Реферат: Нильс Бор
ОГЛАВЛЕНИЕ.
стр.
1. ВВЕДЕНИЕ. 02
2. "ДО САМОГО ПОТОЛКА". СЕМЬЯ БОРОВ. 03
3. УЧЕБА МАЛЬЧИКОВ БОР. 05
4. КЕМБРИДЖ И МАНЧЕСТЕР. ПЕРВЫЕ ШАГИ В НАУКУ. 09
5. ТРИЛОГИЯ. НА ПУТИ К АТОМНОЙ ТЕОРИИ. 13
6. МАНЧЕСТЕР ВОЕННОГО ВРЕМЕНИ И ОРБИТЫ. 19
7. ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И ЭЙНШТЕЙН. 22
8. СОЗДАНИЕ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ. 27
9. БОР И СЕМЬЯ. 29
10. В ГЛУБЬ ЯДРА. 29
11. СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ. 32
ВВЕДЕНИЕ.
Кто не знает имени Нильса Бора? Крупнейший ученый современности,
блистательный соратник Резерфорда и Эйнштейна, один из основоположников
ядерной физики, создатель и общепризнанный глава Института теоретической
физики, сплотивший вокруг себя выдающихся ученых из различных стран.
Вся жизнь Нильса Бора неразрывно связана с Копенгагеном. В Копенгагене Бор
родился и вырос. Здесь он учился, написал основные свои работы, создал
всемирно-известный институт теоретической физики. Все в его жизни связано с
этим городом.
С именем Нильса Бора связана вся история современной ядерной физики. Два
гения – Нильс Бор и Эрнест Резерфорд – среди хаоса ложных и примитивных
представлений и мглы неизвестности определили основные направления
теоретических и экспериментальных исследований и упорно побивали пути к
раскрытию одной из наиболее недоступных и, казалось, навечно скрытых тайн
природы – строения атомного ядра и законов, управляющих частицами микромира.
Их титанические усилия привели в конце концов к открытиям, определившим лицо
нашей эпохи – эпохи атомной энергии, положившей начало происходящей в мире
научно-технической революции, которая изменяет облик всей планеты.
В Нильсе Боре сочетались многие высокие качества, но наиболее яркими из них
были: исключительная скромность, честность, справедливость, доброта,
человечность. Как ученый Бор обладал даром предвидения и исключительным в
поисках истины и отстаивал ее. Он прекрасно понимал, даже не понимал, а
скорее чувствовал, какими путями пойдет развитие науки. И он расширял границы
человеческих знаний, требуя от ученых пересмотра старых концепций, на которых
зиждились сложившиеся представления. Он отдавал себе отчет в том, что наука
опередила политику и старые политические догмы будут тормозить развитие
цивилизации.
Бор понимал, что развитие науки, на основе которой только и возможен прогресс
человечества, немыслимо без сотрудничества, без установления связей и
коопераций ученых, без ломки всех барьеров, мешающих этому процессу.
Он был одним из тех, кто широко раскрыл двери своего института для ученых
всех стран, независимо от их политической и национальной принадлежности; для
него основным показателем служил не политические или религиозные убеждения, а
степень научного понимания современной физики. Он не отвергал ни одной
концепции, он старался понять ее, разобраться в ней.
Бор пришел в физику из философии. Проводя физические исследования, он
тщательно анализировал все факторы, все открытия, а собственные догадки,
предположения и теории подвергал экспериментальной проверке – если
существовала хоть какая-нибудь возможность поставить такие эксперименты.
Ученый, чей интеллект способствовал созданию атомной бомбы, не жалел сил,
чтобы из источника смертельной угрозы превратить выпущенного на свободу джина
в благодеяние для человечества.
Личные качества Нильса Бора не менее притягательны, чем его общественная
деятельность. Его шансы в борьбе с политическими лидерами были ничтожны, и
все же он не сдавался. Он делал все, что мог. Всеобщее признание и мировая
слава не изменили Бора – до конца жизни он оставался простым и человечным.
"ДО САМОГО ПОТОЛКА". СЕМЬЯ БОРОВ.
У датчан существует особое выражение для характеристики семьи, члены которой
отличаются утонченным умом, интеллигентностью и добротой. О них говорят, что
«они высоки – до самого потолка». Это выражение очень часто применялось к
Борам. Нильс Бор был третьим «профессором Бором» в семье, и хотя он принес
Борам новую славу, «рост к потолку» начался задолго до него.
Х.Г.С. Бор, дед Нильса Бора, был директором средней школы на острове
Борнхольм и самым уважаемым человеком среди местного населения.
Христиан Бор, отец Нильса Бора, профессор физиологии Копенгагенского
университета, был широко известен благодаря своим научным достижениям. Он
принадлежал к группе людей, вокруг которых концентрировалась интеллектуальная
жизнь датской столицы.
Еще ребенком Христиан Бор, подобно многим будущим ученым, увлекался
коллекционированием скелетов животных и сбором насекомых. В университете он
учился на медицинском факультете, однако, его интересовала не практическая
медицина, а экспериментальная физиология. Будучи профессором физиологии в
университете, Христиан Бор опубликовал большое количество статей. Христиан
Бор подчеркивал физическую и химическую основу всего живого, но, будучи
биологом, он не мог не отметить роли биологических функций.
По тем временам, когда господствующим философским учением в стране был
идеализм, взгляды Христиана Бора были весьма либеральными. На парламентских
выборах 1884 года он поддерживал кандидата либералов, а не консерваторов – и
это несмотря на то, что кандидатом от консервативной партии был Христиан
Риместад, его дядя со стороны матери, - и ратовал за равноправие женщин. Его
слова не расходились с делом – он ввел классы для студенток. К числу его
учениц принадлежала молодая девушка, классическую красоту которой
подчеркивали роскошные темные волосы, расчесанные на пробор и собранные в
пышный узел на затылке. Доброта и ум девушки соответствовали ее красоте;
звали девушку Эллен Адлер. Она не закончила курсов, вместо этого она стала
женой профессора Бора. Это произошло в 1881 году.
Эллен Адлер была дочерью Д.В. Адлера, банкира и финансиста, основателя
Копенгагенского коммерческого банка и инициатора создания Провинциальной
кредитной ассоциации Ютландии. Адлер проявлял большой интерес к политике и
был избран в парламент от национальной либеральной партии.
Молодая пара жила сначала в городском особняке на Вед Странд, 14. Это было
внушительное здание с каменным фасадом, стоявшее в изогнутом ряду других
больших особняков, которые выходили к дворцу Христианборг – местопребыванию
правительства Дании.
Здесь, в самом сердце Копенгагена, родились дети Боров – их первый ребенок,
дочь Женни, затем 7 октября 1885 года сын Нильс Хенрик Давид Бор и два года
спустя второй сын, Харальд. С момента рождения дети жили в атмосфере любви и
ласки.
Основной чертой, которая выделяла эту семью была большая доброта и душевность
родителей по отношению к своим детям. Ситуация, когда отец семейства
постоянно занят своей работой, как это часто бывает в высокоинтеллектуальных
семьях для семьи Боров была чужда. Христиан Бор очень много путешествовал с
семьей, они совершали прогулки со своими детьми в места, где было много
технических диковинок: это были маяки, судоверфи, башни с часовыми
механизмами. Боры сделали очень много для того, чтобы их дети стали лучшими
людьми на планете. У Христиана была большая страсть - футбол. Он так сильно
привил свою страсть у детей, что в студенческие годы Харальд и Нильс играли
за сборную страны. У Харальда игра в футбол получалась особенно успешно: он
играл правым полузащитником за сборную, а зато Нильс так и не поднялся выше
второго запасного вратаря.
В детстве два маленьких брата Нильс и Харальд были очень дружны между собой.
Чувство взаимопонимания и поддержки они сохранили на всю жизнь. Они постоянно
друг с другом переписывались, обсуждали новые идеи, работали учились вместе:
такую сплоченность не часто встречаешь среди двух братьев - ровесников. Тем
более многое, очень многое отличало их друг от друга. Нильс более старший,
был спокойным и уравновешенным, открытым и простодушным. В науке он был
практиком, экспериментатором. Он очень часто помогал отцу в домашней
лаборатории и полученные там слесарно-технические навыки потом очень
пригодились ему при стажировке в Кавендишской лаборатории. Прямой
противоположностью ему был Харальд. Он был страшным теоретиком. Над ним
шутили что он будет выводить теорию даже там, где надо просто вбить гвоздь.
Харальд был очень остроумен, он любил над всеми подшучивать, особенно
оставалось Нильсу. Родные вспоминали, что однажды мальчики поспорили о том
кто кого лучше подденет. Нильс долго пытался найти хоть что-нибудь
остроумное, но ничего не получалось. Однако Харальд не отступал, спор
затягивался и в результате долгих мук Нильс только и смог сказать “А ты
посадил пятнышко на пальто“....
Как все же один, так и другой выбрали настоящий путь в жизни - путь познания
природы. Отец Боров смог передать своим мальчикам тягу, которую он испытывал
к познанию природы, а также трудолюбие, которое и стало залогом успешной
карьеры детей Бора.
УЧЕБА МАЛЬЧИКОВ БОР.
