*

Однако, начиная работу по этой интересной программе, сразу сталкиваемся с трудностями чрезвычайно серьёзного характера, которые па первый взгляд казались фатальными для всей концепции электрического строения атома. В самом деле, согласно классическим теориям, никакая система заряженных материальных точек не будет обладать стабильностью, которая должна быть приписана структуре атома, чтобы объяснять химические и физические свойства вещества. Такие системы не будут иметь статических состояний устойчивого равновесия в обычном механическом смысле; требуемым условиям не будет удовлетворять также любое динамическое состояние. Даже в простейшем случае атома, состоящего из положительно заряженного ядра и одного электрона, это совершенно очевидно. Верно, что, согласно механике Ньютона, две частицы, притягивающиеся в соответствии с законом Кулона, будут двигаться по кеплеровскому эллипсу вокруг их общего центра тяжести. Но это решение, которое удовлетворительно объясняет устойчивость движений планет, даёт возможность понять, почему электрон и протон образуют атом с соответствующими химическими свойствами и характерным линейчатым спектром водорода. Без каких-либо теоретических рассуждений о происхождении солнечной системы ясно, что размеры земной орбиты и продолжительность года существенно определяются начальными условиями и могут каждый день меняться при столкновениях с метеоритами. С другой стороны, определённость атома водорода при самых различных условиях весьма впечатляюще проявляется в отождествлении спектральных линий излучения далёких звёзд со спектром водорода, полученным в обычных разрядных трубках. Если мы глубже вникаем в происхождение этого спектра, положение становится ещё хуже. Действительно, само испускание лучистой энергии атомом будет сопровождаться, согласно обычным электромагнитным представлениям, постепенным уменьшением размеров электронной орбиты и периода обращения; такой процесс сделает невозможным появление резких монохроматических спектральных линий и в конечном счёте приведёт к соединению электрона и протона в некоторую нейтральную систему с линейными размерами, чрезвычайно малыми по сравнению с размерами реальных атомов. Подобные замечания, очевидно, справедливы для любой атомной системы рассматриваемого типа. В самом деле, из обычной механики и электродинамики невозможно вывести никаких аргументов, которые позволяют объяснить, почему электрические составные части атома не нейтрализуют друг друга путём, который мог быть катастрофическим для стабильности материальных тел.

Ясно, что требовалась совершенно новая идея, прежде чем открытия элементарных электрических частиц могли бы быть должным образом использованы в интерпретации общих свойств материи. Однако в поисках такой идеи не нужно было смотреть далеко. Ключ к преодолению этих трудностей дало фундаментальное открытие Планком элементарного кванта действия, который особенно в руках Эйнштейна уже оказался столь плодотворным в деле согласования физических эмпирических данных самого различного рода. Действительно, это открытие обнаружило новую черту атомизма в законах природы, совершенно чуждую классическим идеям физики и в некотором смысле даже в большей степени, чем атомная природа электричества. Конечно, не может быть дано никакого основанного на общей электромагнитной теории объяснения существованию элементарного кванта электричества и конкретным значениям масс электрона и протона; но следует помнить, что измерения заряда и массы этих частиц опираются на экспериментальные факты, которые допускают недвусмысленную интерпретацию на основе классических идей. Однако нельзя дать никакого обоснования существованию кванта действия, которое не содержало бы радикального отхода от обычных физических принципов. Определение универсальной постоянной Планка, конечно, также основано на классически определённых измерениях, но — в противоположность случаю заряда и массы электрона — выводу кванта действия из этих измерений не может быть дано никакое разумное толкование в терминах электромагнитной теории. Область однозначной применимости классических понятий ограничивается процессами, в которых механическое действие велико по сравнению с этим квантом, как в экспериментах с отклонением пучков заряженных частиц; недостаточность этих идей для объяснения реакций атомов обусловлена как раз тем фактом, что детальный анализ внутриатомных движений должен включать рассмотрение элементов траектории электрона, для которых действие имеет тот же порядок величины или даже меньше, чем квант. Два фундаментальных аспекта атомистики, символизируемые элементарными квантами электричества и действия, конечно, тесно связаны, и, когда мы подойдём к проблеме строения атомных ядер, мы увидим, что уже невозможно однозначно использовать понятия заряда и массы электрона. Что же касается внеядерных электронных конфигураций, большое упрощение следует из того факта, что размеры составляющих частиц, определённых в классическом смысле, могут рассматриваться как пренебрежимо малые по сравнению с размерами всего атома. В самом деле, эта идеализация, на которой покоится простая классификация свойств атома, позволяет рассматривать специфические свойства электрона вне ядра, как независимые от кванта действия.

