Комптона). Електрони високих енергій, які генерують зірки в процесі термоядерних реакцій, що відбуваються в них, взаємодіють з фотонами міжзоряного простору і, втрачаючи енергію при пружних зіткненнях з фотонами, передають їм свою енергію. У результаті виникає могутнє космічне рентгенівське випромінювання, дії якого зазнає і Земля.
Підсумуємо деякі наші міркуванням про світлові кванти-фотони.
Усі факти, викладені в цьому розділі, є, здавалося б, переконливим доказом справедливості квантових (корпускулярних) уявлень про природу світла. Однак не слід забувати, що є не менш вагомі аргументи на користь того, що світло є хвильовим процесом (інтерференція, дифракція світла). Так що ж таке світло?
У. Брегг, один з тих, хто вперше здійснив дифракцію рентгенівських променів на кристалі, писав: "Невже ми повинні вважати, що світло складається з корпускул у понеділок, вівторок і середу, поки ми проводимо досліди з фотоефектом і ефектом Комптона, і уявляти собі його у вигляді хвиль у четвер, п'ятницю і суботу, коли ми працюємо з явищами дифракції й інтерференції?" Це питання можна перефразувати так: що таке світло — неперервні електромагнітні хвилі, які випромінює джерело, чи потік дискретних фотонів? Необхідність вдаватися в різних ситуаціях до різних, вза-ємовиключних понять видається штучною.
Такі подвійні властивості світла, однак, є тільки одним із проявів корпускулярно-хвильового дуалізму. Світло одночасно має властивості і хвилі, і частинки. Просто в різних експериментальних ситуаціях ми фіксуємо або хвильові, або корпускулярні властивості світла. У прояві тих чи інших властивостей є певна закономірність.
Щодо коротких хвиль (хвиль великих частот), то більш чітко виявляються його корпускулярні властивості: із цим пов'язане існування червоної межі фотоефекту й фотохімічних реакцій; хвильові властивості короткохвильового випромінювання виражені слабо — дифракцію рентгенівських променів удалася виявити тільки після того, коли як дифракційні ґрати було використано природний кристал. Для довгохвильового випромінювання квантові властивості виражені слабо, а основну роль відіграють його хвильові властивості. Саме в цій частині спектра спостерігаються явища інтерференції і дифракції.
Зараз ми не будемо детально обговорювати ситуацію, пов'язану з неоднозначністю властивостей світла — з його корпускулярно-хвильовим дуалізмом, і відкладемо обговорення цього питання в більш узагальненому вигляді.
Планетарний атом
На початку століття існували різні, часто суперечливі уявлення про те, як влаштований атом. Але більшість учених розділяли точку зору Дж. Дж. Томсона: атом — це рівномірно позитивно заряджена куля розміром близько м, усередині якої "плавають" електрони, негативний заряд яких компенсує позитивний заряд, так що атом у цілому електрично нейтральний.
Хоч багато хто і згоджувався із такою моделлю атома, однак деякі фізики мали іншу точку зору. Так, ще в 1903 році японський фізик X. Нагаока стверджував інше: "...простори всередині атома величезні порівняно з розмірами електричних ядерець, які його утворюють, іншими словами, атом є своєрідною складною астрономічною системою, подібною до кільця Сатурна". Але така модель планетарного атома мала один нездоланний недолік. Електрон, що обертається по коловій орбіті, зазнає доцентрового прискорення, і відповідно до теорії Максвелла повинен випромінювати електромагнітні хвилі (зазаконами класичної електродинаміки не випромінює тільки заряд, що рухається прямолінійно з постійною швидкістю). Тому, втрачаючи енергію на випромінювання, електрон повинен упасти на позитивне ядро (це відбудеться дуже швидко — за час сек) і атом припинить існування. Іншими словами, така планетарна модель приводила до нестійкості атома. Однак, реальний атом стійкий, тому це не дозволяло ставитися з оптимізмом до такої планетарної моделі. Теорія Дж. Дж. Томсона не суперечила вимогам стійкості атома.
Вирішальну відповідь на питання про будову атома дав Ернест Резерфорд у результаті виконаних у 1909-1911 роках дослідів із розсіювання а-частинок (ядер гелію), які випромінює препарат радію, якщо на шляху цих а-частинок поставити металеву фольгу. Був проведений підрахунок кількості частинок, що розсіюються під різними кутами, а результати проведених за результатами експериментів розрахунків підтвердили, що атом має планетарну структуру. У 1911 році Резерфорд підбив підсумки проведених експериментів у своїй доповіді "Розсіювання а- і (3-променів і будова атома". Атом відповідно до висновків Резерфорда подібний до Сонячної системи: у центрі атома знаходиться позитивно заряджене ядро надзвичайно малих розмірів (м), але в цьому ядрі зосереджена майже вся маса атома; навколо ядра на відстані - ом обертаються електрони. Це дуже нагадує Сонячну систему: планети теж обертаються навколо Сонця. Резерфорд спостерігав розсіювання а-частинок, спричинене атомами, — це результат відштовхування позитивно заряджених ядер гелію від позитивно заряджених ядер атомів.