Когда Нильсу исполнилось семь лет, он начал учиться в Гаммельхольмской школе,
однако мальчик очень неохотно оставлял своего младшего брата Харальда, к
которому был сильно привязан. Внимательный и любящий отец соорудил для
мальчиков рабочий уголок и снабдил их инструментами, которыми научил
пользоваться. Нильс, искусно владевший инструментами, научился обрабатывать
металл – привычка, которая сохранилась у него на всю жизнь и неоднократно его
выручала.
В школе мальчики учились хорошо, хотя сверстники часто подшучивали над ними.
Они были очень похожи внешне, одинаково одевались и вдвоем тянулись ко всему
новому и неизвестному.
Профессор Бор был горячим поклонником Гете и мог часами цитировать отрывки из
«Фауста». Нильс за те долгие часы, когда он прогуливался вместе с отцом или
сидел около него длинными зимними вечерами, точно губка, впитывал стихи
гениального немецкого поэта. Стихи Гете на всю жизнь остались в памяти Бора,
и он часто цитировал их, как и стихи других немецких поэтов, с которыми очень
рано познакомил его отец.
Но было и еще одно обстоятельство, способствовавшее развитию детей: они с
раннего детства получили редкую возможность приобщиться к научной и
философской мысли Дании, что означало усвоение лучших европейских традиций.
Профессор Бор был членом Датской Академии наук и часто по окончании ее
заседаний вместе со своими друзьями Хеффдингом, профессором философии
Копенгагенского университета, и Христиансеном, профессором физики, проводил
обсуждение вопросов, затронутые на заседании. К ним присоединился и известный
филолог Вильхельм Томсен.
Застольные беседы в кругу отцовских друзей стали Нильсу неотъемлемой частью
его обучения, именно здесь были заложены те методы, которых он в последствии
придерживался на протяжении всей жизни.
В доме Боров – чрезвычайно радушных хозяев – всегда бывало полно гостей,
особенно художников, писателей и музыкантов.
Во время прогулки с отцом Нильса занимала работа больших башенных часов; он
готов был подолгу наблюдать за действием колес и шестеренок. Дома Нильс чинил
часы, как, впрочем, и все остальное, что нуждалось в ремонте. Как-то у одного
из велосипедов сломалась втулка, и Нильс вызвался ее починить. Тщательно
разобравшись в функциях всех частей, Нильс с помощью старших все-таки собрал
втулку, и велосипед стал как новенький. Двоюродный брат Нильса, принимавший
участие в консультациях, сказал потом, что все свидетели происходящего
испытывали чувство, близкое к триумфу. Так Нильс учился заинтересовывать
людей совместной с ним работой.
В Гаммельхольмской школе Нильс превосходно успевал по всем предметам, не
давались ему только сочинения. Согласно школьным правилам, сочинение должно
было иметь вступление и заключение: эта формальная установка совершенно не
отвечала вкусам и стилю молодого Нильса Бора. Его ум никогда не работал по
схеме - ни в то время, ни позже. Статьи Бора обычно начинаются с краткого
обзора, после чего он сразу же переходит к сути дела. В них нет ни
вступления, ни заключения. Как-то раз Нильс должен был написать сочинение на
тему "Использование сил природы в домашних условиях". Такая тема не могла
удовлетворить будущего ученого. Он решил закончить сочинение следующими
словами: "У себя дома мы не используем сил природы". Харальд с большим трудом
отговорил Нильса от такого вывода.
Это так и не появившееся в тетради заключение по стилю гораздо больше
подходило Харальду, чем Нильсу. Написанное Нильсом, оно звучало как серьезное
научное наблюдение, в то время как у Харальда оно больше подходило на
остроту. Харальд вообще обладал быстрым и острым умом и считался способнее
Нильса. Правда, Нильс, как один раз поведал профессор своему близкому другу,
был "особенным".
Несмотря на нелады с сочинениями, Нильс настолько успевал по истории,
иностранным языкам, латыни и в искусстве декламации - стихи он читал низким,
напевным речитативом, - что стал первым учеником в классе.
Когда Нильс учился в старших классах и начал изучать математику и физику, его
удивительные способности проявились еще ярче. На рубеже двух столетий
преподавание физики в школе велось весьма фрагментарно, но Нильс старался
расширить свои познания и выйти за пределы учебников.
В 1903 году Нильс поступил в Копенгагенский университет.
На первом курсе Бор слушал математику у профессора Т.Н. Тиле, известного
астронома.
Философию Нильс слушал у профессора Хеффдинга, близкого друга отца, чьим
горячим словам он с таким благоговением внимал в родительском доме. Нильс
занимался у Хеффдинга историей философии и логикой.
В университете Нильс учился довольно ровно, и запомнился всем как погруженный
в себя медлительный юноша с большой головой, крупными чертами лица, таскавший
с собой нечто вроде школьной сумки. Группа однокурсников Бора организовала
кружок "Эклиптика". В его состав входили братья Бор. На кружке студенты
обсуждали проблемы философии и физики, и все очень быстро заметили, что Боры
лучше всего выглядят тогда, когда выступают дуэтом.
В свободное от философии время Нильс уходил в лабораторию. Во время
практических занятий по неорганической химии он установил своеобразный рекорд
в битье посуды. Однажды, услышав, как по лаборатории прокатилась волна
взрывов, Нильс Бьеррум, преподаватель химии, сказал, не оборачиваясь: "Это
Бор". И он не ошибся. Нильс, несомненно, умел обращаться с оборудованием, но
его, однако, подводила любознательность. Переход от отвлеченной философии к
конкретному эксперименту был чреват некоторыми осложнениями, но сам Нильс не
видел в этом ничего особенного. Когда его спрашивали об этом, он отвечал, что
он не только мечтатель. "Я хотел работать как следует", - говорил он.
Уже ни у кого не оставалось сомнения, что основным призванием Нильса,
несмотря на увлечение эпистомологией, футболом и философией, была физика.
Физику в университете преподавал профессор Христиансен, один из членов кружка
Бора - старшего. В своих лекциях он подчеркивал огромный вклад, который
внесли в физику представители немецкой и английской школ. Поэтому Нильс, с
одной стороны, ознакомился с основами немецкой школы, делавшей упор на
волновую теорию, а с другой - с английской экспериментальной школой и
работами английских ученых в области физики атома. Такое сочетание оказалось
для него исключительно полезным. Проблема выбора темы для будущей диссертации
не предоставляла сложности для Нильса. Разумеется, тема должна была быть
связана с физикой.
В 1905 году Академия наук Дании объявила конкурс на лучшую работу по изучению
поверхностного натяжения жидкостей. Как доказал Рэлей, теоретически возможно
определить поверхностное натяжение жидкости путем измерения длин волн,
"образуемых на поверхности потока (жидкости), если известны его скорость и
поперечное сечение".
Нильс тут же решил принять участие в конкурсе, но для этого ему потребовалось
разработать метод создания потока, подобного струе, текущей из крана, а также
метод измерения его параметров. И тогда отец разрешил ему работать в своей
лаборатории.
В ходе работы Нильс обнаружил, что для количественного измерения
поверхностного натяжения теорию Рэлея необходимо расширить, учитывая вязкость
жидкости, величину амплитуд колебаний и влияние окружающей атмосферы.
Приближалось время представления работы в Академию. Нильс проводил опыты
только с водой и никак не мог их завершить: то требовалось еще одно измерение
или вариант, то ему хотелось испытать какое-нибудь новое приспособление. Если
не прервать работу, доклад так никогда и не будет представлен. Профессор Бор
настоял на том, чтобы сын кончил эксперименты, и отправил его в Нерумгор
писать доклад. Отец был прав - в Нерумгоре Нильс закончил работу.
Итак, в возрасте 21 года Нильс Бор внес вклад в теорию одного из крупнейших
физиков того времени - лорда Рэлея: он доказал, что при определении
поверхностного натяжения необходимо учитывать дополнительные факторы.
Очень немногие из открытий были отражены в учебниках по физике, но Бор в
своей лекции рассказал о работах, ведущихся в этом направлении, которому, по
его мнению, предстояло радикально изменить физику. Эти открытия привнесли
новые положения и новые идеи в науку, которая, как представлялось до этого,
вполне удовлетворительно объясняла строение мира. В разгар этих событий, в
1907 году, Нильс закончил университет.
Весной случилось одно событие. Доклад Бора "Определение поверхностного
натяжения воды методом колебания струи", которому была присуждена золотая
медаль Академии, был принят к печати в "Philosophical Transactions"
Лондонского Королевского сообщества. Для 24-летнего датского ученого было
большой честью опубликовать работу в известном английском журнале, особенно
если учесть, что это первая печатная работа Бора. Появление в Виссенбьерге
гранок статьи превратилось в знаменитое событие.
Нильс начал работать над магистерской диссертацией. Интересен факт, что
работа над ней затянулась очень надолго, потому что он никак не мог покончить
с экспериментальной частью, так как постоянно ставил все новые и новые опыты.
Отец Бора, видя что его сын закопался слишком глубоко для магистерской
оправил сына к тетушке, где тот смог спокойно дописать теоретическую часть.
Она была посвящена вопросам тепло- и электропроводности металлов, их
магнитным и термоэлектрическим свойствам на основе электронной теории
металлов, разработанной Лоренцем. Защита прошла очень успешно и, хотя Нильс
остался не очень доволен масштабами магистерской, получение степени магистра
окрылило его и он сразу же сел за докторскую. Через день после защиты в жизни
Нильса случилось еще одно знаменательное событие. На вечере у Нерлунда (с
Нерлундом они сдружились в кружке “Эклиптика”) он познакомился с его сестрой
Маргаретт. Нильс и Маргаретт потянулись друг к другу и судьба Бора как
семьянина была решена в эти дни.