Уже в годы, предшествовавшие установлению ядерной модели атома, вопрос о перенесении открытия Планка на проблемы строения атома обсуждался с разных сторон и навёл на мысль о приближённых соотношениях между атомными константами. Однако прежние атомные модели, которые конструировались с точки зрения механической устойчивости, очевидно, были непригодны для удовлетворительной интерпретации специфических свойств элементов, и, поскольку эти модели сами по себе были полностью определены в отношении размеров и частот, введение кванта действия не означало решающего улучшения в этом смысле. Открытие Резерфорда совершенно изменило ситуацию. В самом деле, очевидная недостаточность простых механических идей для интерпретации атомной стабильности не только делала неизбежным радикальный отход от классических принципов, но в то же время оставляла достаточную свободу для использования того руководящего принципа, который выдвигался прямым доказательством физических и химических свойств элементов. Подходящую основу для использования этого обоснования я нашёл в двух простых «постулатах». Согласно первому из них, любое определённое изменение состояния какого-либо атома должно рассматриваться как элементарный процесс, заключающийся в полном переходе атома из одного из своих так называемых стационарных состояний в другое. С одной стороны, этот постулат представляет собой не больше, чем явную формулировку замечательной стабильности атомной структуры, вскрытой общими химическими фактами. С другой стороны, на него непосредственно указывало существование кванта действия. Идея элементарного характера процессов перехода не только связана непосредственно с существенной неделимостью кванта, но и позволяет сразу же использовать известное соотношение Планка между энергией и частотой отдельного процесса излучения как основы для простой интерпретации фундаментального закона спектров, так называемого комбинационного принципа. Этот принцип, установленный в замечательных исследованиях Бальмера, Ридберга и Ритца, утверждает, что частота какой-либо спектральной линии может быть записана как разность двух термов, принадлежащих к системе термов, которая является характеристикой рассматриваемого спектра. Допуская, что эти термы, умноженные на квант действия, численно равны энергиям стационарных состояний атома, мы в самом деле видим, что комбинационный принцип эквивалентен второму постулату; согласно последнему, излучение, испущенное или поглощённое во время процесса перехода, является существенно монохроматическим и обладает частотой, равной разности энергий двух состояний, делённой на постоянную Планка.

Этот взгляд на природу спектральных линий находится в очевидном согласии с эйнштейновским законом фотохимического эквивалента и влечёт за собой условия появления спектров в тесной связи с химическим состоянием рассматриваемого вещества. В самом деле, кажущееся непостоянство появления линий в спектрах испускания и поглощения полностью объясняется в соответствии с законом Кирхгофа, если принять во внимание, что испускание спектральной линии, соответствующей данному переходу между двумя стационарными состояниями, предполагает наличие атома в состоянии с более высокой энергией, тогда как условием поглощения является нахождение атома в состоянии с более низкой энергией. Обращение отдельных атомных процессов, с которыми мы здесь имеем дело, особенно поучительно, поскольку указанные процессы перехода являются существенно элементарными и находятся вне сферы обычной механической обратимости. Действительно согласно интерпретации комбинационного принципа, атом в стационарном состоянии будет, как правило, иметь выбор между рядом различных переходов в другие стационарные состояния, и наличие этих элементарных процессов несомненно является вопросом априорной вероятности. Шаг огромного значения, касающийся формулировки вероятностных законов для процессов излучения, был сделан, как известно, Эйнштейном в 1916 г., когда на основе упомянутых выше постулатов он дал ясный вывод планковского закона излучения абсолютно чёрного тела. Ещё более прямое подтверждение этих постулатов было получено несколькими годами раньше в известных экспериментах Франка и Герца по столкновениям между атомами и свободными электронами. Они нашли, в полном согласии с предсказаниями теории, что отсутствие обмена энергией между атомом и электроном возможно до тех пор, пока результатом столкновения не будет переход атома из его нормального состояния в другое стационарное состояние с более высокой энергией. Обсуждаемые процессы столкновения, безусловно, могут рассматриваться как химические реакции особенно простого типа, в результате которых атом переводится из его начального неактивного состояния в так называемое возбуждённое состояние, из которого он в общем случае возвращается в исходное состояние путём одного или нескольких шагов с испусканием излучения. Однако для теории химических реакций особое значение имеет то, что атом может возвращаться в свое нормальное состояние также и в результате безрадиационного процесса, при котором энергия активации передаётся путём столкновения со свободным электроном и с другим атомом в форме кинетической или химической энергии. На возможность подобных так называемых обратных столкновений впервые указали Клейн и Росселанд из рассмотрения теплового равновесия; важность этих процессов в химических реакциях наиболее поучительным образом показана недавними исследованиями Франка и его сотрудников.