Експериментальне підтвердження гіпотези про планетарний атом не лише не вирішило, а, навпаки, загострило основне питання: адже електродинаміка стверджує, що така система існувати не може; електрон, що обертається за її законами, неминуче впаде на ядро. Потрібно було робити вибір: або електродинаміка, або планетарний атом. Щоб вийти із цього скрутного становища, потрібний був Нільс Бор.
При вирішенні цієї здавалося б нерозв'язної проблеми Бор вчинив так, як Олександр Македонський з Гордієвим вузлом: він не розплутував його, а розрубав мечем.
Значення робіт Резерфорда, які підтвердили справедливість планетарної моделі атома, дуже влучно охарактеризував Н. Бор: "Вирішальним моментом в атомній моделі Резерфорда було те, що вона з усією ясністю показала: стійкість атомів не можна пояснити на основі класичної фізики, і квантовий постулат — це єдино можливий вихід з гострої дилеми. Саме ця гострота невідповідності змусила мене абсолютно повірити в правильність квантового постулату".
Бор відразу ж став прихильником планетарної моделі. Утім, через багато років, у 1922 році, він скаже Гейзенбергу: "Я ніколи не сприймав планетарну систему буквально...".
Ключем до вирішення проблеми атомної стійкості були прості закони, що визначають спектр випромінювання елементів.
У1913 році Н. Бор сформулював свої знамениті постулати.
1-ий постулат — про стаціонарні стани. В атомі існують орбіти, рухаючись по яких електрон не випромінює.
2-ий постулат - про квантові стрибки. Електрон випромінює світло, тільки переходячи з однієї стаціонарної орбіти на іншу, тобто дискретними порціями. Коли електрон знаходиться на орбіті з щонайнижчою енергією, йому нікуди переходити (якщо він не одержує енергію ззовні). Так було пояснено стійкість атомів.
Бор переосмислив формулу Ейнштейна для фотоефекту, припустивши, .що частоту випромінюваного світла визначає співвідношення:
де . — два можливих значення енергії атома.
Але як визначити умову, що визначає стаціонарну орбіту? У будь-якого кругового руху, крім радіуса орбіти й швидкості руху по ній, є ще одна характеристика — момент кількості руху І, або орбітальний момент. Він дорівнює добутку маси на швидкість і на радіус орбіти, тобто:
Бор стверджував: орбітальний момент електрона в атомі L не може бути довільним, він дорівнює цілому кратний від величини
де n — ціле число: n - 1,2,3 ...
Ця умова дозволяє виділити стаціонарні орбіти (єдино можливі в атомі) з нескінченної кількості всіх, які тільки можна уявити. А оскільки в цьому виділенні основну роль відіграє квант дії h, то такий підхід називається квантуванням.
Стаціонарні орбіти (а, отже, і рівні енергії) нумеруються цілими числами п, що пробігають нескінченний ряд значень: n = 1, 2, 3 ... Ніякі інші рівні енергії, крім дозволених значень в атомі неможливі. Відсутність неперервності практично всіх характеристик руху електрона в атомі — його енергії, швидкості, радіуса орбіти — характерна риса квантової теорії.
Потрібно відзначити, що успіх постулатів Бора визначався двома обставинами. По-перше, виконані відповідно до теорії Бора розрахунки лінійчастих спектрів елементів цілком збігалися з результатами спостережень; по-друге, розміри атомів (м), обчислені за формулою Бора, збігалися з передбаченнями кінетичної теорії матерії.
Незважаючи на незвичайність постулатів Бора, його теорія швидко набула визнання/тому що дозволяла групувати розрізнені раніше атомні явища навколо незрозумілої, але простої моделі.
Ці роботи Бора дали вирішальний поштовх усьому подальшому розвитку фізики, але тоді він ще не виявив себе як філософ, яким став пізніше. "Він виступив як фізик-теоретик із глибокою інтуїцією, схильний до оцінок і якісного розуміння явищ більшою мірою, ніж до їхнього математичного описування", — відзначає академік А. Б. Мігдал. Гейзенберг у статті "Квантова теорія і її інтерпретація" пише:
"Математична ясність сама по собі не мала для Бора якоїсь особливої цінності. Він побоювався, що формальна математична структура сховає фізичну сутність проблеми, і був переконаний, що закінчений фізичний опис повинен, безумовно, передувати математичному формулюванню".
Хоча теорія Бора й описувала всі найголовніші властивості атомів, зміст правил квантування залишався загадковим. Бор так і назвав ці правила постулатами, тобто недоведеними припущеннями.
Тільки геніальним осяянням можна пояснити те, що Бор осмислив свою теорію до того, як з'ясувалися хвильові властивості частинок.
Гейзенберг так писав про постулати Бора: "Мова образів Бора — це мова поезії, що лише почасти має стосунок до зображуваної ним дійсності і яку ніколи не можна розуміти буквально.... Постулати Бора подібні до пензля й фарб, які самі по собі ще не є картиною, але з їх допомогою можна її створити".
А в 1949 році Альберт Ейнштейн так згадував про епоху створення квантової механіки: "Усі мої