В семье Боров, придававшей большее значение образованию, было решено, что оба
сына должны получить возможно лучшую подготовку в тех областях, которым они
решили себя посвятить. При этом подразумевалась защита докторской диссертации
и продолжение образования за пределами Дании.
Работа Нильса продвигалась столь успешно, что уже весной 1910 года он был
готов приступить к написанию докторской диссертации.
И в работе над докторской у Нильса появился еще один стимул для работы -
чисто душевный подъем. Он озаглавил ее "Анализ электронной теории металлов".
По ряду вопросов работа была выполнена полностью, но в отношении магнитных
свойств металлов возникли определенные трудности. Он перечитал всю
литературу, которая была написана к тому времени и пришел к выводу, что при
существующем уровне развития электронной теории логичного объяснения
магнитных свойств не существует.
Защита диссертации была назначена на начало 1911 года.
Докторант, 26-летний магистр Нильс Бор, уже через полтора часа вышел из
здания университета доктором философии. Защита Нильса прошла блестяще 13 мая
1911 года, однако ее не увидел отец Бора, который умер 3 февраля 1911 года.
За защитой диссертации он должен отправиться в Кембридж и учиться под
руководством Томсона - ученого, открывшего электрон. Именно в этом
направлении лежало будущее - будущее науки и Нильса Бора.
КЕМБРИДЖ И МАНЧЕСТЕР. ПЕРВЫЕ ШАГИ В НАУКУ.
Когда Бор вышел из лондонского поезда на перрон, его глаза остановились на
надписи с одним словом "Кембридж". Он был в Кембридже - центре науки и
образования, Кембридже Ньютона, Дарвина и Томсона, города будущего. Он, Нильс
Бор, в Кембридже!
С Кембриджем Нильс Бор связывал очень много надежд, ведь там работали такие
светила как Дж. Дж. Томсон, Лармор, Джинс. Томсон в то время находился в
расцвете творческих сил и на вершине славы. В 1903 году - модель атома
Томсона (изюминки в пудинге).
Едва успев найти комнату и распаковать вещи, Бор отправился к человеку,
блестящие исследования которого послужили поводом его поезда в Кембридж, - к
Джозефу Джону Томсону. Этой осенью Дж. Дж., как называли его между собой
коллеги и студенты, исполнилось только 55 лет.
Дж. Дж. поднял от стола свое тонкое сосредоточенное лицо и поздоровался с
молодым датчанином. Сердечное приветствие Томсона сняло ту напряженность и
трепет, которые испытывал Бор при первой встрече с человеком, стоявшим на
недосягаемой для него высоте.
Томсон представил работу Бора в Философское общество, публикации которого
посвящались науке еще с тех пор, когда наука носила название натурфилософии.
Однако, по мнению редактора, диссертация датского ученого была слишком велика
для их журнала, печатающего обычно краткие сообщения, и он предложил Бору
сократить ее вдвое. Бор, убежденный в том, что его мысли не могут быть
донесены до читателя в сокращенном варианте, отказался от "четвертования",
чувствуя себя при этом глубоко несчастным. Так и случилось, что диссертация
Бора не увидела света в Англии - ни тогда, ни позже.
Вскоре после Рождества на ежегодный Кавендишский обед в Кембридж приехал
Резерфорд.
Совсем недавно, в мае 1911 года, Резерфорд открыл наличие ядра в атоме. По
своей важности это открытие было равнозначно открытию нового континента, хотя
научный мир далеко не сразу осознал всю его грандиозность.
В течении нескольких лет Резерфорд и его помощник Ганс Гейгер бомбардировали
различные мишени пучками альфа-частиц. Если на их пути не было препятствий,
альфа-частицы, подобно пулям, летели прямо к мишени - экрану из сульфида
цинка, и на экране возникала световая вспышка - сцинтилляция, - крошечная, но
видимая и доступная счету. Но если пучок альфа-частиц преграждался тончайшим
металлическим листом, некоторые частицы не откланялись в сторону.
Резерфорд предложил молодому Эрнесту Марсдену попытаться добиться отклонения
альфа-частиц на большой угол. Марсден обнаружил, что некоторые альфа-частицы
возвращаются назад! "Это было самое не вероятное событие в моей жизни, -
признавался Резерфорд. - Это почти так же невероятно, как если бы вы
выстрелили из пушки пятнадцатидюймовым снарядом, целясь в лист папирусной
бумаги, а он внезапно отскочил от бумаги и попал прямо в вас!"
Резерфорд размышлял почему альфа-частицы отскакивали от мишени, двигаясь в
пространстве со скоростью десять тысяч миль в секунду. Что за частица в
атоме, которая в состоянии остановить стремительно несущийся снаряд? Однажды
- это было в самом начале 1911 года - Резерфорд вошел в кабинет Гейгера, и
сказал: "Я знаю, как выглядит атом"
Атом, каким его "видел" Резерфорд, состоял из крошечной центральной части и
множества электронов, вращающихся на большом расстоянии вокруг нее. Это было
удивительное проникновение в саму природу вещества.
Поскольку установлено, что альфа- и бета-частицы проносятся через атом, можно
на основе тщательного изучения природы отклонений создать представление о
структуре атома, доказывал Резерфорд.
Бор, однако, никогда не предпринимал поспешных действий. Через несколько
недель он сообщил своим немногочисленным друзьям в Кембридже о намерении
поехать в Манчестер к старому знакомому своего отца. Дальнейшие события
развивались вполне закономерно: приятель покойного профессора Бора был знаком
с Резерфордом и ему ничего не стоило представить молодого датчанина великому
ученого.
Резерфорд тепло принял Бора. Резерфорд был оптимистом от природы, что не
мешало ему очень здраво смотреть на вещи. В доказательство он перечислил
знаменательные события последних лет: открытие радиоактивности, рентгеновских
лучей, электрона, центральной части атома, которую уже начали называть ядром.
Бор с жадностью впитывал каждое его слово, и Резерфорд, умевший столь же
безошибочно судить о людях, как и проникать в суть научной проблемы, не
колеблясь, согласился принять Бора в свою лабораторию с начала весны. К этому
времени, сказал Бор, он успел закончить начатую в Кембридже работу.
Бор прибыл в Манчестер в начале апреля. В Манчестере находилась одна из
лучших физических лабораторий, основанная Артуром Шустером, физиком, который
с радостью потратил часть своего большого состояния на оборудование
лаборатории.
Теперь, когда структура атома стала достоянием ученых, доказывал Бор, впервые
появилась возможность дать какое-то объяснение свойствам элементов. Быть
может удастся объяснить, почему одни элементы являются металлами, а другие -
газами, почему одни легко соединяются друг с другом, а другие - нет, и
выяснить в конце концов, почему все огромное разнообразие элементов на Земле
имеет свою определенную форму.
Бор предположил, что источником альфа- и бета-излучения является ядро и что
от расположения электронов, вращающихся вокруг ядра подобно планетам,
возможно, зависят обычные физические и химические свойства всех элементов.
Электроны, вращающиеся вокруг ядра, определяют все химические свойства
элемента. Это они превращают его в твердый материал - такой, как железо, или
придают ему мягкость и податливость, или же делают его газом. Здесь кроется
разгадка различных свойств каждого элемента.
Но может ли такая система существовать? Могут ли электроны вращаться вокруг
ядра? Вот вопрос, который настоятельно требовал ответа. В соответствии с
законами ньютоновой механики электрон, вращающийся вокруг ядра, теряет
энергию в процессе вращения. И по мере того, как его энергия будет переходить
в излучение, электрон начинает постепенно приближаться к центру атома и в
конце концов столкнется с ядром.
Атом имел совершенно другие масштабы, он был как бы из другого мира, к
которому не подходили классические законы.
И Бор принялся за вычисления, которые должны были доказать справедливость
(или необоснованность) его собственной теории строения атома. Он работал день
и ночь, чем навлек нарекания своих английских друзей, которые безуспешно
пытались вытащить его из лаборатории.
Однако всякий раз на смену одному, казалось бы, решенному вопросу появлялся
другой, требующий решения. Но Бор продолжал трудиться.
Свадьба Нильса и Маргрет была назначена на 1 августа, и Бор собирался отплыть
в Копенгаген 24 июля. Он решил закончить свою работу и показать ее Резерфорду
до отъезда. Поэтому, как он писал Харальду, "страдать от безделья не
приходится".
К 22 июля работа была закончена, и Бор счел возможным показать ее Резерфорду.
С этой целью он направился в кабинет профессора, и хотя Резерфорд в то время
был целиком поглощен своей впоследствии знаменитой книгой "Радиоактивные
вещества и их излучения", он охотно согласился выслушать Бора. Ему очень
нравился молодой датчанин, и он нередко говорил своим коллегам: "Этот Бор -
самый талантливый парень, которого мне приходилось встречать". Исключительная
скромность Бора, его абсолютная непредвзятость, доброта и отзывчивость - все
было по душе Резерфорду.
