа соответствия, выражающего тенденцию видеть в квантовой теории не просто набор формальных правил для определения стационарных состояний атомных систем и частоты излучения, испускаемого при переходе из одного состояния в другое, а скорее попытку рационального обобщения электромагнитной теории излучения, выявляющего необходимость допущения прерывистого характера излучения для объяснения устойчивости атомов.