*

Обсуждавшаяся до сих пор связь между атомной стабильностью и квантом действия является совершенно общей и лишь косвенно связана с моделью атома. Ввиду противоречия между постулатами, которые являются предметом нашего обсуждения, и обычными идеями механики и электродинамики, на которых базируется определение заряда и массы составных частей атома, ясно, что эти идеи могут иметь лишь ограниченную применимость для непосредственной разработки проблемы строения атома. Надлежащая основа детальной трактовки этой проблемы фактически была установлена в последние несколько лет благодаря развитию последовательной квантовой механики, которая разумно объединяет в себе эти два фундаментальных постулата.

Однако в прямой связи с формулировкой этих постулатов можно было сделать первый шаг в направлении реализации упомянутой выше программы — интерпретировать специфические свойства химических элементов и их взаимоотношения на основе ядерной модели атома. Исходный пункт такой интерпретации был дан благодаря исключительной простоте спектра водорода. Согласно известной формуле Бальмера, этот спектр может быть получен из одной последовательности термов, каждый из которых равен постоянной, делённой на квадрат некоторого целого числа, так называемого номера терма. Итак, в соответствии с толкованием комбинационного принципа можно считать, что каждый спектральный терм, умноженный на постоянную Планка, представляет собой, для соответствующего стационарного состояния атома, работу, необходимую для удаления электрона на бесконечное расстояние от протона. Таким образом, система термов водорода даёт ценную информацию об образовании атома путём связывания электрона с протоном через ступенчатый процесс. Согласно идеям обычной механики, ступени в этом процессе связывания должны были бы изображаться последовательностью электронных орбит, большие оси которых и частоты обращения по которым пропорциональны соответственно квадрату и обратному кубу номера терма в соответствии с законами Кеплера. Полученные таким образом значения размеров орбиты и частоты в нормальном состоянии, с номером терма 1, действительно имеют тот же порядок величины, что и полученные из классической интерпретации механических и оптических свойств газов значения диаметров атомов и частот. Тем не менее, поскольку эта интерпретация находится в противоречии с представлениями рассматриваемой атомной стабильности, такое сравнение, конечно, может иметь только приближённый характер.

Количественная связь между механической картиной стационарных состояний и действительными свойствами атома водорода существует благодаря тому обстоятельству, что относительные разности между последовательными значениями размеров орбит и частот стремятся к нулю с возрастанием номера терма. В самом деле, мы видим здесь, как идея обычной механики о непрерывном изменении орбитальных характеристик выступает как предельный случай; мы будем ожидать, что общие понятия электродинамики будут постепенно приобретать полное оправдание в этом пределе, поскольку можно пренебречь элементарным характером индивидуальных процессов перехода. Из этих так называемых соображений соответствия следует, что излучение, испущенное во время предельных стадий процесса связывания, может быть количественно описано на основе классических идей. В частности, спектральные частоты, вычисленные из возможных процессов перехода на базе обсуждаемых постулатов, должны на этих стадиях иметь тенденцию к совпадению с частотами гармонических компонент, с помощью которых может быть проанализировано в рамках классической теории излучение движущегося по орбите электрона. Однако простое вычисление показывает, что это условие эквивалентно существованию определённого соотношения, выражающего константу в формуле Бальмера через заряд и массу электрона и постоянную Планка. Это соотношение было убедительно подкреплено имевшимися тогда эмпирическими значениями этих величии и было полностью подтверждено точными измерениями Милликена, как это описано, например, в его Фарадеевской лекции 1924 г.