Бор поклонился профессору, отдавая этим дань подлинному к нему уважению, и
начал говорить, от волнения делая больше ошибок в английском, чем обычно: "В
соответствии с моделью атома, предложенной профессором Резерфордом с целью
объяснения "сильного рассеяния" альфа-частиц, атомы состоят из положительного
заряда, сконцентрированного в точке. общий заряд которой равен заряду
положительного заряженного ядра; предполагается, что ядро несет в себе всю
свою массу атома.
В таком атоме не может быть равновесия, если электроны, окружающие ядро, -
это словно уже входило в употребление - не находятся в движении".
Бор должен был доказать, что электроны, вращающиеся вокруг ядра, могут
двигаться по орбите без потери энергии.
"Рассматриваемая модель атома, - Бор продолжал раскручивать длинный свиток
склеенных вместе листов, - может дать вероятное объяснение периодического
закона химических свойств элементов".
Но Бор пошел еще дальше: в предлагаемой им теории, возможно, таится ключ к
объяснению химической реакции между двумя атомами; скажем, каким образом
образуется вода из водорода и кислорода? Он кратко изложил Резерфорду, что
может произойти, когда атом кислорода со своими электронными орбитами
соединится с двумя атомами водорода и их электроннами орбитами. Возможно, эти
системы совпадут друг с другом, осмелился высказать догадку Бор, хотя у него
не было никаких доказательств.
Резерфорд внимательно выслушал Бора. Исполнив свой долг наставника по
отношению к ученику, он тут же с увлечением принялся обсуждать новые идеи
Бора и кончил тем, что настоятельно посоветовал ему подготовить статью для
публикации.
Бор был на седьмом небе. В невероятной спешке укладывая в лаборатории свои
вещи, он успел набросать небольшое письмо Маргарет, в котором сообщал, что
Резерфорд одобрил его работу и что завтра он выезжает в Копенгаген. На родину
Бор отплыл, как и предполагал, 24 июля.
На протяжении всей своей последующей жизни Бор вспоминал Манчестерскую
лабораторию как средоточение самых талантливых молодых ученых всех стран,
объединившихся вокруг великого ученого, который ободрял и наставлял молодежь
в ее попытках достичь высочайших вершин науки.
По прибытии в Копенгаген Бор сразу погрузился в атмосферу счастливых
предсвадебных хлопот. 1 августа 1912 года состоялась свадьба. С точки зрения
любого ревнителя красоты Маргрет была прекрасна: стройная, с почти
классическими чертами лица, обрамленного пепельными волосами. Она не даром
была сестрой математика; острый ум позволил ей стать ближайшей помощницей
мужа, а необычная живость и женская теплота располагали к ней малознакомых
людей.
Сразу же после церемонии новобрачные отправились в Норвегию в короткое
свадебное путешествие. Там Бор закончил работу над своей первой статьей. Из
Норвегии молодожены отправились в Англию, чтобы передать законченную рукопись
Резерфорду.
Полные счастья и надежд, Нильс и Маргрет отправились в Шотландию для
завершения своего свадебного путешествия. Им казалось, что открывшиеся перед
ними перспективы превосходят их скромные желания. Нильс прекрасно понимал,
что ему предстоит невероятно трудная работа. Строение атома таило в себе
массу неизвестного, но Бор знал, что он сделал все, что в его силах.
ТРИЛОГИЯ. НА ПУТИ К АТОМНОЙ ТЕОРИИ.
Когда Нильс и Маргрет вернулись из свадебного путешествия, с копенгагенских
буков падали листья. Но холод осени словно отступил перед теплотой приема,
оказанного им родственниками и знакомыми. Молодожены быстро подыскали для
себя маленькую квартиру и обосновались там - Нильсу не терпелось как можно
скорее приступить к работе.
Будущее Бора ни у кого не вызывало сомнений. Все прошлое ученого, образование
и приобретенные знания подготовили его для университета. Он сразу же получил
пост доцента в Копенгагенском университете; было решено, что он будет читать
курс лекций «Механическое обоснование термодинамики». Лекции должны были
начаться 16 октября и продолжаться до 18 декабря.
На подготовку лекций требовалось время, но Бор использовал каждую свободную
минуту для продолжения работы, связанной с моделью атома. Но прежде чем он
мог приступить к новой статье, ему потребовалось выяснить и проверить
множество вопросов, причем Бор стремился к всесторонней и исчерпывающей
проверке.
Работа оказалась исключительно трудной. В письме от 4 ноября 1912 года Бор
писал Резерфорду: «Я чувствую себя очень виноватым, что не сумел закончить
свою статью по атому и направить ее Вам». В первоначальном наброске письма
было сказано: «Мне удалось добиться кое-каких успехов в отношении проблемы
рассеяния», но перед тем как дать письмо Маргрет для переписки набело и
отправки Резерфорду, он вычеркнул слова «кое-каких». На самом деле Бор
добился весьма значительных успехов, и он закончил письмо словами: «Надеюсь
завершить статью в течение ближайших недель».
Резерфорд всегда быстро отвечал на письма. В своем ответе, посланном ровно
через неделю, 11 ноября, он советовал Бору не торопиться: «Не думаю, чтобы
Вам следовало спешить с опубликованием второй статьи по строению атома; мне
кажется, сейчас этим вопросом никто не занимается... Надеюсь, что Вы успешно
преодолеете все трудности».
У Бора было совершенно иное мнение относительно внимания других ученых к
вопросу о строении атома. В журналах начали появляться многочисленные статьи
по родственным проблемам, и Бор был уверен, что вот-вот другие физики
поставят перед собой этот самый трудный и самый важный вопрос: что же
представляет собой атом и каково строение Вселенной? Вопрос был настолько
важным, что Бор просто не мог понять, как могли другие не замечать его.
За несколько дней до Рождества пришло первое доказательство того, что другие
физики почти вплотную подошли или по крайней мере работают над частными
проблемами строения атома. Бор получил оттиски статей Д.У. Никольсона.
Правда, английский ученый занимался изучением Солнца, но в конечном счете
речь шла об одном и том же.
При первом чтении статей сердце Бора упало. Казалось, Никольсон отрицает все
положения, которые он выдвигал. «Неужели я так ошибаюсь?» - мучительно
вопрошал себя Бор.
Если атомы на Солнце непрерывно излучают «порции» энергии, как утверждал
Никольсон, то в конце концов атом как таковой неизбежно должен исчезнуть. Бор
не видел другого выхода, и в то же время вся его теория основывалась на том,
что атом не исчезает, а, наоборот, сохраняет свою форму и структуру с
завидной стабильностью.
Если системы, рассматриваемые Никольсоном, существуют только в таких
условиях, когда атомы непрерывно разрушаются и образуются заново, скажем,
внутри звезды или в вакуумной трубке, где происходит газовый разряд, то
никакого конфликта с его теорией не возникаем Ведь он рассматривает атомы в
их обычном, а не критическом состоянии «смерти» и рождения заново. И если это
действительно так, то работы Никольсона не только не отрицают его теорию, но,
наоборот, подкрепляют ее. Этот вывод несказанно обрадовал Бора.
Работая как каторжный, Бор закончил свое исследование по альфа-лучам, и в
конце января его статья была готова для пересылки Резерфорду. Кроме того,
сообщил он профессору, работа по строению атома также успешно продвигается.
Сейчас еще больше чем в Манчестере, ученый был уверен, что структура
электронных орбит и процесс их возникновения могут только объяснить
периодическую систему элементов, но и показать, как и почему происходит
соединение элементов. Появится возможность объяснить, почему два атома
водорода соединяются в молекулу, тогда как "два атома гелия отказываются
соединяться".
Бор прекрасно отдавал себе отчет, что выдвигаемая им теория коренным образом
изменит установившиеся в физике представления.
Первые четыре орбиты по боровской модели строения атома водорода.
Электроны могут совершить любой из указанных «прыжков».
Перед Бором открылась возможность по-новому разрешить загадку атома.
Перемещение электрона с одной орбиты на другую происходило примерно так, как
если бы автомобиль, едущий по автостраде, рассчитанной на высокие скорости
движения, внезапно получил способность летать и перепрыгнул на шоссе,
предназначенное для движения на небольших скоростях. Если бы этот скачек
сопровождался вспышкой света, его можно было легко зарегистрировать.
Бор понимал, что его теория будет иметь смысл лишь в том случае, если наряду
с процессом испускания она так же хорошо будет описывать и процесс
поглощения. Поэтому необходимо было предположить, что система, состоящая из
ядра и вращающегося вокруг него электрона, может при соответствующих условиях
поглощать излучение с частотой, равной частоте излучения, испускаемого при
переходе системы из одного стационарного состояния в другое.
Анализируя системы, в которых вокруг положительно заряженного ядра вращается
большее число электронов, Бор пришел к выводу, что устойчивой конфигурацией
электронов является такая конфигурация, которая представляет собой кольцо
вокруг ядра.
Бор заложил основы теории строения атомов и молекул, но решил, что подробнее
остановиться на них во второй части своей статьи. Бор писал одному из друзей:
"Боюсь, что мне следует торопиться с опубликованием, если я хочу представить
что-то новое; эта проблема является в высшей степени актуальной".
Вторая часть статьи "Строение атомов и молекул" называлась "Системы,
содержащие только одно ядро".
На основе идеализированной модели Бор предположил, что электроны вращаются
вокруг ядра по коаксиальным орбитам. Но сколько электронов находятся на
каждой орбите, как располагаются сами орбиты и каким образом их конфигурации
определяют химические свойства элементов?
