Лекция 7 курса "Квантовая революция" (весна 2025)

Продолжаем разговор о Первопроходцах квантовой революции первой трети ХХ века. Важнейшим этапом в становлении квантовой механики стали семь лекций Нильса Бора, которые он прочитал в Гёттингене в июне 1922 года, выполняя обещание, данное год назад Джеймсу Франку. Впоследствии этот цикл лекций назовут «Боровским фестивалем» по аналогии с музыкальным «Генделевским фестивалем», ежегодно устраиваемым в Гёттингене с 1920 года. Сам факт приезда в послевоенную Германию крупного европейского ученого был важным политическим событием: немецких ученых долгое время бойкотировали их коллеги из стран-победителей в Первой мировой войне. Немцев не приглашали на конференции, их статьи не принимали в международные журналы. Весьма показательно, что организаторы международных математических конгрессов в Страсбурге (1920 год) и в Торонто (1924) не пригласили ни одного математика из Германии. Приезд Бора в Германию, как и поездки с лекциями Альберта Эйнштейна в Америку, Англию и Францию помогли прекратить бойкот и наладить нормальные научные связи ученых разных стран. Более ста физиков, старых и молодых, съехались со всей страны послушать рассказ Бора о модели электронной оболочки атома. Его новая теория касалась расположения электронов внутри атома и объясняла расстановку элементов в периодической таблице. Бор предположил, что электронные оболочки окружают ядро атома наподобие слоев луковой шелухи. Фактически каждая такая оболочка состоит из набора электронных орбит. Максимальное число электронов, которые могут поместиться на каждой из орбит, фиксировано. Бор утверждал, что элементы с похожими химическими свойствами имеют одно и то же число электронов на внешней оболочке. Электронные оболочки обозначаются буквами K, L, M, N, O, P, Q или цифрами от 1 до 7 (первое квантовое число). Подуровни оболочек обозначаются буквами s, p, d, f, g, h, i или цифрами от 0 до 6 (второе квантовое число). Электроны внешних оболочек обладают большей энергией, и, по сравнению с электронами внутренних оболочек. Что бы ни говорили об отсутствии у теории Бора твердого математического фундамента, идеи датчанина произвели на всех сильное впечатление. Понятны были и задачи, требовавшие осмысления. “Пребывание в Геттингене было чудесным и очень поучительным, — написал Бор после возвращения в Копенгаген. — Не могу выразить, как я был счастлив, чувствуя исходившее ото всех дружелюбие”. Он больше не ощущал себя недооцененным и одиноким. Если у него и оставались сомнения по этому поводу, они развеялись в том же году. Принцип соответствия. В основе подхода Бора лежала уверенность в том, что в мире атомов действуют квантовые правила, однако полученные с их помощью выводы не должны вступать в противоречие с данными наблюдений на макроскопическом уровне, где властвует классическая физика. Это положение было названо им принципом соответствия. Оно позволило оставить на атомном уровне только те предположения о событиях, которые при экстраполяции не противоречат результатам, установленным в рамках классической физики. С 1913 года принцип соответствия помогал Бору строить мост, соединяющий квантовый и классический миры. Хендрик Крамерс, ученик Бора, вспоминал, что находились те, кто считал этот принцип “волшебной палочкой, не работающей нигде, кроме Копенгагена”. Другие пытались размахивать ею, и только Эйнштейн воспринимал Бора как собрата-волшебника. Первое упоминание о 72-м элементе появилось в 1911 году. Тогда француз Жорж Урбэн опубликовал результаты своих опытов 1907 года: у образца минерала, содержащего редкие земли, а именно оксиды иттербия и лютеция, он обнаружил необычные спектральные линии и аномалию магнитных свойств. Предполагаемый элемент Урбан назвал кельтием, приписал его к лантаноидам, однако выделить не сумел, и никто особого внимания на кельтий не обратил. Иттербий и лютеций относятся к «редким землям», поэтому и кельтий Урбэн отнес к лантаноидам. Лантано́иды (лантани́ды) — семейство, состоящее из 15 химических элементов III группы 6-го периода периодической таблицы — металлов, с атомными номерами 57—71 (от лантана до лютеция Однако тут в дело вмешались работавшие в Копенгагене Дьёрд де Хевеши и Дирк Костнер: как может быть так, что 72-й элемент находится в одном месте с редкими землями? Ведь датчанин Нильс Бор только что, в 1922 году, построил квантовую модель атома, из которой следует: редкие земли, элементы с недостроенной f-орбиталью, заканчиваются 71-м элементом. И, стало быть, 72-й уж никакой не редкоземельный, но аналог циркония и искать его следует прежде всего в цирконах. В общем, как пишут копенгагенские авторы открытия гафния, понимая всю теоретическую важность вопроса, они изучили спектры циркона и нашли отлично различимые линии 72-го элемента, который назвали гафнием, — Гафнией римляне называли будущий Копенгаген. Таким образом, опытным путем копенгагенцы подтвердили: да, модель их учителя, Нильса Бора, справедлива, 72-й элемент не входит в число лантанидов. Это был триумф Бора!