Установление этой связи между спектром водорода и моделью атома привело непосредственно к осознанию взаимоотношений между спектрами элементов более глубокого характера, чем предполагалось до сих пор. Действительно, из только что упомянутого расчёта следует, что система термов спектра, соответствующего испусканию излучения при связывании электрона ядром с заданным зарядом, будет отличаться от системы термов водорода на множитель, равный квадрату отношения заряда этого ядра к заряду протона. Иными словами, спектр задаётся формулой Бальмера, если только константа умножена на квадрат атомного номера. Спектральные серии, которые могли бы быть представлены этой обобщённой формулой для атомного номера 2, впервые были обнаружены Пикерингом в спектрах некоторых звёзд и после больших усилий были получены также Фаулером в спектре излучения из трубок, содержавших смесь водорода и гелия, под действием конденсированных электрических разрядов. Вследствие близкого численного совпадения с обычными сериями водорода эта новая спектральная серия была приписана водороду как астрономами, так и физиками. Однако, согласно нашим доводам, она должна принадлежать гелию, из атома которого удалён один электрон, а оставшийся ион переведён в возбуждённое состояние. Эта точка зрения давала объяснение непостоянству в появлении рассматриваемой серии в спектрах звёзд, как и в её возбуждении в специальных условиях лабораторного эксперимента, и вскоре была подтверждена экспериментами Эванса в Манчестерской лаборатории, которому удалось возбудить эту серию в гелии столь высокой чистоты, что никаких следов линий водорода не могло быть обнаружено. Дальнейшее подтверждение обобщённой формулы Бальмера было получено в последние годы в лаборатории Зигбана, где был достигнут замечательный прогресс в спектроскопии далёкой ультрафиолетовой области. В самом деле, было найдено, что спектры, соответствующие этой формуле для атомных номеров 3, 4 и 5, испускают соответственно литий, бериллий и бор, когда они подвергнуты интенсивной электронной бомбардировке.

Эта тесная связь между спектральными характеристиками элементов, которые столь поучительным образом напоминают нам необычайную простоту модели атома, пока мы ограничиваемся случаем одного внеядерного электрона, и свойствами атомов с несколькими электронами естественно будет более сложной. Тем не менее изучение спектров раскрывает замечательно простые взаимосвязи общего характера. Как впервые осознал Ридберг, константа в формуле Бальмера, известная теперь вообще как постоянная Ридберга, выступает совершенно универсально в численном представлении системы термов, часто весьма сложной, в которой могут анализироваться спектры элементов при обычных условиях. В частности, было найдено, что каждая такая система термов включает термы, близко совпадающие с термами атома водорода. Это наблюдение, некоторое время считавшееся довольно загадочным, немедленно получает интерпретацию с нашей точки зрения на строение атома, если допустить, что такие водородоподобные термы соответствуют возбуждённым состояниям нейтрального атома, в котором один электрон удалён от ядра на расстояние, большое по сравнению с линейными размерами конфигурации остальных электронов. Действительно, этот внешний электрон, во время его отскока, будет подвергаться действию сил, примерно таких же, как и обусловленные протоном, и поэтому мы должны полагать, что ступени этого процесса будут очень похожи на стационарные состояния атома водорода. Этот взгляд был вскоре интересным образом подтверждён. В самом деле, в ходе упомянутой ранее дискуссии на страницах «Nature» в 1913 г. о спектре ионизованного гелия Фаулер отметил, что некоторые серии, которые он незадолго до этого наблюдал в спектре магния, могли бы быть объединены в более простые системы серий, если бы вместо постоянной Ридберга была использована константа, значение которой в четыре раза больше. Это как раз то, что мы должны ожидать для возбуждённых состояний однократно ионизованных атомов, в которых один электрон находится на сравнительно большом расстоянии от ядра. С тех пор было показано, особенно в исследованиях Фаулера, что спектры такого типа встречаются часто, когда элементы подвергаются действию сильного разряда. Классификация спектров получила дальнейшее развитие несколькими годами позже в работах Пашена, который открыл в спектре алюминия систему серий, соответствующую девятикратной постоянной Ридберга и, очевидно, обязанную двукратно ионизованным атомам. В последние годы ценное дополнение к общим спектральным доказательствам строения атома было получено благодаря исследованию Милликеном конденсированных разрядов, в которых были найдены спектры атомов с ещё более высокой степенью ионизации.