Если к единственному электрону атома водорода прибавить еще один электрон,
рассуждал Бор, то оба электрона будут вращаться вокруг ядра, образовав
элемент гелий. В этом случае орбита будет заполнена и тенденция к
приобретению еще одного электрона исчезнет. И действительно, гелий - инертный
газ, не вступающий в соединения с другими элементами.
Но если ядро с зарядом в три единицы притянет к себе третий электрон, то этот
дополнительный электрон займет свою собственную орбиту, внешнюю по отношению
к первоначальной орбите, занятой двумя электронами.
Предположение о ядре, окруженном кольцами с размещенными на них электронами,
позволяло решить еще одну важную проблему. При переходе электрона с одной из
внешних орбит сопровождающее этот процесс выделение энергии в виде излучения
воспроизведет обычный линейный спектр элемента - характерные для него
спектральные линии.
"По аналогии можно предположить, - продолжал Бор, - что характеристическое
рентгеновское излучение возникает при переходе системы, у которой электроны
внутренних орбит выбиты с помощью какой-то внешней силы, скажем воздействием
катодных частиц, в равновесное состояние".
Слева - атом водорода со своим одним электроном. Справа - многочисленные
орбиты атома криптона, у которого тридцать шесть электронов.
С радиоактивностью дело обстояло хуже. Это явление не могло быть объяснено
излучением энергии электронами, вращающимися вокруг ядра. Бор утверждал, что
в рамках атома Резерфорда допустимо только одно объяснение: источником альфа-
лучей является ядро.
Кроме того, бору казалось совершенно ясным, что ядро является также
источником излучения быстрых бета-частиц.
"Эта точка зрения на происхождение альфа- и бета-частиц с необычайной
простотой объясняет, каким образом изменение химических свойств радиоактивных
веществ связано с природой испускаемых частиц. Результаты экспериментов могут
быть выражены двумя правилами:
1. Всякий раз, когда излучается альфа-частица, образующийся элемент
переходит в группу, на две единицы меньшую, чем группа периодической системы,
к которой принадлежал исходный элемент.
2. Всякий раз, когда излучается бета-частица, группа периодической
системы, к которой принадлежит образующийся элемент, на единицу больше
группы, в которой находится исходный элемент".
Именно это доказывал произведенный Бором анализ структуры атомов. Эксперимент
и теория не просто согласовывались, они согласовывались с точностью,
превосходящей все ожидания.
Итак, молекула является комбинацией двух или более атомов и образуется двумя
отделенными друг от друга ядрами и их электронами. Бор начал свои
исследования с простейшего случая - он рассмотрел два ядра, каждое из которых
имело всего по одному электронному кольцу. Он доказал, что при сближении двух
атомов друг с другом соприкасаются только их внешние электронные оболочки.
Внутренняя часть атомов при соединении их в молекулу изменениями не
подвергается.
"Основная часть электронов должна размещаться вокруг своего ядра примерно
так, как если бы другое ядро отсутствовало, - говорил Бор. - Всего лишь
несколько электронов будут располагаться по-новому, вращаясь по круговой
орбите, охватывающей оба ядра. Новое электронное кольцо, удерживающее всю
систему, и является химической связью".
Таким образом, молекула в гениальном воображении ученого превратилось в
доступные объяснению организованные комбинации микроскопических солнечных
систем, в которых вокруг ядер по орбитам, расположенным во многих плоскостях,
вращаются электроны.
В заключении к трем статьям - трилогии, как их вскоре стали называть, - Бор
суммировал основные идеи своей теории. Он использовал гипотезу Планка для
объяснения атома Резерфорда и при этом выдвинул собственные гипотезы
относительно испускания и поглощения излучения атомной системой. Гипотезы эти
сводятся к следующему:
1. Поглощение и излучение энергии происходит непрерывно, как
предполагала классическая физика прошлого, а только во время перехода систем
из одного "стационарного" состояния в другое.
2. Хотя равновесие систем в их стационарном состоянии описывается
обычными законами механики, эти законы неприменимы в момент перехода систем
из одного стационарного состояния в другое.
3. Излучение испускается в виде одной неделимой порции - кванта Планка.
4. Стационарные состояния определяются испусканием энергии и вращением
электрона.
5. Устойчивым состоянием любой атомной системы является такое состояние,
при котором излучаемая энергия максимальна.
"Атом" Бора не приняли многие физики старой школы, однако игнорировать его
они не могли. Хотели они того или нет, три статьи Бора изменили физику. Это
изменение можно сравнить с тем, что было внесено в науку открытием ядра
атома, сделанным Резерфордом двумя годами раньше.
Так родилась атомная физика, вошедшая в жизнь в наши дни. Чтобы оценить
масштабы революции, произведенной Бором, потребовалось время, но независимо
ни от чего революция эта произошла, и это непреложный факт.
МАНЧЕСТЕР ВОЕННОГО ВРЕМЕНИ И ОРБИТЫ.
Произошла революция в понимании физики. И хотя никто из физиков в то время не
мог предположить, что она изменит политическую структуру мира и потрясет
основы жизни, многие чувствовали, что изменения эти весьма глубоки и наука
вступает в новую эру.
Правда, мало кто предполагал или верил и в то, что надвигается другое
событие, которое перевернет мир, - война.
И тем не менее "вооруженный мир" продолжал существовать. По мере приближения
весны Нильс и Маргрет Бор мирно строили планы на будущее. Нильсу было всего
29 лет, но он уже был признанным ученым; его квантовая теория атома внесла
коренные изменения в физику. Бору предложили должность профессора кафедры
теоретической физики Копенгагенского университета.
Бор подал заявление 4 марта 1914 года. За день до этого он написал
Резерфорду, рассказав о своих планах, и попросил рекомендацию, которую то
давно обещал. Восторженная и внушительная рекомендация Резерфорда прибыла
следующей же почтой. Но она не понадобилась. Все отлично понимали, что
квалификация Бора не вызывает сомнений, и а Копенгагенском университете
впервые была создана самостоятельная кафедра теоретической физики.
Однако прежде чем вопрос был формально разрешен, пришло письмо от Резерфорда,
датированное 20 мая и изменившее планы Бора: "Я полагаю, что срок контракта с
Дарвином истек, и мы ищем ему преемника, - писал Резерфорд. Мне бы хотелось,
чтобы им оказался молодой ученый, мыслящий оригинально".
Резерфорд имел в виду Бора. Молодой датчанин, несомненно, отвечал этим
требованиям. Несмотря на сложность политической обстановки, возможность
работать в течение двух лет у Резерфорда, в самом сердце современной физики,
была слишком соблазнительна.
Предложение Резерфорда буквально окрылило Бора. Это было исполнением самой
заветной его мечты. Ректорат университета проявил удивительное понимание и
пошел навстречу Бору, предоставив ему двухлетний отпуск. Бор послал в Англию
заявление, и Резерфорд отыскал, наконец, "молодого ученого, мыслящего
оригинально".
28 июня черные заголовки газет возвестили всему миру: "Убийство эрцгерцога
Франца-Фердинанда". Австро-Венгрия, с отчаянием разваливающейся империи,
решила воспользоваться убийством в качестве предлога для захвата Сербии и
предъявила ей ультиматум. Германия обещала свою поддержку Австро-Венгрии в
случае, если Россия воспротивится "превентивным мерам" против Сербии. Еще
через месяц Австро-Венгрия объявила Сербии войну и на следующий день начала
обстрел Белграда. Второй ультиматум немцы направили Франции с требованием
нейтралитета.
4 августа 1914 года в 8 часов утра колонны одетых в серые шинели немецких
солдат перешли бельгийскую границу, превратив объявление войны Францией и
Англией, в пустую формальность. Германия действовала по строгому расписанию -
ее армия должна вступить в Париж на 39-й день после начала наступления.
Офицеры хвастливо заявляли, что они вернутся домой, прежде чем "опадут листья
с деревьев".
К беспокойству за судьбы Европы и Родины у Боров примешалось с беспокойство
по поводу запланированной поездки в Англию. Бор неоднократно советовался с
университетскими друзьями и в правительстве: вправе ли он в такой момент
уехать в Манчестер?
Немцы объявили о том, что они начали минирование Северного моря. 28 августа
эскадра английских миноносцев направилась к Гельголанду с приказом атаковать
базу, но англичанам удалось взять в свои руки контроль над морем.
В начале сентября супруги Бор взошли на борт корабля. Стремясь миновать
опасный район, корабль повернул к северу и обогнул Шотландию. Штормы и туман
преследовали путешественников. Казалось, будто сама природа созвучна
безжалостным силам , выпущенным людьми на свободу.
В Манчестере датского ученого и его жену встретили с теплотой и облегчением -
все были счастливы, что путешествие закончилось благополучно. А кроме того,
лаборатория крайне нуждалась в Боре.
Мозли и Чарльз Дарвин - внук "того самого" Дарвина - начали работать в
Манчестере вместе с Бором. После того как Бор предложил, что атом обладает
электронами, "перепрыгивающими с орбиты на орбиту, испуская (или поглощая)
при этом энергию, их исследования пошли по новому пути.
