На этой основе сама собой напрашивалась идея о том, что при любом изменении энергии атома мы сталкиваемся с процессом перехода между двумя стационарными квантовыми состояниями и что любое излучение, участвующее в таком процессе перехода, проявляется в форме фотона. В самом деле, так называемые квантовые постулаты сразу же позволяли дать интерпретацию комбинационного принципа, отождествив численные значения каждого спектрального терма, умноженные на ℎ𝑐, с энергией возможного стационарного состояния атома. Более того, было указано решение казавшейся загадочной случайной природы явлений избирательного поглощения и излучения света атомами. При обычных условиях атом находится в своем нормальном состоянии с наименьшей энергией, соответствующей наибольшему значению спектрального терма, величина которого задавалась пределом главной серии. Понятно поэтому, что в процессе избирательного поглощения проявляется только эта серия, в частности, в пределе наступает поглощение в непрерывном спектре, которое, очевидно, соответствует удалению электрона из атома. Вскоре эти выводы были непосредственно подтверждены знаменитыми опытами Франка и Герца по возбуждению спектральных линий электронными соударениями. Эксперименты показали, что любой возможный обмен энергией между электроном и атомом соответствует переходу атома из нормального состояния в более высокое стационарное состояние и что минимальная энергия, необходимая для ионизации атома, как раз равна умноженному на ℎ𝑐 значению волнового числа, соответствующего пределу главной серии.
Вспоминая оживлённые дискуссии тех лет, быть может, интересно рассказать о беседе между Эйнштейном и Хевеши, которым я, как один из учеников Резерфорда, в то время сообщал о новых взглядах и перспективах. Когда Эйнштейна спросили о его отношении к этим идеям, он ответил, что они не абсолютно чужды его образу мыслей, но добавил в шутку, что он чувствует, что, если бы они были восприняты всерьёз, это означало бы конец физики. Оглядываясь назад, можно признать это высказывание справедливым. В самом деле, нам ведь пришлось пересмотреть все наши представления о том, что следует понимать под физическим объяснением. Между тем оказалось возможным шаг за шагом в ещё большей степени использовать спектроскопические данные для расширения наших знаний о строении атома. Достижение этой цели, как мы знаем, потребовало развития соответствующего математического аппарата, существенно отличавшегося от аппарата классической физики. Но для начала следовало подойти к решению проблем, попытавшись использовать более простые методы. Руководящим принципом при этом оказался в первую очередь так называемый принцип соответствия, который характеризовала попытка применить к рассмотрению всех явлений обычные физические представления, не вступая непосредственно в противоречие с квантовым постулатом.
Первым шагом было установление формулы
𝑅
=
2π2𝑒4𝑚
𝑐ℎ3
,
(8)
выражающей постоянную Ридберга через массу 𝑚 и заряд 𝑒 электрона и фундаментальные константы 𝑐 и ℎ. В самом деле, можно было показать, что это соотношение является необходимым условием того, чтобы частоты линий спектра атома водорода асимптотически стремились к некоторым пределам, как и частоты вращения электрона по кеплеровским орбитам вокруг тяжёлого ядра с единичным зарядом. Подобные представления одновременно давали простое объяснение появления постоянной Ридберга в описании спектров других элементов, если принять, что рассматриваемые серии возникают в результате перехода между стационарными состояниями, в которых один из атомных электронов связан с ядром менее сильно, чем другие, и что поэтому силы, оказываемые на него со стороны ионного остова, по крайней мере на больших расстояниях имеют очень большое сходство с силами, действующими на электрон в атоме водорода.
Специальная проблема возникла в связи с вопросом о происхождении серии линий, впервые наблюдавшихся в 1899 г. Пиккерингом в спектрах звёзд. Эта серия с большой точностью описывалась формулой
σ=
𝑅
⎛
⎜
⎝
1
2²
-
1
(𝑛+1/2)²
⎞
⎟
⎠
.
(9)
В связи с тем, что эта серия очень походила на бальмеровскую, её приписали водороду, и эта точка зрения, казалось, в сильной степени подкреплялась работой Ридберга, который сравнил между собой серии Бальмера и Пиккеринга, с одной стороны, и диффузными и резкими сериями других спектров, с другой. При этом им было предсказано существование ещё одной водородной серии
σ=
𝑅
⎡
⎢
⎣
1
(3/2)²
-
1
𝑛²
⎤
⎥
⎦
.
(10)
соответствующей обычной главной серии.
К 1912 г. Фаулер в процессе изучения сильного разряда в смеси водорода и гелия обнаружил не только линии серии Пиккеринга, но и серию линий, описываемых формулой (10), а также и ещё одну серию, представляемую формулой
σ=
𝑅
⎡
⎢
⎣
1
(3/2)²
-
1
(𝑛+1/2)²
⎤
⎥
⎦
.
(11)
Однако отнесение всех этих линий к спектру атома водорода было несовместимо с принципом соответствия, который, напротив, наводил на мысль, что серия Пиккеринга, а также и серии (10) и (11) следует приписывать иону гелия, представляющему собой электрон, связанный с ядром с зарядом, равным двум единичным. В самом деле, ожидалось, что такая система будет давать спектр того же типа, что и атом водорода, с той разницей, что для неё величину 𝑅 следовало заменить на 4𝑅.
Эти идеи на первых порах оспаривались ведущими спектроскопистами, в том числе Фаулером и Рунге. Я, в частности, припоминаю предупреждение, сделанное Рунге на коллоквиуме в Гёттингене и направленное против столь очевидно произвольного использования спектроскопических данных теоретиками, которые, как ему казалось, не ценят должным образом красоту и гармонию общей картины спектральных серий, обнаруженных прежде всего благодаря изобретательности Ридберга. Однако этот спор был вскоре разрешен ко всеобщему удовлетворению. Не только линии Пиккеринга и Фаулера вскоре после этого наблюдались Эвансом в гелии высокой чистоты, в котором отсутствовали следы линий водорода; более того, оказалось даже возможным показать, что незначительные отклонения линий, измеренных Фаулером, от формулы Ридберга в точности соответствуют небольшой поправке к ридберговской постоянной, выведенной чисто теоретически, если принять во внимание реальные значения масс атомных ядер.
Важным выводом из всей этой дискуссии было признание того факта, что определённые серии спектра магния, наблюдавшиеся Фаулером в сильном искровом разряде, могли быть сведены в более простую схему серий за счёт замены постоянной Ридберга на 4𝑅. Подобные системы серий, в открытие которых в случае многих элементов Фаулер, а также Пашен внесли столь значительный вклад в последующие годы, известны теперь как искровые спектры. В противоположность обычным дуговым спектрам, возникающим от нейтральных атомов, эти спектры относятся к ионам единичного заряда, в которых слабо связанный электрон оказывается в условиях, сходных с теми, которые характеризуют электрон в ионе гелия. Полностью оправдалось также и предсказание о том, что ионы ещё большего заряда, 𝑁⋅𝑒 должны дать спектры, соответствующие обобщённой схеме Ридберга, в которой в общем случае постоянная Ридберга будет иметь вид 𝑁²𝑅. Едва ли мне необходимо говорить обо всём этом подробнее здесь, в этом превосходном институте, руководимом Эдленом, который, к восхищению всех физиков, с таким мастерством и настойчивостью в течение ряда лет получает и анализирует многообразие спектров многократно ионизованных атомов.