Согласно гипотезе Бора, атом водорода имеет на орбите один электрон,
следующий элемент - два, элемент за ним - три и так до девяноста двух
электронов в самом тяжелом из известных элементов. Измерения Мозли и
полученные им фотографии позволили связать номер каждого элемента в
периодической системе с числом единиц заряда положительного ядра. Таким
образом, теория Бора получила убедительное подтверждение.
В статье, опубликованной в журнале "Philosophical Magazine" за 1913 год,
Мозли писал: "Полученные результаты имеют большое значение для изучения
внутренней структуры атома и полностью подтверждают точку зрения Резерфорда и
Бора".
За последние пять лет это было третье величайшее открытие, имевшее огромное
значение для физики: вначале открытие ядра атома, принадлежавшее Резерфорду,
затем расшифровка структуры атома, сделанная Бором, и наконец объяснение
периодической системы элементов, данное Мозли. Все эти открытия были тесно
взаимосвязаны.
Несмотря на все волнения, напряжение и печаль первого года войны, Бору
пришлось немало поработать с тем, чтобы согласовать свою теорию с новыми
открытиями, которые неизбежно повлияли на нее, а также ответить на некоторые
критические замечания. Работая урывками, он все-таки сумел справиться с этой
сложной задачей, и в 1915 году в журнале "Philosophical Magazine" появилась
его статья под названием "О квантовой теории излучения и строении атома".
Основная часть его теории, касающаяся строения атома, не изменилась: Бор по-
прежнему представлял себе атом в виде ядра, окруженного облаком электронов,
вращающихся на определенных орбитах. Однако теперь он имел возможность
подробнее остановиться на состояниях атома. Его положения сводились к
следующему:
1. Атомная система обладает рядом состояний, которые не сопровождаются
излучением энергии, даже если частицы двигаются относительно друг друга, хотя
такого излучения и следовало бы ожидать на основе законов классической
электродинамики. Такие состояния являются "стационарными" состояниями систем.
2. Любое испускание или поглощение излучения будет соответствовать
переходу из одного стационарного состояния к другому.
Бор уточнил свою точку зрения относительно тех процессов, которые могут
происходить внутри крошечного, но могучего атома. Если один электрон удален
из атомной системы, его место может быть занято электроном, пришедшим извне,
или электроном, "перепрыгнувшим с одной из внешних по отношению к данному
электрону орбит. В последнем случае место переместившегося с внешней стороны
орбиты электрона будет занято другим электроном, пришедшим извне.
Переход электрона с внешней орбиты на внутреннюю будет сопровождаться
излучением, которое создает определенную спектральную линию; переход
электрона со второй орбиты будет сопровождаться другим типом излучения, и Бор
считал вероятным, что третьей орбите может соответствовать свой, третий тип
излучения. Если мощный удар выбивает из атомной системы более чем один
электрон, то, доказывал Бор, выбитые электроны могут быть заменены
электронами извне, причем такое резкое изменение в системе приведет к
излучению спектра еще более высокой частоты.
Бор добился продления срока своего пребывания в Манчестере еще на год, но
оставаться сверх этого стока он не мог - Копенгагенский университет ждал его
на пост профессора теоретической физики.
Когда Бор вернулся в Копенгаген, где ему предстояло организовать новый
факультет теоретической физики, его мысли все чаще и чаще возвращались к
Манчестеру. Несомненно, у Бора такой идеал был - как сознательно, так и
бессознательно он стремился походить на Резерфорда.
ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И ЭЙНТШТЕЙН.
Все лето 1916 года грохотали пушки. В это время в Копенгагене Бор отдавал
всего себя решению важных проблем.
Еще два года назад исследователи продемонстрировали, что красные, синие и
фиолетовые линии спектра водорода являются не одинарными, а двойственными.
Бор был одновременно озадачен и заинтересован этим явлением: ведь он
представлял себе атом водорода как ядро с вращающимся вокруг него одним
электроном. Если же на орбите находится только один электрон, то при его
перемещении с одной орбиты на другую должна проявиться только одна цветовая
линия
Бор снова сел за вычисления. Невидимые глубины могут быть измерены только с
помощью могучего эхолота математики и логики. Бор предложил, что в атоме
водорода может существовать вторая электронная орбита, возможно эллиптической
формы. Каждое хорошее шоссе состоит из нескольких полос, рассуждал Бор.
Однако проверить это предложение в применении к атому было исключительно
трудно.
Несмотря на трудности военного времени, атом Резерфорда - Бора открыл перед
физиками такие перспективы, что повсеместно в лабораториях проводились
множество самых многообещающих экспериментов. Так бывает, когда в науке
внезапно открывается новое поле деятельности и происходит стремительный рывок
вперед. За три года, прошедших с момента опубликования, "трилогия" Бора
сыграла роль весьма эффективного катализатора. В течение всего этого времени
накапливалась поистине уникальная коллекция самых различных доказательств и
подтверждений. Бор был признан исключительно многообещающим молодым ученым,
чуть ли не гением.
В декабре 1916 года все - и атомы, и война, и статьи, и зарубежные признания
- отошло на задний план: в семье Боров родился первый ребенок. Мальчика
назвали Христианом. Радость Бора была безгранична, и он тут же послал
телеграмму Резерфорду, чтобы сообщить ему о знаменательном событии.
Резерфорды полностью разделяли чувства счастливого отца. "Мы посылаем вам
самые сердечные поздравления по случаю рождения сына, - писал Резерфорд. -
Ваш первенец будет всегда напоминанием Вам о пребывании в Манчестере".
Впрочем, война властно давала себя знать, и забыть о ней удалось только на
мгновение. Даже в нейтральной Дании постоянно был слышен грохот ее пушек.
Сам Резерфорд вынужден был все больше и больше времени уделять военным
исследованиям. Работа, связанная с созданием противолодочного локатора,
заставила великого физика отправиться сначала во Францию, а после вступления
США в войну Резерфорд выехал в Вашингтон, чтобы познакомить своих
американских коллег с ведущейся работой и заручиться их помощью.
"Я занимаюсь регистрацией и подсчетом легких атомов, приводимых в движение
альфа-частицами. Думаю, что эти данные проливают свет на характер и
распределение сил вблизи ядра", - сообщал далее Резерфорд.
И затем он прибавил несколько слов, предвосхищающих одно их величайших
открытий за все время существования человечества: "С помощью этого метода я
пытаюсь раздробить атом. В одном случае результаты выглядят весьма
многообещающими, но потребуется уйма труда, чтобы убедиться в этом".
Бор немедленно понял, что Резерфорд пытается осуществить то, чего до сих пор
не делал ни один смертный. Даже с расцветом науки надежда проникнуть в святая
святых - внутрь атома - и изменить его признавалась неосуществимой. Каких-
нибудь десять лет назад, в 1907 году, лорд Кельвин объявил эту дерзкую идею
невозможной: "Атом - навсегда созданная монолитная частица". И тем не менее
Резерфорд с поразительным спокойствием сообщил, что он взялся за эту задачу.
Однако вскоре и Бор добился результатов исключительной важности. Ему удалось
найти разумное объяснение тройным цветным линиям, открытым П.Зееманом при
изучении спектра атома водорода в магнитном поле. В письме к Резерфорду он
сообщил также, что в "свободное время" заканчивает статью о квантах.
Хотя уже в декабре Бор, казалось бы, был близок к завершению работы, первая
часть статьи окончательно была готова только в мае 1918 года. Этим маем у
супругов Бор были и другие радостные новости, которыми они спешили поделиться
с Резерфордами. У них родился второй сын, Ханс. Христиану, предшественнику
Ханса, исполнилось полтора года. Он уже проявляет интерес к бумагам отца. Бор
оказался преданным и любящим отцом и постоянно интересовался всем, что
касалось его детей.
11 ноября 1918 года пришел, наконец, долгожданный мир. Четырехлетняя эпидемия
войны, опустошавшая земной шар, окончилась. Счастье и радость охватили
население союзных стран. После получения известия о заключении столь
желанного мира невозможно было удержаться от порыва необузданного веселья.
Семья Бора, подобно всем, кто был непосредственно вовлечен в эту бесконечную
цепь уничтожения, выбежала на улицу, обнимая друзей и всех встречных. Для
Нильса и Маргрет конец войны означал не только конец почти невыносимого
напряжения и освобождение родины от страха и неуверенности в завтрашнем дне,
но и победу и мир для любимой Англии, для всех друзей и знакомых на
Британских островах. Сердца их были преисполнены счастья.
Когда в 1916 году Бор согласился занять кафедру теоретической физики, он
хотел, чтобы на ней велась как научно-исследовательская, так и педагогическая
работа. Окончание войны открыло, наконец, дорогу к созданию в Копенгагене
центра, который уже давно вынашивал в мечтах Бор.
В 1917 году, почти за год до окончания войны, Бор обратился к университетским
властям с предложением организовать при университете небольшой институт
теоретической физики. Вскоре после заключения мира университет объявил о
своем согласии с предложением Бора.
Идею Бора поддержал и муниципалитет Копенгагена. На краю прекрасного парка
неподалеку от центра города, был выделен участок земли. Бор получил право
начать строительство, как только будет завершен проект.
В тот самый день, когда Бор написал Резерфорду свои поздравления по поводу
окончания войны, у него в почтовом ящике лежало письмо, чуть было не
сорвавшее все его планы. Письмо было датировано 17 ноября 1918 года, но Бор
получил его только в середине декабря - корабли все еще ходили нерегулярно.
Оно пришло от Резерфорда.
"Видимо, многое изменится в жизни университетов. Возможно, Вы уже слышали,
что мы ввели степень доктора философии. Нам хотелось бы превратить Манчестер
в исследовательский центр современной физики. Быть может, Вы помните наши
разговоры о должности профессора математической физики. Очевидно, события не
заставят себя ждать. Я хотел бы получить подтверждение занять эту должность.
Полагаю, что если мы вдвоем постараемся, то произведем настоящий переворот в
физике".
Предложение Резерфорда было чрезвычайно заманчивым. В самом деле, ни с чем не
сравнимая возможность работать вместе с великим ученым в самой передовой
области исследований, в новом центре физике, профессорская кафедра в
Манчестере, наконец, просто жизнь в Англии! Итак, сразу же после подписания
мира и в разгар работ над созданием собственного института в Копенгагене Бор
опять был поставлен перед неразрешимой дилеммой.
Он был датчанином, он не мог покинуть Данию, свою родину, которая
предоставляла ему все возможности и теперь дарила институт, о котором он
мечтал. Подобная неблагодарность была Бору не по душе. Он не стал тянуть с
ответом и 15 декабря написал Резерфорду:
"Не знаю, как и благодарить Вас за письмо, которое я сейчас получил от Вас и,
которое стало для меня не только источником огромной радости, но и причиной
печальных раздумий.
Это объясняется тем, что я считаю себя морально обязанным помочь всем, что в
моих силах, развитию физических исследований в Дании, где даже небольшая
лаборатория будет иметь огромное значение".
В любом случае, прежде чем думать о поездке в Англию, Бор должен был
закончить учебный год в университете. Кроме того, он был занят
проектированием института.
В июле, как только поездка стала возможной, Бор оторвался от проектов и
фундаментов и отправился в послевоенную Англию. Не успели они с Резерфордом
пожать друг другу руки, как тут же углубились в обсуждение двух
животрепещущих проблем.
Первая из них была связана с последними исследованиями Резерфорда: неужели он
и в самом деле совершает невозможное, пробивается в святая святых - в ядро
атома? Попутно ученые обсудили и все связанные с этим вопросы. Что же
касается второй проблемы, то она заключалась в следующем. Резерфорд получил
приглашение, которое на долю физика выпадает раз в жизни: ему предложили
стать профессором Кавендишской лаборатории в Кембридже, сменив на этом посту
Дж. Дж. Томсона и его прославленных предшественников Клерка Максвелла и лорда
Рэлея. В мире не было более почетного поста для физика.
И датский ученый, и будущий глава Кавендиша в одинаковой мере жаждали
обсудить проблемы, связанные с атомом и его новыми тайнами. До приезда Бора
Резерфорду практически не с кем было уточнить удивительные, но все еще
непонятные результаты. Резерфорд изложил методику Бору свою методику
бомбардировки водорода альфа-частицами. Альфа-частицы, в четверо превышающие
по размеру ядро водорода и передвигающиеся со скоростью 18 000 миль в
секунду, не приводили к образованию каких-либо новых ядер. Но когда он начал
бомбардировку ядра азота, то в результате столкновения появилось еще и ядро
водорода. Ядро атома азота тяжелее альфа-частицы, и поэтому, казалось бы, оно
не должно смещаться или разрешаться при столкновении. "Если это так, -
говорил Резерфорд Бору, - то мы должны признать, что атом азота распадается
под действием огромных сил, возникающих при столкновении ядра азота с быстрой
альфа-частицей, и что высвобождается при этом атом водорода составляет часть
атома азота"
Бор полностью согласился с Резерфордом, что атом распадается и создаются
новые атомы. Совет физических обществ Великобритании согласился напечатать
труды Бора по квантовой теории. В эти счастливые, наполненные делами дни,
когда все благополучно продвигалось вперед, родился третий сын Бора, Эрик.
Несмотря на рождение ребенка и заботы об институте, Бор с удовольствием
принял приглашение Планка прочесть лекцию по теории спектров в Физическом
обществе в Берлине. Приглашение Планка, первооткрывателя кванта, человека,
заложившего основы современной физики, было большой честью для Бора. Он с
гордостью показал письмо Мартрет и Харальду, обсуждал его с друзьями и
сотрудниками. Ему впервые предстояла встреча с ученым, перед которым он
преклонялся.
Когда Бор приехал в здание Физического общества, его встретили Планк и
Альберт Эйнштейн. Планк, Внешне типичный немецкий профессор, энергично пожал
ему руку. Он чуть склонил лысую голову, но глаза его за стеклами пенсне тепло
улыбались, а усы, свисающие над уголками рта, как бы отрицали официальность
черного сюртука, высокого жесткого воротничка и черного галстука.
Бор увидел и, по выражению Хевеши, «великие большие глаза» Эйнштейна, его
волосы, что развевались уже знаменитой буйной шевелюрой. Одежда Эйнштейна
независимо от торжественности момента никогда не выглядела на нем официально.
Три человека из четырех (отсутствовал только Резерфорд), которым суждено было
изменить облик нашего столетия, некоторое время обменивались теплыми словами
приветствий. Однако уже через несколько минут разговор полностью потерял
светский характер. Все свободное от собраний и лекций время они проводили в
дискуссиях по интересующим их проблемам. «С утра до вечера мы говорили о
теоретической физике», - писал Бор.
Бор жил в постоянной спешке, он везде был быстрее всех. Полтора года
огромного энтузиазма с которым работал сам Бор и каким он заражал других дали
свои результаты. Несмотря на рост цен, несмотря на I-ую Мировую войну и
огромной число других препятствий институт был сдан в назначенный срок. 15
сентября 1920 года состоялось официальное открытие института, который в
последующие 20 лет будет едва ли ни единственным международным центром по
изучению квантовой теории.
В институте сразу же образовалось ядро молодых и талантливых ученых, которое
потом назвали “копенгагенской группой”. Бор был прекрасным организатором,
умел подбирать лучших людей. Группа Бора занималась проблемой Теории атома.
Проблема эта в то время сделалась важнейшей в мире и к Бору стекалось очень
много талантливой молодежи. Был даже заведен специальный журнал, в котором
регистрировали всех, кто приезжал и уезжал и по которому потом было очень
интересно судить о миграции ученых к Бору. К нему также поступало много
заявок на чтение лекций в различных Вузах мира. Он старался на все
предложения ответить согласием, вследствие чего большая загруженность и
административные обязанности привели к болезни Бора. Поставленный диагноз
гласил: “Острое переутомление”. Прошло почти полгода, пока Бор смог
приступить к своим обычным обязанностям.
По мере работы копенгагенской группы становились очевидными многие неясные
вопросы атома, и в 1922 году Бору присудили Нобелевскую премию в области
физики “За заслуги в исследовании строения атомов и атомного излучения”. Его
нобелевская речь была обзором всего существующего, всего, что было достигнуто
квантовой теорией строения атома, но при этом он четко давал понять, что
теория находится в начальной стадии своего развития и что основные проблемы
еще впереди. Блестящим подтверждением правильности новой теории явилось
известие о получение нового 72-го элемента Периодической системы элементов
Д.И. Менделеева, существование которого предсказывала квантовая теория. Этот
элемент назвали Гафний, в честь древнего названия Копенгагена - Хавн (havn -
гавань).
СОЗДАНИЕ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ.
Полнейший развал физики ХХ века казалось был немного приведен в порядок.
Однако этот порядок достиг рубежа за которым появлялось все больше различных
“но” которые не вписывались в рамки существующей теории атома. В теории
использовались одновременно как классические, так и квантовые понятия, что
приводило к явной незавершенности учения. Все ждали разрешения проблем.
Теория Бора была лишь промежуточным звеном между классикой и чем-то
совершенно новым. Положение, в котором находилась теоретическая физика
вызывало чувство грусти и безнадежности. Ученые заново начали проверять все,
что только можно было подвергнуть сомнению. На кон был даже поставлен закон
сохранения энергии. Бор связывал большие надежды в решении этой проблемы со
своими молодыми сотрудниками: Паули, Гейзенбергом, Дираком, Шредингером. Как
ученый, он на удивление прекрасно чувствовал себя в окружении большого
количества ученых, он работал, руководил группой очень остроумных людей,
которые в свободной, порой даже в шутливой обстановке пытались разгадать
загадки природы атома. Такой стиль работы впоследствии был назван
“Копенгагенским стилем”.
Первым результатом напряженной работы стал принцип “Запрета Паули” который
утверждал, что в определенном квантовом состоянии может находиться не более
1-го электрона. Этот принцип сразу пролил свет на теорию строения атома и на
периодичность химических и физических свойств элементов. За этот принцип
Паули была присуждена Нобелевская премия мира, правда в последствии - за 1946
год. Последующие два года 1922-1924 года длились в мучительных поисках
решения проблем квантования, в течение которых у Бора было два приятных
события:
1-ое у него родился четвертый сын (всего их было 5)
2-ое: Кембриджское философское общество приняло его в свои члены.
Осенью 1924 года началось то, чего ученый мир ждал с надеждой и тревогой.
Сложность квантовой теории достигла предела, ее буквально разрывали
внутренние противоречия. И вот в институте Бора появляется человек, который
раньше не занимался проблемами атома, но лишь вступив в стены Института сразу
же взялся за работу. Это был Гейзенберг. Его гениальность проявилась в том,
что он предложил заменить все ненаблюдаемые величины для электрона
(координаты, скорость, частоту обращения) наблюдаемыми, которые можно
измерять в непосредственном эксперименте (частота спектральных линий,
интенсивность) - так называемый “Гейзенберговский формализм”. Идею
Гейзенберга подхватил Борн и пришел к выводу, что “Гейзенберговский формализм
идентичен матричному исчислению, хорошо известному в математике. В результате
совместных действий Гезенберга, Борна и Иордана была создана матричная
механика. Последний шаг в решении проблем квантования сделал Шредингер.
Введенные им собственные значения, а также рассмотрение электрона не как
частицы, а как распределение плотности вероятности привели Бора в глубокое
волнение. Взволновался он потому, что поначалу казалось, что волновая
механика Шредингера и матричная Гейзенберга несовместимы. Однако все
закончилось благополучно. Гейзенберг сформулировал свое соотношение
неопределенностей, а Шредингер записав впервые свое волновое уравнение
заложил основы для создания совершенно новой науки - квантовой механики. Как
только были описаны все основы нового направления все стало на свои места.
Теперь легко объяснялись правила квантования, принцип запрета Паули,
периодическая система элементов Д.И. Менделеева.
В 1927 году в Италии в г. Комо состоялся Международный физический конгресс.
На конгрессе главным был доклад Бора на тему “Квантовый постулат и новейшее
развитие атомной теории”. В своем докладе Бор сформулировал принцип, который
смог ответить на все вопросы, которые в то время стояли перед теорией атома.
Это был принцип дополнительности, который гласил, что любой предмет может
проявлять себя как частица, так и как волна. Этот принцип сразу вошел в
обиход физических понятий, и применялся не только в физике, но и в других
науках.
Сейчас можно с уверенностью сказать, что наука которая была создана всего за
два с половиной года в корне изменила наше миропонимание. Оказалось, что
исходя из принципа неопределенности невозможно однозначно предсказать исход
опыта, а лишь можно судить о вероятности того или иного результата. Новая
теория вызывала много возражений. Многие ученые так и не приняли ее: это были
Луи де Бройль, Шредингер, Планк, Лауэ, Эйнштейн. Официальные творцы квантовой
механики: Гейзенберг, Дирак, Борн, Шредингер. И, хотя имя Бора не
упоминается, все признают, что именно в “копенгагенском котле”, которым
управлял Бор была сварена новая наука. И именно Бора следует считать творцом
квантового мировоззрения.
БОР И СЕМЬЯ.
Заслуга Бора в науке несомненно была грандиозная. Однако раскрылся он не
только как талантливый ученой, организатор, но и как прекрасный семьянин и
отец. К людям и к жизни Бор был не менее любознателен, чем к проблемам науки.
С детьми он был ласков и добр и постоянно, как и его отец, Христиан Бор,
приучал их к труду. Семья у него была не маленькая: пять сыновей и одна дочь.
Дети сами вспоминали потом, что для них отец в первую очередь являлся лучшим
другом, который открывал перед ними большой и интересный мир. “Больше всего,
- пишет Ханс Бор, - в моей памяти остались вечера, когда отец читал вслух или
мы, дети, собирались вокруг него и засыпали кучей вопросов, на которые он с
удовольствием отвечал.
Бор никогда не работал по графику. Он мог думать о работе и в праздники, и во
время лыжных прогулок и даже ночью. Обладая огромной работоспособностью, он
тем самым вынуждал своих ассистентов выдерживать большие нагрузки, для
обеспечения нормальной работы шефа. Тяжело было также потому, что у Бора не
получалось одновременно думать и писать, отсюда его помощники писали под
диктовку его статьи, которые по много раз переписывались и корректировали.
Интересно также понимание Бором проблем психологии. Дирак вспоминал: “Как-то
раз на прогулке Бор обратил внимание на то, что когда он ударяет своей
тростью по земле, то кажется что чувство осязания находится не в руке, а на
конце палки. Тут же он провел аналогию с мозгом человека, который подобно
руке настраивается с помощью фактов и органов чувств на анализ воспринимаемой
информации”.
В ГЛУБЬ ЯДРА.
Что же происходило в квантовой науке в предвоенные годы? В 1930 году Бор
прочитает лекцию в Лондонском химическом обществе, в которой говорит весьма
пророческие слова: “...в атомной теории, несмотря на достигнутые успехи, мы
должны быть готовы к новым сюрпризам ”. И сюрприз не заставил себя ждать.
Началось интенсивное исследования атомного ядра, которое привело к рождению
ядерной физики. Уже в 1930 году была предложена протонно-нейтронная модель
ядра, позже Ферми обнаруживает нейтрино, а дальше буквально обрушивается поток
новых открытий. 1934 год Кюри открывают искусственную радиоактивность, Юкава
вводит идею о мезонах, Ферми регистрирует искусственную радиоактивность при
бомбардировке тяжелых элементов нейтронами. Копенгагенский институт больше не
мог оставаться в стороне от проблем ядра. Датчанами было собрано 100 тысяч крон
на которые купили 0,6 грамма радия и подарили Институту теоретической физики на
50-летие Бора. В 1938 году в институте был построен I-ый циклотрон в Европе.
Как только начались опыты по бомбардировке тяжелых ядер, как только стали
поступать результаты опытов от Ферми, Жолио-Кюри, Фриша в атмосферу физики был
запущен дух предчувствия открытия. Бор писал: “Все были полны предчувствия, что
физика стоит на пороге новой эры”. В 1939 году у Бора собрались Метнер, Фриш,
Плачек и Розенфельд. В результате обсуждения данных проведенных экспериментов
они делают вывод: “Столкновение нейтрона и ядра может привести к взрыву всего
ядра с большим выделением энергии. Однако использование этой энергии в
практических целях стоит под большим вопросом”. Их прогноз оказался ошибочным.
Уже в марте этого же года Энрико Ферми докладывал правительству США о том, что
создание атомного оружия является задачей осуществимой, при условии если U
235, которого в U238 1% будет отделен от последнего. Достижения
ядерной физики были очень опасными и сразу перешли в разряд сверхсекретных.
Ко всему прочему обстановка в Европе обострилась до предела. Германией была
захвачена большая часть стран Европы, в которых был установлен фашистский
режим. Проводить исследования на оккупированных территориях было тяжело и
небезопасно. 28 сентября 1940 года пришло известие о том, что из Берлина ждут
приказа об аресте Нильса и Харальда Боров. Видя такую ситуацию Боры покидают
родину и переезжают в Англию, до которой Гитлер не добрался. В Англии Бор
экстренно встречается с английскими коллегами. После анализа данных
английских и американских ученых становится ясно: При текущем уровне
понимания структуры ядра, создание ядерного оружия становится лишь делом лишь
технической и конструкторской реализации. Буквально сразу американское
правительство, приглашает Нильса Бора и его сына Оге Бора к себе в
лабораторию. Опасения того, что немцы реализуют смертельный проект раньше
других были очень сильны, ибо в таком случае исход войны в Европе был бы
непредсказуем для всей планеты, посему Бору в условиях сверхсекретности были
переправлены в штаты.
Лаборатории по созданию атомной бомбы были размещены в Лос-Аламосе.
Американцы собрали лучшие научные силы: Ферми, Бете, Чедвика, Фриша,
Комптона, Сцилорда. Роль руководителя, главного аналитика исполнял Николас
Бейкер - так теперь звали Бора. Работы проводились в условиях строжайшей
секретности, тратились огромные средства и 16 июля 1945 года в штате Нью-
Мехико была взорвана первая в мире атомная бомба. Результаты испытания были
ужасающими, которые американцы не замедлили продемонстрировать в Хиросиме и
Нагасаке. “Все ученые Лос-Аламоса испытывали чувство вины. Мы сделали работу
за дьявола” - вспоминает впоследствии Энрико Ферми. Еще в 43 году Бору и
Эйнштейн прилагали нечеловеческие усилия по предотвращению бомбардировок, но
ни Рузвельт ни Трумэн не захотели услышать голос благоразумия. 11 августа
1945 года Бор выступает в газете “Таймс”, где он обвиняет штаты в
нецелесообразности использования ядерных бомбардировок в Японии и призывает
всех к международному контролю над новым видом вооружения. В последующие годы
он очень много внимания уделял этой проблеме, несмотря на рост холодной войны
и гонки вооружения.
До конца своих дней Бор успел сделать много полезных дел для развития науки
среди которых были:
- строительство лаборатории при институте теоретической физики;
- создание ЦЕРНа - Европейского Совета по ядерным исследованиям;
- постройка датского атомного реактора.
18 ноября 1962 Нильс Бор скончался, оставив после себя такое количество
проделанной работы, которым могла бы гордиться даже целая группа людей.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.
1. Рут Мур, "Нильс Бор - человек и ученый", Москва, издательство "Мир",
1969 г.
2. Е.М. Кляус, У.И. Франкфурт, А.М. Френк, "Нильс Бор", Москва,
издательство "Наука", 1977 г.
3. Храмов Ю.А., "Физики", Москва, издательство "Наука", 1983 г.
4. А.М. Прохоров, "Большая Советская энциклопедия", Москва, издательство
"Советская энциклопедия", 1973 г. |
